采用GSM-R无线通信技术实现了信号安全信息车地双向传输;采用GPS和EOT设备,不设轨道占用检查设备,实现了列车占用检查和完整性检查;采用GPS差分定位技术提高了列车的定位精度,满足了高速行车和虚拟闭塞系统控制的安全需求;取消地面信号机和区间轨道电路,实现了车站联锁和区间自动闭塞;全新的运输组织模式和维护管理方式,实现了免维护、少维修的既定目标.
1.2 国内外发展状况
尽管有关铁路智能运输系统的概念是最近几年才提出的,但发达国家有关铁路智能运输系统的研究已有40余年的历史了,并且在综合运营管理、列车运行自动控制、电子付费、紧急救援、安全监控等发面取得了很多成就。随着科学技术发展,定位技术在交通运输领域的应用越来越广泛,目前可用的卫星定位系统有美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass系统、我国自主研制的“北斗一号”导航系统,另外欧洲的伽利略(Galileo)卫星定位系统。目前针对铁路列车定位,隔火采用的方式有所不用,法国ASTREE系统采用多普勒雷达进行定位;北美ARES、PTC、PTS系统采用GPS进行定位;欧洲ETCS、日本CARAT系统采用查询应答器和里程计进行定位;德国LZBX系统采用轨间电缆进行定位。
我国青藏线无线通信采用GSM-R数字移动通信系统,可为铁路运输生产提供综合数字移动通信平台。GSM-R是目前欧洲铁路广泛使用的数字移动通信系统,中国铁路从2003年开始引进GSM-R系统,并把GSM-R作为今后客运专线和京沪高速铁路无线通信解决方案。青藏线是国内最先使用GSM-R系统的铁路,2004年完成了西宁GSM-R无线交换中心和格尔木至不冻泉试验段GSM-R工程,并于当年通过铁道部试验和测试。2006年青藏线全线GSM-R工程施工和Qos调试完成。
青藏线GSM-R数字移动通信系统在西宁和拉萨设无线交换中心,西宁、格尔木和拉萨设网管中心,西宁设1套GSM-R基站(站型S222)格尔木至拉萨沿线和车站新设GSM-R基站193处(站型O2+O1),构成双交换中心同站址冗余双网覆盖方案。弱场强区采用增加光纤直放站和漏泄电缆以及射频直放站解决。
青藏线GSM-R数字移动通信系统能够实现列车控制系统(ITCS)数据传输、调度通信、区间公务通信(工务、电务、供电、水电、机务、公安等专用通信业务)、调度命令和车次号传输以及其它铁路信息化(旅客列车服务信息、机车工况等铁路信息化等)的应用。青藏线GSM-R数字移动通信系统技术标准和实现的功能达到国际先进技术水平。
2
除了青藏铁路以外,我国的大秦铁路、胶济铁路以及合宁客运专线等也都相继采用了GSM-R系统。
1.3 本论文研究的内容及意义
本论文设计了用GPS的方案对列车进行定位,并结合GSM-R在铁路上的应用,实现基站于列车进行双向通信,并实现联锁列控一体化,全线区间不设传统的轨道电路,做到系统简单、现场设备少,维护工作量小,具有集中监测和智能化特点。
目前,我国铁路正向高速发展。列车的高速行驶对监控系统中列车的定位信息和列车于监控中心的数据通信提出了更高的要求。相信随着GSM-R技术的完善和深入应用,基于GPS技术以及GSM-R通信技术的列车行车顺序控制系统在建立我国智能铁路系统发面会有更加广泛的应用前景。
第二章 关键技术介绍
2.1 GPS定位技术
全球定位系统(Global Position System)GPS是以卫星为基础的授时与测距导航无线
电导航定位系统,能为车辆、轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和时间。全球定位系统就是利用人造卫星来确定一个物体处在地球上的具体位置。根据几何学理论,只要精确地测量该物体到三个人造卫星间的距离,然后分别以这三颗卫星为球心来做三个球面(球的半径为目标到卫星的距离),球面的交点即为该物体的位置。这就是GPS最基本的原理。
GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。空间星座部分。GPS卫星共24颗,由2l颗工作卫星和3颗备用卫星组成,卫星分布在互成60度的6个轨道平面上,轨道倾角为55度,每个轨道面上布设4颗卫星,轨道高度约202000km。卫星运行周期为12小时,GPS每天24小时供世界范围的覆盖。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号,GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。GPS卫星空问星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星可供同时观测,而且卫星信号的传播和接收不受天气影响,因此,GPS是一种全球性、全天候的连续实施定位系统。空间星座部分可以提供星历和时间信息、发射伪距和载波信号并提供其它辅助信息。GPS卫星的地面监控部分是由分布在全球的5个地面站组成,其中包括卫星监测站、主控站和信息注
3
入站三大部分,完成中心控制系统、实现时间同步以及跟踪卫星进行定轨等功能。根据GPS用户的不同要求,所需的接收设备各异,其主要任务是接收并观测卫信号、记录和处理数据、提供导航定位信息等。主要由GPS接收机硬件和数据处软件,以及微处理机和终端设备组成。根据GPS用户的要求不同,GPS接收机也许多不同的类型,一般可分为导航型、测量型和授时型。
利用GPS可以进行海、陆、空、地的导航,导弹制导,大地测量和精密工程测量,时间传递和速度测量等。在测绘领域,GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网,测定地球动态参数;建立陆地及海洋大地测量基准,进行高精度海陆联测及海洋测绘;检测地球板块运动状态和地壳形变;在工程测量方面,已成为建立城市与工程控制网的主要手段;在精密工程的变形检测方面,它也发挥着极其重要的作用;同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置,可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图,推动了地理信息系统及全球环境遥感监测的技术迅速发展。
建国后,我国的航天科技事业逐步建立和发展起来,己跻身世界先进水平的行列,成为空间强国之一。自从1970年4月第一颗人造卫星上天以来,我国已成功地发射了30多颗不同类型的人造卫星,从而为空间大地测量工作的开展奠定了基础。20世纪70年代后期,有关单位在理论研究的同时,引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中包括人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测资料,实现了全国天文大地网的整体平差,从而建立了1980年国家大地坐标系,并成功地进行了南海群岛的联测定位。20世纪80年代初,一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。20多年来,测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面做了大量的工作。80年代中期,我国引进了GPS接收机,并将其用于各个领域,同时研究建立自己的卫星导航系统。经过这些年的发展,我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟,批量化用户群体正在逐步形成,已进入应用行业高速发展的时期。
2.2 我国GPS北斗定位在铁路应用的主要领域
目前,我国铁路在列车行车安全、路沿线灾害及基础设施检测、础设施建设等领域,卫星导航系统应用技术的产品一般都采用GPS。由于GPS系统完全受控于美国,而且一直存在人为干扰,只有打破对GPS的单一依靠才能从战略上解决系统的安全性问题,全面提升基础支撑系统的安全性和可靠性。
4
随着我国既有线列车提速和客运专线建设步伐加快,开展基于北斗卫星导航系统的相关技术研究,研发具有自主知识产权的北斗卫星导航系统应用,为铁路行业提供全面的技术支持和配套解决方案已具备基本条件。
(1)列车监控、调度管理系统。利用高精度卫星导航接收模块,通过实施动态差分法(RTK)精密单点定位(P3)方法,结算得到精确三维坐标和运行速度、方向等,并通过数传电台或移动通信网路发送给控制中心,控制中心利用应用软件得到所需相关数据,并将相应的调度信息发送给列车或调度人员,确保列车安全行驶并提高线路的运输效率。
(2)铁路沿线地质灾害监测。铁路沿线地质灾害监测主要包括灾情监测、灾情分析预报、综合信息服务平台等。
(3)铁路综合应急指挥调度。基于应急指挥终端和服务平台,通过救援人员的指挥终端获取现场位置信息和险情信息,同时根据预案、决策支持等功能,提供指挥调度信息,将指挥调度命令发送到救援人员携带的终端上,同时也可为公众提供灾/险情信息服务。应急指挥终端具体功能包括卫星定位、移动通信、嵌入式GIS、现场多模式数据采集与上报、指挥调度命令接受、路径导航等功能。
(4)铁路关键基础设备监测。在桥梁、隧道、钢轨、路基、输电线等铁路基础设施,以及需要监测地质灾害(滑坡、泥石流、沉降等)的每一个形变监测点上配置一套基于北斗卫星导航系统的多频接收设备,并在远离监测点的合适位置(如稳固的基岩)上建立基准点。根据这些观测点精确的三维坐标,通过建立安全监测模型,结合形变矢量进行数学建模、分析总结,从而分析形变及其趋势,达到基础设备和地质灾害监测的目的。
(5)铁路工程测量。利用北斗卫星导航系统在铁路基础建设期间,提供精确的工程测量(主要是坐标)信息。
(6)重点货物跟踪。利用北斗卫星导航系统实现对重要货物运输物资/车辆的定位跟踪。
(7)人员定位。利用北斗卫星导航系统实现对铁路关键工作及工作人员的定位跟踪。
为使铁路行业有效引入北斗卫星导航系统奠定技术基础,应进行有关的研究和实验,形成必要的技术方案和技术建议,为相关部门决策提供支持依据。并尽快形成其在行车安全、灾害及基础设施监测、基础设施建设等领域应用的技术标准或规范(建议),
5