基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和5G通信的LMD車載設(shè)備

劉建林，肖立志，湯紫霖

（1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)沙電務(wù)段，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

0 引言

LKJ設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)（LKJ monitoring and management device，LMD）采用4G-LTE移動(dòng)公網(wǎng)作為車-地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸通道，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和LKJ測(cè)速定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車定位，以LKJ設(shè)備監(jiān)測(cè)信息、列車運(yùn)行狀態(tài)信息為處理對(duì)象，提供LKJ設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、LKJ作業(yè)周期檢測(cè)預(yù)警等功能。LMD系統(tǒng)可在保障LKJ設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的前提下，合理延長(zhǎng)LKJ檢測(cè)作業(yè)周期，實(shí)現(xiàn)減員增效[1-3]。LMD系統(tǒng)由車載設(shè)備、地面系統(tǒng)和通信傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，其中車載設(shè)備承擔(dān)車載信息采集、數(shù)據(jù)處理、車-地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸及列車定位授時(shí)等功能。隨著LMD系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸中應(yīng)用范圍的增加，既有設(shè)備逐漸不能滿足應(yīng)用需求，主要表現(xiàn)在定位授時(shí)的可靠性不足、車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率和健壯性有待提升、系統(tǒng)功能可擴(kuò)展性不強(qiáng)。目前，國(guó)內(nèi)5G基建的發(fā)展和北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，為L(zhǎng)MD車載設(shè)備在車-地通信和定位授時(shí)方面的技術(shù)改進(jìn)升級(jí)帶來(lái)了可能。本文結(jié)合LMD車載設(shè)備的功能提升需求，采用5G通信和北斗定位授時(shí)等技術(shù)，研制了新一代的LMD車載設(shè)備，全面提升車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸效率，實(shí)現(xiàn)列車可信定位授時(shí)，并采用合理的設(shè)計(jì)架構(gòu)，提高設(shè)備功能的可擴(kuò)展性和健壯性。

1 新一代LMD車載設(shè)備的功能提升需求

新一代LMD車載設(shè)備需要消除定位授時(shí)單元存在的時(shí)間和位置輸出錯(cuò)誤的隱患，為系統(tǒng)提供可靠精準(zhǔn)的位置和時(shí)間基準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景下的車-地間穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)通信，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，提升產(chǎn)品可擴(kuò)展性，同時(shí)增加系統(tǒng)LKJ數(shù)據(jù)無(wú)線換裝單元。

1.1 提升定位授時(shí)的可靠性

衛(wèi)星定位授時(shí)相對(duì)于點(diǎn)式應(yīng)答器、計(jì)軸等其他列車定位技術(shù)具有不可取代的便利性。衛(wèi)星終端設(shè)備不依賴于地面設(shè)施，僅需從導(dǎo)航衛(wèi)星接收導(dǎo)航電文，通過(guò)內(nèi)部PNT（導(dǎo)航、定位和授時(shí)）算法即可獲得高精度的時(shí)間信息及精度在10 m內(nèi)的定位信息。但衛(wèi)星定位授時(shí)在可靠性方面存在安全隱患，表現(xiàn)在：（1）欺騙式的電磁干擾可能導(dǎo)致終端輸出錯(cuò)誤的時(shí)間和位置；（2）壓制式電磁波信號(hào)干擾導(dǎo)致終端與衛(wèi)星失鎖，定位授時(shí)失效[4]；（3）在遮蔽或半遮蔽等弱信號(hào)環(huán)境下，終端接收的導(dǎo)航電文可能產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致定位或授時(shí)錯(cuò)誤；（4）終端定位算法或軟件漏洞引起的定位授時(shí)錯(cuò)誤。此外，設(shè)備偶發(fā)性地輸出錯(cuò)誤的時(shí)間和位置信息，將影響機(jī)車/動(dòng)車組和設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)缺乏正確的時(shí)間和位置基準(zhǔn)，造成用戶無(wú)法通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)安全隱患并準(zhǔn)確定位故障。新一代LMD車載設(shè)備首先需要解決單一衛(wèi)星定位授時(shí)存在的可靠性問(wèn)題。

1.2 提升車-地通信的健壯性

列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜且運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要連續(xù)不斷地工作，這就要求LMD車載設(shè)備有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。此外，鐵路沿線電磁環(huán)境復(fù)雜，列車與鐵路沿線基站之間的電磁波傳播受限，且列車始終處于高速移動(dòng)狀態(tài)，越區(qū)切換、多普勒頻移、信號(hào)遮蔽等因素將導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)處于頻繁斷線重聯(lián)過(guò)程，影響通信的實(shí)時(shí)性，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)。因此，需要通過(guò)技術(shù)升級(jí)提高車-地通信的健壯性。

1.3 集成LKJ無(wú)線換裝功能

車載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件是LKJ（列車運(yùn)行監(jiān)控裝置）控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。隨著鐵路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備升級(jí)、設(shè)施技術(shù)數(shù)據(jù)變化、行車組織變化或者線路施工，LKJ車載數(shù)據(jù)也需進(jìn)行相應(yīng)的更新。目前LKJ數(shù)據(jù)采用移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)（如IC卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器）進(jìn)行人工更換。這種換裝方式不僅效率低、需投入大量人力物力，而且有些換裝機(jī)車難以跟蹤、換裝地點(diǎn)難以到達(dá)。此外，人工換裝還存在錯(cuò)換、漏換或提前換的風(fēng)險(xiǎn)[5-9]。通過(guò)對(duì)LMD車載設(shè)備進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)，集成LKJ換裝單元，借助LMD車-地?zé)o線傳輸通道，為L(zhǎng)KJ車載數(shù)據(jù)換裝的功能實(shí)現(xiàn)提供支撐。

2 新一代LMD車載設(shè)備系統(tǒng)框架

新一代LMD車載設(shè)備由裝置主機(jī)、5G天線和組合天線組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。裝置主機(jī)采用3U/50R機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，與既有裝置的盒體式結(jié)構(gòu)相比，更利于功能擴(kuò)展和產(chǎn)品維護(hù)。裝置的主要功能單元包括：（1）電源單元，用于實(shí)現(xiàn)輸入電源隔離、防護(hù)及轉(zhuǎn)換，提供內(nèi)部工作電源；（2）主控單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理，提供多種通信接口，按不同協(xié)議對(duì)LKJ2000、LKJ-15、TAX（機(jī)車安全信息綜合監(jiān)測(cè)裝置）、CIR（機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備）等設(shè)備進(jìn)行信息采集并加工處理，實(shí)現(xiàn)車載無(wú)線通信控制和安全防護(hù)，負(fù)責(zé)與地面多業(yè)務(wù)服務(wù)器建立通信，進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；（3）無(wú)線通信單元，提供基于GSM-R/4G、WLAN的車-地?zé)o線傳輸服務(wù)，為主控單元提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由；（4）5G&PNT單元，提供基于5G/4G/3G移動(dòng)公網(wǎng)的車-地?zé)o線通道，為主控單元提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由，具備BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航）及其他定位和授時(shí)功能；（5）交換機(jī)單元，可實(shí)現(xiàn)各單元之間的通信，以及與外部設(shè)備，如LDP（機(jī)車車載綜合信息監(jiān)測(cè)裝置）的通信；（6）LKJ換裝單元，與無(wú)線換裝服務(wù)器進(jìn)行交互，獲取目標(biāo)換裝數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給LKJ裝置。

圖1 LMD車載設(shè)備系統(tǒng)框架圖Fig.1 System frame of the LMD on-board equipment

3 新一代LMD車載設(shè)備功能升級(jí)項(xiàng)點(diǎn)

新一代LMD車載設(shè)備提高了數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)能力，提升了車-地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸性能，實(shí)現(xiàn)了列車的可信定位授時(shí)，具有良好的可擴(kuò)展性，如表1所示。

表1 LMD車載設(shè)備優(yōu)化項(xiàng)點(diǎn)對(duì)比表Tab.1 Comparison of the optimization items for the LMD on-board equipment

3.1 提升數(shù)據(jù)采集能力

新一代設(shè)備兼容既有設(shè)備通信接口，對(duì)外提供2路CAN總線與LKJ2000裝置通信（或1路以太網(wǎng)與LKJ-15通信），以獲取列車運(yùn)行狀態(tài)信息、LKJ設(shè)備狀態(tài)信息及記錄文件；1路RS485總線與TAX通信，以獲取TAX設(shè)備狀態(tài)信息；預(yù)留1路RS422總線與CIR通信，以獲取CIR運(yùn)行狀態(tài)信息。交換機(jī)單元對(duì)外提供3路以太網(wǎng)接口，其中1路與LDP裝置通信、2路預(yù)留。設(shè)備按照既有專用協(xié)議實(shí)現(xiàn)相關(guān)車載實(shí)時(shí)信息或記錄文件的匯集。

與既有設(shè)備相比，新設(shè)備的以太網(wǎng)接口最高通信速率由100 Mb/s提升至1 Gb/s，并預(yù)留4個(gè)空插槽和以太網(wǎng)內(nèi)部總線接口，至少可擴(kuò)展出12路對(duì)外接口，大幅提升了數(shù)據(jù)的采集能力。

3.2 提高數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)性能

LMD車載設(shè)備對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、選擇和預(yù)處理，根據(jù)可定制的邏輯判斷生成監(jiān)測(cè)預(yù)警或報(bào)警信息，并按照約定協(xié)議形成向LMD地面系統(tǒng)發(fā)送的報(bào)文。當(dāng)車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時(shí)，對(duì)報(bào)警信息或重要監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行本地緩存；通信恢復(fù)后，重新發(fā)送。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息以日志文件形式存儲(chǔ)于本地。

與既有設(shè)備相比，新設(shè)備增加防火墻功能，其主控單元采用VPN（虛擬專用網(wǎng)）、國(guó)密加密等策略對(duì)車-地網(wǎng)絡(luò)邊界的通信安全進(jìn)行防護(hù)，并對(duì)傳輸進(jìn)行加密處理。為提高新設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)性能、保障防火墻功能正常運(yùn)行，主控單元CPU主頻由原有的單核400 MHz提升至雙核1 GHz，內(nèi)存由32 MB提升至2 GB，程序存儲(chǔ)由32MB提升至64 MB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由8 GB提升至64GB。

3.3 提高車-地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸性能

LMD車載設(shè)備通過(guò)5G/4G、GSM-R技術(shù)實(shí)現(xiàn)在途機(jī)車/動(dòng)車組與LMD地面系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互；在鐵路站/段部署有WLAN網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，通過(guò)WLAN實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。

既有設(shè)備主要采用的4G網(wǎng)絡(luò)不能滿足列車高速移動(dòng)場(chǎng)景應(yīng)用需求，存在越區(qū)切換不穩(wěn)定、空口時(shí)延長(zhǎng)、多普勒頻移等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)斷線頻繁、數(shù)據(jù)重傳等問(wèn)題，引起數(shù)據(jù)錯(cuò)幀或丟幀等不良后果[10-11]。新設(shè)備采用5G技術(shù)作為車-地通信主要手段。5G通信具有高速率、低時(shí)延、支持海量連接等顯著特征，并支持500 km/h的終端移動(dòng)要求，其數(shù)據(jù)傳輸效率與4G網(wǎng)絡(luò)的相比取得了飛躍式提升，即便當(dāng)前鐵路線5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全，當(dāng)列車行駛到有5G信號(hào)覆蓋的車站、城市等區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)仍能完成大容量數(shù)據(jù)的極速下載，減少數(shù)據(jù)重傳次數(shù)；且5G模組向下兼容4G/3G網(wǎng)絡(luò)，在5G信號(hào)盲區(qū)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫切換。

既有設(shè)備采用單模組在4G公網(wǎng)和GSM-R專網(wǎng)之間切換，同一時(shí)刻僅能選擇一種網(wǎng)絡(luò)在線，且切換時(shí)間較長(zhǎng)（一般約1～2 min），容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)切換期間丟失。新設(shè)備采用獨(dú)立的“5G/4G+GSM-R/4G”雙模組設(shè)計(jì)，雙模組支持同時(shí)聯(lián)網(wǎng)在線，可由軟件自主選擇網(wǎng)絡(luò)路由通道，如關(guān)鍵報(bào)警數(shù)據(jù)采用GSM-R通道，一般數(shù)據(jù)采用5G/4G通道。在沒(méi)有GSM-R專網(wǎng)覆蓋的鐵路區(qū)間，設(shè)備可根據(jù)插入的UICC（通用集成電路卡）的類型，由4G/GSM-R專網(wǎng)自動(dòng)切換至4G公網(wǎng)下工作，與5G/4G通道共同起到負(fù)載均衡、冗余備份的作用。

3.4 實(shí)現(xiàn)可信的列車定位授時(shí)

設(shè)備實(shí)時(shí)獲取列車位置和時(shí)間信息并作為故障監(jiān)測(cè)、診斷的基準(zhǔn)，同時(shí)還通過(guò)車-地通信網(wǎng)絡(luò)將其實(shí)時(shí)發(fā)送給LMD地面系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)列車位置的遠(yuǎn)程追蹤。新設(shè)備采用電子圍欄技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車分布統(tǒng)計(jì)、防汛點(diǎn)預(yù)警、機(jī)車周期檢測(cè)預(yù)警等功能。

既有設(shè)備采用單BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）模組實(shí)現(xiàn)列車定位授時(shí)，且僅支持北斗二代系統(tǒng)，存在可靠性不足的問(wèn)題。此外，既有設(shè)備采用LKJ測(cè)速測(cè)距定位技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量列車運(yùn)行速度進(jìn)行積分或求和運(yùn)算的方法得到列車運(yùn)行距離，再結(jié)合LKJ預(yù)存的線路數(shù)據(jù)（包括關(guān)鍵設(shè)備位置、軌道線路長(zhǎng)度等）實(shí)時(shí)推算機(jī)車/動(dòng)車組與前方信號(hào)機(jī)的距離，將列車定位在由鐵路地理信息構(gòu)成的一維坐標(biāo)系上。若衛(wèi)星定位輸出的經(jīng)度、緯度和高程值錯(cuò)誤，且無(wú)法利用LKJ測(cè)速測(cè)距定位結(jié)果對(duì)其檢錯(cuò)，則衛(wèi)星授時(shí)信息錯(cuò)誤無(wú)法檢出。

為此，新設(shè)備升級(jí)支持北斗第三代衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星信號(hào)覆蓋面更廣、定位精度更高，可提高設(shè)備在半遮蔽區(qū)域的定位能力。為解決定位授時(shí)偶發(fā)錯(cuò)誤的問(wèn)題，設(shè)備引入了新的位置源和時(shí)鐘源。設(shè)備采用2個(gè)獨(dú)立的BDS模組獲取NMEA0183（衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議）信息，經(jīng)比對(duì)輸出正確信息。兩者軟、硬件設(shè)計(jì)異構(gòu)，支持多頻點(diǎn)信號(hào)接收，可有效規(guī)避欺騙干擾、壓制干擾、衛(wèi)星系統(tǒng)故障或PNT算法問(wèn)題的影響。衛(wèi)星定位無(wú)效時(shí)，首先利用LKJ測(cè)速測(cè)距定位結(jié)果來(lái)確定列車實(shí)時(shí)位置，再通過(guò)5G模組的LBS（基于位置的服務(wù)）功能偵聽運(yùn)營(yíng)商通信基站的信號(hào)延時(shí)和信號(hào)強(qiáng)度，最后根據(jù)三角定位原理，實(shí)現(xiàn)列車的概略定位，以過(guò)濾不合理數(shù)據(jù)。設(shè)備對(duì)于所獲取的BDS授時(shí)信息也采取相同策略，即當(dāng)兩份時(shí)間信息不一致或授時(shí)無(wú)效時(shí)，引入LKJ時(shí)間、NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）時(shí)間進(jìn)行合理性判斷，以保障時(shí)間信息的可信性。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 定位和授時(shí)流程設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of the positioning and timing unit

3.5 擴(kuò)充LKJ數(shù)據(jù)換裝功能

新設(shè)備采用插箱式結(jié)構(gòu)，可將LKJ換裝單元設(shè)計(jì)為1塊插件安裝在LKJ裝置主機(jī)內(nèi)，換裝單元通過(guò)以太網(wǎng)接入交換機(jī)單元，借助設(shè)備的車-地遠(yuǎn)程傳輸通道，與地面LKJ換裝服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，接收換裝數(shù)據(jù)并進(jìn)行本地存儲(chǔ)，發(fā)送換裝過(guò)程狀態(tài)信息。換裝數(shù)據(jù)在車地之間傳輸時(shí)，采取數(shù)據(jù)緩存和錯(cuò)誤重傳策略，提高車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。換裝單元與LKJ2000型列車運(yùn)行監(jiān)控裝置之間采取USB主從通信和RS232通信，在USB數(shù)據(jù)交互前先采用RSA（非對(duì)稱加密）算法進(jìn)行接入鑒權(quán)，以防止非法設(shè)備篡改LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，兩者通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)對(duì)換裝過(guò)程和結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。新設(shè)備將極大地提高LKJ數(shù)據(jù)換裝作業(yè)效率，拓展LMD系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

4 硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)新設(shè)備的框架方案和功能升級(jí)方案開展硬件設(shè)計(jì)，核心設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：主控單元采用高性能、低功耗的ARM處理器；無(wú)線通信單元采用低成本協(xié)處理器專門負(fù)責(zé)通信鏈路管理，采取與主控單元解耦設(shè)計(jì)，提高了無(wú)線通信的健壯性；基于5G通信技術(shù)提高車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸效率，PNT單元利用多模異構(gòu)的GNSS接收器，實(shí)現(xiàn)可信的定位和授時(shí)。

4.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元是設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)目刂坪诵?。新設(shè)備選用MCIMX6DABT10型高性能、低功耗處理器芯片作為主CPU。該CPU基于雙核ARM Cortex-A9內(nèi)核，主頻率可達(dá)1 GHz，外接2 GB DDR3內(nèi)存、64 MB NORFlash、16 GB eMMC及64 Kb EEPROM。NORFlash存儲(chǔ)器可靠性高，不易出現(xiàn)壞塊現(xiàn)象，用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)、底層軟件和應(yīng)用軟件；eMMC存儲(chǔ)器容量大，用于存儲(chǔ)日志記錄文件及其他臨時(shí)文件。這兩者物理獨(dú)立，以避免因數(shù)據(jù)頻繁存儲(chǔ)導(dǎo)致程序誤碼或文件系統(tǒng)被破壞而引起宕機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。主控單元選用的主CPU具備2路CAN控制器、3路UART控制器和1路以太網(wǎng)控制器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；對(duì)外提供2路CAN、1路以太網(wǎng)、1路RS485和1路RS422總線接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。主控單元設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 主控單元設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of the main control unit

4.2 無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)

該功能單元提供GSM-R/4G、WLAN通信路由通道，其硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。所選用的4G模組用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信，可向下兼容3G/2G網(wǎng)絡(luò)，并支持GSM-R專網(wǎng)通信。該模組內(nèi)置1個(gè)低成本協(xié)處理器，可用于管理無(wú)線注冊(cè)聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線鏈路檢測(cè)和維持；并通過(guò)以太網(wǎng)接口與主控單元通信，為主控單元與LMD地面系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)透明的無(wú)線通信管道，建立起TCP/UDP通信。4G模組通過(guò)PCIe總線驅(qū)動(dòng)外置的WLAN模組，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)出現(xiàn)極端工況（如模組宕機(jī)）時(shí)，可由WatchDog電路控制其復(fù)位。為減少天線端口數(shù)量，本方案采用功分器集成電路將4G/GSM-R和WLAN天線合并為1個(gè)端口對(duì)外引出。

圖4 無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design scheme of the wireless communication unit

與既有設(shè)備相比，新設(shè)備采取無(wú)線通信和主控單元分離解耦的設(shè)計(jì)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)通信模組采取的復(fù)位操作不影響其他功能單元；（2）與不同業(yè)務(wù)服務(wù)器建立業(yè)務(wù)應(yīng)用層面（如增加新的數(shù)據(jù)類型、增加新的服務(wù)器鏈接）的變更不會(huì)對(duì)通信模組造成影響；（3）無(wú)線模組升級(jí)換代不會(huì)對(duì)主控軟件造成影響。

為提高新設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力，其5G、4G/GSM-R和WLAN等關(guān)鍵模組器件均采用車規(guī)級(jí)模塊，遵循標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25119《軌道交通_機(jī)車車輛電子裝置》和標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100《汽車零部件可靠性驗(yàn)證》設(shè)計(jì)，可經(jīng)受嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)。此外，新設(shè)備采用工業(yè)級(jí)貼片型eUICC卡片焊接在PCB上，以適應(yīng)對(duì)可靠性要求較高且環(huán)境惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景。為兼顧既有PLUG-IN（2FF）卡的使用，無(wú)線通信單元內(nèi)部采用數(shù)字開關(guān)對(duì)eUICC和PLUG-IN卡進(jìn)行切換選擇。

4.3 5G&PNT單元設(shè)計(jì)

該功能單元提供5G通信路由通道及定位授時(shí)功能，其硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。5G單元采用內(nèi)置協(xié)處理器，用于網(wǎng)絡(luò)路由管理。PNT單元采用1個(gè)高靈敏度BDS模組作為定位授時(shí)基準(zhǔn)。5G模組的協(xié)處理器通過(guò)UART接收其輸出的PNT信息，同步從內(nèi)置的BDS接收芯片輸出的PNT信息作為輔助判斷參考。兩個(gè)器件的天線端口通過(guò)Diplexer（功分器）實(shí)現(xiàn)合路，共用外部天線進(jìn)行BDS信號(hào)接收。天線LNA所需供電電源在功分器側(cè)注入，模組側(cè)采用電容隔直處理，防止電流倒灌。5G單元采用MIMO（多輸入多輸出系統(tǒng)）技術(shù)以提高無(wú)線空口速率；為減少天線端口數(shù)量，采用天線合路技術(shù)，通過(guò)2根天線即可保障5G高速通信。

圖5 5G&PNT單元設(shè)計(jì)方案Fig.5 Design scheme of the 5G&PNT unit

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)備的功能和性能，新研制的LMD車載設(shè)備在廣州鐵路局進(jìn)行裝車驗(yàn)證。測(cè)試采用LMD地面系統(tǒng)作為陪測(cè)設(shè)備，針對(duì)數(shù)據(jù)采集功能、車-地通信功能、定位授時(shí)功能及LKJ數(shù)據(jù)換裝功能進(jìn)行了全面的試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1 數(shù)據(jù)采集功能驗(yàn)證

試驗(yàn)以LKJ2000裝置為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括列車實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、LKJ設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及LKJ版本信息。試驗(yàn)設(shè)備通過(guò)CAN總線獲取信息，并由5G/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至LMD地面系統(tǒng)。數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，結(jié)果用圖、表等方式顯示。通過(guò)分析圖、表中數(shù)據(jù)內(nèi)容確認(rèn)，數(shù)據(jù)采集內(nèi)容完整、正確，滿足應(yīng)用需求，并可向下兼容替代既有設(shè)備。所預(yù)留的千兆網(wǎng)口及擴(kuò)展接口，因本次試驗(yàn)無(wú)合適的試驗(yàn)對(duì)象，暫未進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 車-地通信性能驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備能將采集數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面即表明車-地通信功能正常。通過(guò)測(cè)速軟件對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際傳輸速率進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)選擇既有設(shè)備采用4G網(wǎng)絡(luò)作為參考對(duì)象，對(duì)兩者的速率進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果顯示，下載速率由44 Mb/s提升至336 Mb/s，上傳速率由8.5 Mb/s提升至96 Mb/s?？梢姡卵兄芁MD車載設(shè)備的無(wú)線通信性能比既有設(shè)備的提高7～10倍。

5.3 定位授時(shí)功能驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備綜合采用BDS授時(shí)、LKJ校時(shí)及NTP授時(shí)等手段實(shí)現(xiàn)設(shè)備精確授時(shí)，綜合采用BDS定位、LKJ測(cè)速定位或LBS定位實(shí)現(xiàn)無(wú)縫定位。在車站等衛(wèi)星信號(hào)不良的區(qū)段，試驗(yàn)設(shè)備采用“LKJ測(cè)速定位+LBS定位”方式實(shí)現(xiàn)列車定位，結(jié)合LKJ時(shí)間和NTP時(shí)間實(shí)現(xiàn)精確授時(shí)。試驗(yàn)表明，該設(shè)備有效解決了單衛(wèi)星定位授時(shí)存在局限性的問(wèn)題。

5.4 數(shù)據(jù)換裝功能驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備集成LKJ換裝單元，通過(guò)5G通道從地面無(wú)線換裝系統(tǒng)獲取換裝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)校驗(yàn)后再由USB和RS232接口轉(zhuǎn)發(fā)給LKJ裝置。LKJ裝置的主機(jī)和人機(jī)界面（DMI）實(shí)施自動(dòng)換裝，成功后由DMI進(jìn)行提示。如圖6所示，單臺(tái)車的自動(dòng)換裝約耗時(shí)8 min。既有設(shè)備采用人工換裝作業(yè)，以月平均630臺(tái)·次換裝作業(yè)計(jì)算，約需投入人員45人，耗時(shí)約5 d，按45%人員全時(shí)比計(jì)算，平均每臺(tái)車投入工時(shí)約0.16人·日。采用無(wú)線換裝時(shí)，僅需人員對(duì)每臺(tái)車的數(shù)據(jù)換裝過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行盯控，約投入人員4人，每臺(tái)車耗時(shí)12 min（其中數(shù)據(jù)上傳約2 min、無(wú)線換裝過(guò)程約8 min、結(jié)果復(fù)核約2 min），平均每臺(tái)車投入工時(shí)約0.03人·日，與人工換裝作業(yè)相比，平均每臺(tái)車節(jié)省工時(shí)約81%，大幅提高鐵路運(yùn)輸效率，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖6 無(wú)線換裝功能Fig.6 Wireless changeover function

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合5G通信和定位授時(shí)等技術(shù)，研制了新一代的LMD車載設(shè)備。鐵路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果表明，新研制的LMD車載設(shè)備不僅能滿足既有系統(tǒng)功能需求，而且數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信性能得到大幅提升，拓展了LKJ數(shù)據(jù)無(wú)線換裝功能，并且通過(guò)多種技術(shù)手段提高了鐵路復(fù)雜場(chǎng)景下列車定位授時(shí)的可靠性，增強(qiáng)了車-地?zé)o線通信的穩(wěn)定性和傳輸效率。該設(shè)備還充分考慮了安全性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性需求，能滿足未來(lái)鐵路信息化對(duì)LMD系統(tǒng)的發(fā)展需求。后續(xù)將考慮進(jìn)一步開展試驗(yàn)仿真環(huán)境的研究，如列車高速移動(dòng)場(chǎng)景、導(dǎo)航衛(wèi)星模擬等，以驗(yàn)證設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力，并對(duì)其他數(shù)據(jù)的采集功能進(jìn)行充分驗(yàn)證；同時(shí)需優(yōu)化車載和地面服務(wù)器軟件，將車-地?cái)?shù)據(jù)交互周期由5 s提升至1 s，以提高車載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的密度和顆粒度，增強(qiáng)系統(tǒng)故障診斷能力，提高終端界面數(shù)據(jù)刷新頻率，提升用戶體驗(yàn)。