基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)通信方法研究

楊麗麗 王延翠

摘要：目前，城市軌道車輛已逐漸開始二次雷達(dá)通信方法進(jìn)行前、后列車距離檢測(cè)，并用于列車安全的輔助防護(hù)。本文針對(duì)二次雷達(dá)通信過程中目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性、信息交互的有序性和穩(wěn)定性等問題進(jìn)行技術(shù)分析，重點(diǎn)研究了采用天線背瓣抑制技術(shù)和車輛身份識(shí)別技術(shù)解決通信中虛假目標(biāo)問題，采用頻帶隔離技術(shù)和通信數(shù)據(jù)時(shí)隙分配等技術(shù)解決通信干擾和穩(wěn)定性等問題，最后，綜合應(yīng)用上述關(guān)鍵技術(shù)提出了一種可行的雷達(dá)輔助防護(hù)系統(tǒng)通信方法。

關(guān)鍵詞：二次雷達(dá)? 時(shí)隙分配? 頻帶隔離? 身份識(shí)別? 隔離

中文分類號(hào)：U270.2?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： At present， on urban rail vehicles， the secondary radar communication method has gradually begun to detect the distance between the front and rear trains， and also used for auxiliary protection of train safety. In this article， technical analysis is made on the accuracy of target identification， order and stability of information interaction in the communication process of secondary radar， and it focuses on the use of antenna back lobe suppression technology and vehicle identification technology to solve the problem of false targets in communication， and uses band isolation technology and communication data slot allocation technology to solve the problems of communication interference and stability. Finally， Based on the above key technologies， a feasible communication method of radar auxiliary protection system is proposed.

Key Words： Secondary radar; Time slot allocation; Band isolation;Identification; Isolation

軌道車輛的運(yùn)行安全一般由列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）進(jìn)行防護(hù)。近年來(lái)，在ATP被切除或不可用時(shí)，為了保證列車安全，提高列車的運(yùn)營(yíng)效率，常采用二次雷達(dá)等測(cè)距手段提供輔助的安全防護(hù)手段。在一些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，多個(gè)目標(biāo)集中出現(xiàn)在可探測(cè)范圍內(nèi)，從中快速精準(zhǔn)辨別出防護(hù)目標(biāo)并確保彼此間信息交互的穩(wěn)定性是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠輔助防護(hù)的關(guān)鍵。

曲越[1]、胡勁文[2]等提出基于多傳感器融合技術(shù)，采用視覺傳感器和激光雷達(dá)相結(jié)合的方法，識(shí)別道路邊界，限定前方車輛的檢測(cè)區(qū)域，進(jìn)行列車運(yùn)行限界內(nèi)障礙物的檢測(cè)。電子科技大學(xué)的錢衛(wèi)中[3]提出了一套R(shí)FID電子標(biāo)簽進(jìn)行列車定位和防撞的方法。

上述方法通過不同技術(shù)手段可在一定程度上解決目標(biāo)識(shí)別的問題，但需增加視覺傳感器等相應(yīng)硬件設(shè)備。本文從二次雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用問題出發(fā)，針對(duì)天線背瓣抑制技術(shù)、頻帶隔離技術(shù)、時(shí)隙分配技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究，提出一種有效的基于二次雷達(dá)的列車輔助防護(hù)系統(tǒng)通信方法。

1現(xiàn)存問題及技術(shù)難點(diǎn)分析

二次雷達(dá)工作時(shí)由詢問雷達(dá)發(fā)射電磁波，應(yīng)答雷達(dá)接收到詢問電磁波后被觸發(fā)，繼而發(fā)射應(yīng)答電磁波，詢問雷達(dá)根據(jù)接收到的應(yīng)答電磁波，實(shí)現(xiàn)識(shí)辨，并根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算前后間距[4]。下面主要分析在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效辨識(shí)中需要解決的問題。

目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性

在列車運(yùn)行的過程中，不同的列車運(yùn)行在不同方向上。在前后列車間采用基于二次雷達(dá)無(wú)線測(cè)距方式測(cè)量距離方案進(jìn)行列車測(cè)距時(shí)，本車的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)可能存在多個(gè)目標(biāo)，而部分目標(biāo)和本車不在相同的運(yùn)行方向上，雖然在探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)限接近，但不存在相撞的可能，不是真實(shí)的目標(biāo)，為避免誤報(bào)故障，需要“目標(biāo)”隊(duì)列中剔除。

同時(shí)，在本車的詢問數(shù)據(jù)幀搜索有限范圍內(nèi)，當(dāng)本車與“虛假目標(biāo)”無(wú)限接近的過程中，“虛假目標(biāo)”的“信號(hào)”強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，可能會(huì)影響相同軌道上“真實(shí)目標(biāo)”對(duì)于本車發(fā)送的跟蹤數(shù)據(jù)幀的接收，造成通信誤碼率的提高。

數(shù)據(jù)交互穩(wěn)定性和有序性

在采用二次雷達(dá)進(jìn)行列車輔助防護(hù)的過程中，在雷達(dá)的追蹤范圍內(nèi)，同一運(yùn)行方向上也存在多個(gè)目標(biāo)，在同一時(shí)刻，在本車的問詢數(shù)據(jù)幀范圍內(nèi)，有多個(gè)跟蹤數(shù)據(jù)幀在“搶占資源”，可能會(huì)造成無(wú)線數(shù)據(jù)交互處于無(wú)序的狀態(tài)，每個(gè)通信周期中節(jié)點(diǎn)位置都是隨機(jī)的，導(dǎo)致數(shù)據(jù)問詢和應(yīng)答的交互過程中時(shí)延，而帶來(lái)測(cè)距誤差[5]，楊玉釗[6]等人提出采用基于離散系統(tǒng)模型的卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，但該方法并不能濾除脈沖時(shí)間較長(zhǎng)的干擾問題。

另外，由于數(shù)據(jù)的無(wú)序狀態(tài)，可能導(dǎo)致部分“真實(shí)目標(biāo)”無(wú)法進(jìn)入通信隊(duì)列，造成通信的失敗。還可能導(dǎo)致前車對(duì)后車的測(cè)距誤差增大，甚至數(shù)據(jù)跳變和中斷。問詢數(shù)據(jù)和跟蹤數(shù)據(jù)交互的有序性和穩(wěn)定性是通信中需要解決的另一個(gè)問題。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 天線背瓣抑制技術(shù)

在采用二次雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距的應(yīng)用中，一般在列車的車頭、車尾均會(huì)安裝一套防護(hù)系統(tǒng)，假設(shè)列車方向?yàn)椤扒跋颉?，那么車頭安裝問詢?cè)O(shè)備、車頭安裝應(yīng)答設(shè)備。如前文1.1部分所述，在二次雷達(dá)數(shù)據(jù)交互的過程中，跟蹤數(shù)據(jù)幀存在多種“虛假目標(biāo)”的情況，其中本車車頭的詢問機(jī)和車尾的應(yīng)答機(jī)天線背瓣互為“虛假目標(biāo)”。

車頭詢問機(jī)發(fā)射信號(hào)時(shí)，其主要信號(hào)通過天線主瓣向前發(fā)射，但也有部分能量通過天線背瓣向后發(fā)射。車尾應(yīng)答機(jī)天線主瓣信號(hào)發(fā)射方向與列車運(yùn)動(dòng)方向相反，接收來(lái)自后面車輛的信號(hào)，但其天線背瓣也會(huì)接收到本車頭詢問機(jī)天線背瓣發(fā)射來(lái)詢問信號(hào)，這些信號(hào)都是“虛假目標(biāo)”。為了避免這種情況，需要在天線設(shè)計(jì)上合理設(shè)置天線背瓣的增益[7]，根據(jù)線路的衰減，使到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)功率小于信號(hào)的接收靈敏度，從而“切斷”本車頭尾雷達(dá)天線通信鏈路，杜絕彼此間通信干擾。

2.2 車輛身份識(shí)別技術(shù)

為了區(qū)分本車與目標(biāo)車輛是否相同的運(yùn)行方向，顏光宇[8]提出采用角度對(duì)齊的路徑生長(zhǎng)法進(jìn)行軌道限界檢測(cè)，在二次雷達(dá)通信中，本車、目標(biāo)車通信數(shù)據(jù)中應(yīng)包括軌道標(biāo)識(shí)，該軌道標(biāo)識(shí)包括但不限于是車輛的上、下行信息，或者是本車輛所行駛的軌道編號(hào)，或是本車的行駛方向標(biāo)識(shí)，如上行還是下行等，或者是運(yùn)行中列車的運(yùn)行位置信息[9]。

如圖1所示，在二次雷達(dá)交互的過程中，車輛1的車頭配置問詢?cè)O(shè)備，車輛1可以與車輛2、車輛3及車輛4車尾的應(yīng)答設(shè)備進(jìn)行通信。因車輛1和車輛處于相同的軌道，具有相同的軌道標(biāo)識(shí)碼，車輛1發(fā)送的問詢數(shù)據(jù)幀中標(biāo)識(shí)碼可以正確地被車輛2接收和解析，并生成正確的應(yīng)該幀。車輛3及車輛4收到車輛1的問詢數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)其中的軌道標(biāo)識(shí)碼與其自身存儲(chǔ)的并不一致。因此，不予應(yīng)答。

基于此，可以實(shí)現(xiàn)與車輛2的正常通信而不受車輛3及車輛4的干擾。

2.3 頻帶隔離技術(shù)

為了避免二次雷達(dá)通信過程中數(shù)據(jù)交互的無(wú)序狀態(tài)，可以采用按時(shí)間節(jié)點(diǎn)和順序進(jìn)行通信的方法，即頻帶隔離技術(shù)，曹廣琦[10]提出在航空TCAS系統(tǒng)中對(duì)于特定的目標(biāo)采用不同的頻點(diǎn)（模式）進(jìn)行問詢和應(yīng)答。頻帶隔離技術(shù)簡(jiǎn)單描述為，不同股道上的車輛使用不同的頻點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)不同股道上車輛在頻帶上的徹底隔離，從而減少干擾對(duì)象數(shù)量。

以圖2為例，在二次雷達(dá)通信的過程中發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)共設(shè)置4個(gè)頻點(diǎn)，車輛1以及車輛2之間可以采用頻點(diǎn)1以及頻點(diǎn)3進(jìn)行通信，車輛1利用頻點(diǎn)1向車輛2發(fā)送信號(hào)，并利用頻點(diǎn)3接收車輛2的信號(hào);相應(yīng)地，車輛2與車輛1采用收、發(fā)頻段相反。車輛3與車輛4的通信過程類似。

同樣，當(dāng)處于另一條軌道的兩列車車輛3和車輛4采用二次雷達(dá)進(jìn)行通信時(shí)，可以采用與上行車輛完全不同的頻點(diǎn)。下行軌道上發(fā)送及應(yīng)答的數(shù)據(jù)不能被上行軌道上的車輛1和車輛2所識(shí)別，同樣，上行軌道的數(shù)據(jù)也不能被下行軌道所識(shí)別。從而可以避免不同軌道上數(shù)據(jù)交互影響通信質(zhì)量。

2.4 通信數(shù)據(jù)時(shí)隙分配技術(shù)

時(shí)隙分配技術(shù)，即將固定的通信監(jiān)測(cè)周期劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙針對(duì)一個(gè)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而確保多個(gè)目標(biāo)的通信有序性和穩(wěn)定性。對(duì)于多個(gè)的應(yīng)答目標(biāo)，本車可以在每個(gè)通信周期中的不同時(shí)隙發(fā)送對(duì)于不同車輛的問詢數(shù)據(jù)幀，在同一時(shí)刻本車僅能接收到一個(gè)目標(biāo)車輛的應(yīng)答數(shù)據(jù)。如此，本車在與每個(gè)特定目標(biāo)進(jìn)行通信時(shí)，可以不受其他車輛的應(yīng)答信號(hào)的干擾，保證與每個(gè)車輛的穩(wěn)定通信。

3雷達(dá)輔助防護(hù)系統(tǒng)通信方法應(yīng)用

3.1 天線設(shè)計(jì)方法

在工程化應(yīng)用中，天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，可通過接收天線的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)上的天線背瓣衰減值（絕對(duì)值大?。┐笥陬A(yù)設(shè)值，保證車尾的應(yīng)答機(jī)無(wú)法接收到自車車頭的詢問機(jī)發(fā)送的信號(hào)。

在工程化設(shè)計(jì)中，利用金屬物體對(duì)二次雷達(dá)信號(hào)的屏蔽作用，可以在二次雷達(dá)詢問機(jī)和/或應(yīng)答機(jī)上的平面天線陣列后面增加金屬屏蔽板，理論上說(shuō)，該金屬屏蔽板的長(zhǎng)度需要超出平面天線陣列的長(zhǎng)度約1.5倍波長(zhǎng)，也就是說(shuō)，金屬屏蔽板需要包圍天線陣列，讓天線陣列的主瓣輻射效果達(dá)到最優(yōu)，隔離背瓣信號(hào)，以減少天線輻射信號(hào)的繞射。

3.2 列車?yán)走_(dá)通信交互過程

在實(shí)際工程化應(yīng)用中，可結(jié)合前文所述關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行列車通信組網(wǎng)，大致流程如下：

（1）利用車輛身份識(shí)別的方法，識(shí)別車輛是否在同一軌道上;

（2）采用頻帶隔離技術(shù)去除非同軌目標(biāo)車輛通信干擾;

（3）采用時(shí)隙分配技術(shù)保持同軌多目標(biāo)車輛之間的穩(wěn)定通信。

假設(shè)車輛1、車輛2及車輛3位于同一軌道。

首先，車輛1采用頻點(diǎn)1在第一時(shí)隙向車輛2發(fā)送問詢數(shù)據(jù)1，采用頻點(diǎn)3接收車輛2的應(yīng)答數(shù)據(jù)，第一時(shí)隙的問詢數(shù)據(jù)包括車輛2的軌道標(biāo)識(shí);車輛1繼續(xù)采用頻點(diǎn)1在第二時(shí)隙發(fā)送問詢數(shù)據(jù)2，采用頻點(diǎn)3接收車輛3的應(yīng)答數(shù)據(jù)，問詢數(shù)據(jù)2包含車輛3的軌道標(biāo)識(shí)。

在數(shù)據(jù)交互的過程中，車輛1是在不同的時(shí)隙分別與車輛2及車輛3進(jìn)行通信，在同一個(gè)時(shí)隙里，僅會(huì)有一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行應(yīng)答，即車輛1在第一時(shí)隙發(fā)送的問詢數(shù)據(jù)幀，僅收到車輛2反饋應(yīng)答，此時(shí)，車輛3由于未收到問詢，也不會(huì)應(yīng)答。同樣，車輛1與車輛3通信時(shí)，也不會(huì)收到車輛2的應(yīng)答。如此，提高了問詢數(shù)據(jù)和跟蹤數(shù)據(jù)交互的有序性和穩(wěn)定性，進(jìn)而可以提高車輛行駛時(shí)的安全性。

4結(jié)語(yǔ)

采用二次雷達(dá)測(cè)距技術(shù)進(jìn)行列車輔助防撞的應(yīng)用中，針對(duì)在通信的小范圍區(qū)域內(nèi)可能存在車車之間的發(fā)射信號(hào)相互干擾，使設(shè)備無(wú)法通信，最終造成防護(hù)手段失效的問題，本文提供了基于頻帶隔離、時(shí)隙分配的通信方法及具體設(shè)計(jì)建議，后續(xù)將根據(jù)以上方法進(jìn)行工程化應(yīng)用，并在實(shí)際測(cè)試中不斷進(jìn)行完善。

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作者簡(jiǎn)介：楊麗麗（1983—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及智能化技術(shù)應(yīng)用研究。

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