基于GSM-R通信CTCS3级列控系统列车定位技术应用

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摘要：列车定位技术是铁路运营方面的重要技术，无论是调度指挥，列车运行，还是监测跟踪都需要它的技术支持。我国高速铁路经过飞速发展，其列车定位技术水平已渐渐追上国际先进技术水平的发展步伐。目前我国建设的较为先进的高铁线路如京沪高速铁路、京广高速铁路等采用CTCS3级列控系统，其列车定位技术通过多种定位技术共同合作，并依托GSM-R通信平台保持车地对话，以实现其高效、可靠、精确列车定位的目的。

关键字：列车定位技术、GSM-R通信、CTCS3级列车控制系统

The Technique of Train position Determination based on GSM-R Technology.

Zhaosai

Abstract: Location Techniques is very important of the railway operation. Without technology support of Localization, dispatch command, train operation, monitoring and tracking of train can not working properly. Today the high-speed railway in China is developing rapidly. Our location techniques in railway has caught up with the pace of international advanced level. The advanced high-speed rail lines in China such as the Beijing-Shanghai high-speed railway and Beijing-Guangzhou high-speed railwayadopt The CTCS3 train control system. The system use the GSM-R communication to keep the call between the train and the wayside equipment. With the cooperation of the different positioning methods. It is efficient, reliable, and accurate.

Key Words: Train Positioning Technology, GSM-R communication, CTCS3 train control system

中图分类号：U285 文献标识码：A文章编号：

0.引言

列车定位在轨道交通行车安全和指挥系统中是一项关键技术。其功能主要是：能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车位置，包括列车行车安全的相关间隔、速度；对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断；在局部出现故障时，能够在满足一定精度要求的前提下降级运行。准确、及时地获取列车位置信息是列车安全、有效运行的保障。

1．CTCS3级列车控制系统的列车定位技术

目前我国较为先进的高铁技术是CTCS3级列车控制技术，CTCS（Chinese Train Control System）中国列车控制系统是铁道部组织相关专家通过对欧盟立法形式确定的ETCS（European Train Control System）标准引进、消化和吸收所制定的适合我国国情的列车控制系统。在CTCS技术规范中，根据系统配置CTCS按功能可划分为5级(0至4),其中要求CTCS3级为基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。

1）CTCS3列控系统结构

下图是CTCS3级列控系统主要结构组成示意图，CTCS3级列控系统由车载子系统，地面子系统，gsm-r无线通信网络三部分组成。

车载子系统由车载安全计算机VC、人机界面DMI、轨道电路信息接收单元TCR、应答器信息接收模块BTM、无线通信单元RTU等部分组成，主要负责接收和计算地面设备对列车发送的控制数据信息（包括线路参数、信号动态信息、临时限速信息、动车组参数等等）以目标-距离模式对列车运行进行控制和监督，并将列车运行数据及时反馈给地面设备。

地面子系统负责收集归纳各方面的列车行车相关数据信息（包括车载发送的列车运行数据、铁路列车运专计划、列车运行线路设备状态信息等）并根据这些信息运算产生对各个列车的控制信息数据，通过发送列车控制信息来实现对列车运行的控制。

GSM-R无线通信网络是ctcs3的重要组成部分，通过GSM-R无线通信网络车载子系统与地面子系统之间进行双向交互，实现CTCS3级连续控车。

2）CTCS3级列控系统工作原理

CTCS3级列控系统对列车的有效控制是地面、车载两大子系统共同合作实现的，两者缺一不可。在系统运作中地面子系统生成对列车的控制信息，车载子系统则通过接收到的控车信息执行对列车运行的具体操作。

CTCS3级列控系统的地面子系统是一个由调度集中系统CTC、无线闭塞中心RBC、临时限速服务器系统TSR、计算机联锁系统CBI、列车控制系统TCC、安全信号数据传输网络等多个系统以及轨道电路、应答器等地面设备共同参与运作所构成的复杂系统。通过各系统间信息交互，地面子系统的无线闭塞中心RBC接收多方面的数据信息（包括调度集中系统CTC发送的调度命令、经由临时限速TSR系统处理CTC所发送的临时限速命令、各站联锁系统所发送的线路进路状态、前后相邻RBC发送的跨区列车信息、各列车车载设备发送的列车运行、定位状态信息等等）并依据数据信息经由RBC内部的数据库更新并运算处理，RBC对各交互系统进行反馈并生成对各个列车的安全运行控制信息，通过GSM-R无线传输网络发送至各车车载设备从而实现对列车的控制。各系统间交换信息内容示意图如下：

3）GSM-R结构原理简介

GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，为了满足铁路运营的需求。GSM-R以GSM技术为基础，在GSM蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素，GSM-R的工作频段为上行885MHZ-889MHZ、下行930MHZ-934MHZ、频率间隔45MHZ，并和GSM一样采用高斯滤波最小移频键控GMSK调制解调技术。通过采用数字蜂窝移动通信技术GSM-R对铁路线路进行无线覆盖，从而实现地面设备RBC与车载设备OBE之间信息的相互传输。

下图为CTCS3系统有关GSM-R部分的通信网络结构示意图，RBC主机通过其ISDN服务器经过数字信号通道及GSM-R接口设备接入ISDN网络，并通过ISDN网络将信息发送到与ISDN网络连接的移动交换中心MSC处，移动交换中心再根据基站控制器BSC提供的路由信息将要发送的信息传送到列车所在的无线小区的基站设备处，由基站设备与列车车载设备通过无线信道进行通信传输，而从车载主机设备到RBC的列车信息传输路径则刚好相反。

3．CTCS3列车定位技术

GSM-R无线通信网络为车地之间提供了移动通信的平台，经由GSM-R这个平台，RBC将对列车的行车许可、线路参数、临时限速等信息数据发送给对应列车的车载设备、而车载设备则将列车运行信息发送给RBC，在这些双向信息传输数据之中，对运行中列车的定位以及与列车定位相互关联的列车运行移动跟踪方面的信息数据是其中必不可缺的一大部分。

CTCS3列车定位由列车车载设备、地面应答器、轨道电路等多方面设备共同协作完成。在列车以C3级控车方式运行过程中，由应答器设备为列车车载设备提供定位的基准数据信息，当列车驶过线路上对应设置好的地面应答器时，列车车载设备中的应答器天线CAU会接收地面应答器信息，并通过应答器传输模块单元BTM对应答器发送的1023位报文数据进行校验解码，转为830位有效信息，并发至车载计算控制单元VCU,从而获得准确的线路定位基准数据。

在列车运行中，车载设备测速测距单元SDU通过速度传感器和多普勒雷达采集脉冲信号来测量列车速度。速度传感器安装在列车轮轴上，为转速脉冲传感器，为了提高速度测量的精度，列车上安装的多普勒雷达配合轮轴上的速度传感器工作，在目标向雷达天线靠近时，雷达的反射信号频率会高于发射频率；反之，当目标向雷达天线远离时，反射信号频率将低于发射信号，借由其频率的改变数值，多普勒雷达计算出目标与雷达即列车的相对速度。通过比较用以校正列车空转、打滑等情况下传感器测量发生的误差。车载VCU中的速度距离单元SDP通过MVB总线对SDU发送数据进行接收并进行处理形成有效数据。

列车的定位数据经由车载设备汇总处理后，将会生成有效的报文数据信息，通过GSM-R网络发送至无线闭塞中心RBC处。车载和RBC设备在列车C3级行车时始终交互通信，其中车载间隔每6会对RBC发送一次列车位置信息。举例如下

info = Data from peer train 600111, server_id = 3, peer_etcs_id_type = train, peer_etcs_id = 600111, direction = from peer, primitive_size = 41, primitive_type_code = T_DataInd, tcepid = 10311, pdu_size = 33, mti = 0xa(DT), ATP->RBC: NID_MESSAGE = 136, L_MESSAGE = 24, T_TRAIN = 604245, NID_ENGINE = 600111, NID_PACKET = 0, L_PACKET = 114, Q_SCALE = 0, NID_LRBG = 9093643, D_LRBG = 236, Q_DIRLRBG = 1, Q_DLRBG = 1, L_DOUBTOVER = 104, L_DOUBTUNDER = 104, Q_LENGTH = 0, V_TRAIN = 29, Q_DIRTRAIN = 1, M_MODE = 0, M_LEVEL = 3

列车位置信息报文数据中的位置报告信息包包含了列车的定位信息：

相对于应答器方向的列车取向(Q_DIRLRBG) ；列车前端位于LRBG的取向(Q_DLRBG)；相对于应答器方向的列车运行方向取向（Q_DIRTRAIN）。

列车定位的基准数据以最近相关应答器组的位置为准（NID_LRBG = 9093643——应答器标识号为 9093643）。经由车载设备运算生成的最近相关应答器组与列车前端即激活的驾驶室侧之间的距离（D_LRBG）。通过列车位置信息报文数据即可得到列车定位数据：作为基准数据相关应答器组的坐标位置+运算生成的列车前端与应答器组间距离

此外还包括了GSM-R无线网络通信传输导致的误差：过读误差（L_DOUBTOVER）和欠读误差(L_DOUBTUNDER)。过读误差：置信间隔低限与D_LRBG估计值的误差；欠读误差：置信间隔高限与D_LRBG估计值的误差。

无线闭塞中心RBC收到列车位置信息后，会对车载回复通常消息，并将数据反馈至地面子系统其他设备处，相互核对数据。

当RBC需要对列车发送行车许可MA时，如下例所示（MA中其它信息包如：坡度曲线、静态速度曲线、链接信息等已省略）

info = Data to peer train 600111, server_id = 3, peer_etcs_id_type = train, peer_etcs_id = 600111, direction = to peer, primitive_size = 230, primitive_type_code = T_DataReq, tcepid = 10311, pdu_size = 222, mti = 0xb(DT), RBC->ATP: NID_MESSAGE = 3, L_MESSAGE = 213, T_TRAIN = 604266, M_ACK = 1, NID_LRBG = 9093643, NID_PACKET = 15, Q_DIR = 1, L_PACKET = 88, Q_SCALE = 1, V_LOA = 0, T_LOA = 1023, N_ITER = 0, L_ENDSECTION = 19866, Q_SECTIONTIMER = 0, Q_ENDTIMER = 0, Q_DANGERPOINT = 1, D_DP = 0, V_RELEASEDP = 127, Q_OVERLAP = 0, NID_PACKET = 21,……………

RBC会以列车车载最近一次发送的定位信息之中的相关应答器为基准数据（NID_LRBG = 9093643，上例列车位置信息是列车车载最新的位置报告），并在MA中的CTCS-3级的行车许可信息包（NID_PACKET = 15）中包含给予列车的行车许可距离长度数据（L_ENDSECTION = 19866），从而实现C3级列车运行许可控制。

4.结束语

CTCS3级列车控制系统综合使用了应答器查询、采集脉冲信号测速等多种定位手段，其定位技术集成的优势保障了CTCS3级列车控制系统能够通过冗余、互补及依据多种信息为系统提供更为精确的信息数据，使得轨道交通列车控制系统的安全性、测量精度、可靠性、造价等各方面均呈良好、平衡、稳定运转。在将来，列车定位技术将会向着多元化、综合化、互补化的方向进一步发展，为铁路安全可靠、高速快捷的运营发挥重要的作用。

参考文献

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[2]钟章队铁路数字移动通信系统(GSM-R)应用基础理论 北京：清华大学出版社 2009

[3]孙林祥房坚城市轨道交通的列车定位技术. 电子技术应用 2002

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