卫星定位信息在机车无线通信领域应用研究

李晓峰

（通号通信信息集团上海有限公司，上海 200071）

1 概述

我国铁路无线通信已从传统的450 MHz模拟制式向GSM-R数字移动通信制式转变，目前我国干线铁路基本完成GSM-R网络的改造，新建铁路无线通信都按GSM-R网络覆盖设计和建设。在GSM-R网络中采用GPRS分组业务无线传送，是我国铁路无线调度通信的技术特点，如调度命令信息无线传送、无线车次号校核信息传送等都采用GPRS分组业务，未来LTE-R网络建设和运用将为车地无线通信提供更大的数据量，为更多的业务运用提供条件。

我国铁路信息化建设，正在有序推进，数据资源的运用将越来越广泛，大数据和云计算是未来信息发展的必然趋势，目前各铁路局已基本完成数据网改造，数据传输的带宽有了很大提升，为信息化运用创造了条件。

目前，我国铁路的机车和动车组基本装备了机车综合无线通信设备（以下简称CIR），列车行车无线调度通信采用两种方式，在传统的450 MHz无线列调区段， CIR通过内置的450 MHz单元，采用450 MHz模拟通信制式与车站、调度进行通信联络；在GSM-R网络覆盖的区段，CIR通过内置的GSM-R话音单元和GSM-R数据单元，采用GSM-R数字移动通信制式与车站、调度进行通信联络。

为满足行车调度通信的运用要求，CIR需根据当前经纬度信息，自动检索卫星定位信息数据库，完成通信模式转换，自动获取行车调度通信需要的相关数据信息。卫星定位信息的线路数据库检索可采用分散处理和集中处理两种技术方案，两种方案各有特点，目前在用的CIR基本采用分散处理技术方案，实际运用中，也发现一些问题。

2 线路数据库分散处理技术方案

目前CIR的卫星定位单元，基本采用全球定位系统（以下简称GPS）单模芯片，使用的有源卫星定位天线，由卫星定位单元供电。

卫星定位单元内部设计一个板载数据库，用于存储各运行线路的相关数据，列车长交路跨区段运行时，CIR卫星定位单元依据运行列车当前的经、纬度信息，自动检索内嵌数据库，向主控制单元输出相关行车所需的运用信息，主要实现以下功能。

1）CIR依据当前获取的经、纬度信息，检索数据库，根据数据库中预先设定的切换点位置，CIR自动实现450 MHz与GSM-R不同工作模式、工作频点的切换。

2）CIR运行在450 MHz通信区段，卫星定位单元根据当前的位置信息，向主控制单元输出450 MHz调度通信所需要的当前线路和区段名称、线路代码、通信制式和通信频率等信息。

3）CIR运行在GSM-R通信区段，卫星定位单元根据当前的位置信息，向主控制单元输出GSM-R调度通信所需要的当前线路区段名称、线路代码，列车运行前方各车站、当前所在车站及后方车站的站名、值班台电话号码，当前区段调度电话号码等信息。

4）列车运行途中，前方出现多条分岔线路，或两条及以上运行线路同向并行且距离较近，卫星定位信息无法区分时，或多条并行线路共用GSM-R基站时，卫星定位单元根据数据库中预先设定区域，向主控制单元和操作显示终端（以下简称MMI）输出运行线路列表信息在MMI上显示线路列表并语音提示，供司机选择确认。线路确认后，CIR按指定的线路数据运行。

5）卫星定位单元为CIR的其他功能单元提供标准时钟信息，供各功能单元同步校时。

这种卫星定位信息数据库分散处理的技术方案，经过前期不断地修改和完善，基本满足当前CIR的实际运用要求，但通过近几年的实际运用，也发现存在以下问题。

1）卫星定位单元采用单模GPS芯片，在GPS定位信息无效时，卫星定位单元的功能失效，影响CIR的正常运用。

2）卫星定位信息线路数据库分散保存在CIR的卫星定位单元存储器中，而CIR设备又安装在不同的机车上，新线路的增加以及既有线路的改造调整，都需要对卫星定位单元线路数据库进行更新，对分散在各段机车上的线路数据库逐台升级，工作量大，维护不便。

3）各铁路局之间机车调拨频繁，CIR基本跟着机车调拨，即使在同一路局内部，机车分属不同的机务段、动车也隶属不同的动车段管理，导致卫星定位单元线路数据库升级工作的跟踪维护困难。

4）增加或修改支线数据、联络线数据以及动车走行线的数据等，都需要更新卫星定位单元的线路数据库，线路数据库的频繁升级，带来线路数据库版本管理难题，尤其是货运机车，入库时间不定，现场抓车难，升级周期长，出现当前版本还未升级完成，又发布了新版本的线路数据库，使现场数据库版本很难统一。

5）目前各生产企业CIR设备的卫星定位单元，所使用的线路数据库内部结构不完全统一，现场升级维护的工装和方法也不一致，更新维护方法不尽相同，升级维护管理的难度大。

6）由于机车运行交路不固定，各机车CIR卫星定位单元的线路数据库版本不统一，可能会影响到实际运用，出现跑该交路的机车，线路数据不完整。

7）目前长交路运行的机车越来越多，因运行线路（或区段）隶属不同的铁路局，当出现线路数据库需要修改时，不同铁路局之间需要协调，同步完成困难，会对实际运用产生影响。

8）卫星定位单元板载线路数据库容量受限，难以进一步提高卫星定位信息的精度, 不便于以后的发展。

9）由于卫星定位信息线路数据库分散存储在各机车上，未能实现资源共享，无法为其他铁路应用业务提供卫星定位的相关信息，也不利于长期发展。

针对卫星定位信息线路数据库分散处理存在的问题，铁路总公司也组织各铁路局用户、各生产企业进行了研究，并提出相关解决措施，如：统一接口定义，规范卫星定位信息数据库的升级方法等。但由于数据库分散在各机车上、更新维护工作量大、更新周期长、数据库版本管理困难等问题依然存在，为解决以上问题，可以研究探索采用卫星定位信息线路数据库集中处理的技术方案。

3 线路数据库集中处理的可行性

数据库集中处理，是指将卫星定位信息的线路数据库设置在地面服务器中，各铁路局可在地面数据网络中增设一台卫星定位信息应用服务器（以下简称GIS），在服务器中处理各机车CIR所需列车行车调度通信的相关信息，卫星定位单元功能进一步弱化，仅输出卫星定位的经纬度原始信息。

相关基础设施的建设和完善，为卫星定位信息数据库集中处理创造了条件；各铁路局已基本完成地面数据网的改造，大幅度提升了数据传输的带宽，干线铁路已基本完成GSM-R网络的改造，新建铁路都采用GSM-R网络，保障GPRS数据业务的传输。

全路机车和动车组基本装备了CIR，并配置GSM-R通信单元，为车地之间定位信息数据传输创造条件。

双模定位技术的运用，可提高卫星定位单元的可靠性。为保障卫星定位信息的运用安全，可优先选用我国自主知识产权的北斗卫星导航系统（以下简称BDS），在CIR卫星定位单元内部采用BDS和GPS双模芯片，同时接收BDS和GPS两路卫星定位信息。正常情况下，卫星定位单元优先输出有效的BDS定位信息，当BDS信息失效时，输出GPS定位信息作为应急定位使用。

增加GIS服务器后, 地面GPRS网络结构如图1所示。

图1 增加GIS后的GPRS网络结构示意图

4 线路数据库集中处理的工作原理

按照铁路总公司GSM-R相关技术条件的规定，铁路行车调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息以及其他服务信息均可采用GPRS分组业务传送。无线调度通信使用的调度命令信息、无线车次号校核信息、列车启动和停稳信息等，都已采用GPRS传输，并在地面设置GPRS接口服务器（简称GRIS），与各机车的CIR通信。同样可在地面增设一台GIS服务器，与CIR通信，处理CIR行车所需要的相关卫星定位数据信息。

各铁路局GIS服务器，存储本局管内的各条线路的相关卫星定位应用数据信息，包含各线路经纬度、公里标、小区和位置区代码、线路名称、区段名称、线路代码、工作模式号、相关各车站名称、车站值班台电话号码、当前行车调度台的电话号码、以及线路列表等信息，为CIR运行提供信息服务，流程如下。

1）CIR加电开机后，主控制单元控制GSM-R话音单元、GSM-R数据单元完成GSM-R网络注册；控制GSM-R话音单元完成车次号功能号和机车号功能号注册；控制GSM-R数据单元完成PDP激活，并获取IP地址后，向GROS申请当前GRIS的IP地址和当前GIS的IP地址。

2）CIR获取到当前GIS的IP地址后，如果卫星定位信息有效，则向GIS发送当前的经、纬度信息，GIS根据经、纬度信息检索数据库；如果需选线，则向CIR返回线路列表信息。否则，向CIR返回当前的线路和区段名称、工作模式以及与行车相关的调度、车站信息。

3）CIR主控制单元接到线路列表信息后，转发至MMI，同时向GIS发送应答信息；MMI显示线路列表信息，并语音提示司机选择运行线路；指定运行线路后，CIR保存当前线路代码信息。

4）CIR在经过进、出站信号机需要GIS发送当前位置信息，包括经纬度、线路代码、公里标等信息。

5）CIR最多不超过30 s，定时向GIS发送当前位置信息，包括经纬度、线路代码、公里标等信息。

6）GIS接收到CIR发送的位置信息，进行线路数据库检索，并向CIR返回当前的线路和区段名称、工作模式以及与行车相关的调度、车站信息。

7）CIR根据GIS返回的信息，自动进行工作模式的切换，在MMI上显示线路和区段名称、工作模式、调度和车站的相关信息，供司机行车运用。

8）当GIS发现列车位置已经超出其管辖的范围时，自动向GROS发送目标GIS的IP地址更新请求，GROS向CIR返回目标GIS的IP地址。

9）CIR收到更新目标GIS的IP地址后，向新的GIS报告列车位置信息，与新GIS建立通信联系。

卫星定位信息线路数据库集中处理，将有利于线路数据库的版本管理，方便用户对线路数据库维护和管理。

1）各铁路局只需将验证后的线路数据加载到地面GIS中，各机车CIR可直接调用，与CIR的卫星定位单元无关。

2）后期线路数据的增加、修改等维护，仅需要在GIS服务器上进行，大大减少维护工作量。

3）在GIS侧增加、修改线路数据库，效率比较高，调整及验证速度快。

4）将线路数据集中存储在GIS中，安全可控，便于铁路局的管理。

5）卫星定位单元采用BDS和GPS双模芯片，可靠性高，仅需输出原始经纬度信息，提高了不同生产企业卫星定位单元的互换性，维护成本降低。

6）线路数据集中存储在GIS中，维护部门不需要考虑跨局运行机车CIR的线路数据制作与加载问题，任何修改仅在相关铁路局内部进行，无需通知CIR生产企业重新编辑修改线路数据库。

7）GIS运行速度快、存储容量大，能存储更高精度的线路数据信息，可进一步提高卫星定位的精度。

8）若双模芯片的卫星定位单元也出现故障，还可通过GSM-R网络的小区号和位置区号进行粗略定位，输出相关行车需要的信息，能进一步弱化故障，保障行车安全。

9）随着铁路信息化的全面推进，大数据运用水平的提高，卫星定位信息数据库不断完善，GIS也可为铁路其他专业提高运用服务，实现数据资源的共享。

目前，我国部分既有线路还在采用传统的450 MHz模拟通信制式，由于缺少车地之间的传输通道，无法与地面GIS建立通信联系；但在450 MHz通信区段，采用广播式呼叫通信，仅需要知道通信制式和频率，可使用MMI内部配置的线路列表，司机通过手动方式，人工选择对应运行线路来实现。

5 结束语

根据工信部《关于加强450-470 MHz频段管理的通知》和《关于进一步加强450-470 MHz频段管理的通知》的要求，从2012年4月1日起，工信部将停止对含有450-470 MHz频段无线电发射设备的型号核准，不再办理已取得含有该频段无线电发射设备型号核准证书, 按照国家无委的统一规划，450-470 MHz的20 MHz频段已划分给LTE，铁路450 MHz模拟制式的列车无线调度通信系统，将逐步被GSM-R铁路数字移动通信系统替代。GSM-R分布式基站和GSM-R数字光纤直放站的技术越来越成熟，价格也越来越低，既有线路450 MHz车站设备，寿命后期将逐步改造成GSM-R网络；无论采用GSM-R网络还是未来建设LTE-R网络，都为卫星定位信息线路数据库集中处理创造了条件，设置GIS是技术发展的必然趋势，既可以实现资源共享，又能大幅度提高运用维护水平。

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