基于二次雷达的列车辅助防护系统通信方法研究

杨丽丽 王延翠

摘要：目前，城市轨道车辆已逐渐开始二次雷达通信方法进行前、后列车距离检测，并用于列车安全的辅助防护。本文针对二次雷达通信过程中目标识别准确性、信息交互的有序性和稳定性等问题进行技术分析，重点研究了采用天线背瓣抑制技术和车辆身份识别技术解决通信中虚假目标问题，采用频带隔离技术和通信数据时隙分配等技术解决通信干扰和稳定性等问题，最后，综合应用上述关键技术提出了一种可行的雷达辅助防护系统通信方法。

关键词：二次雷达  时隙分配  频带隔离  身份识别  隔离

中文分类号：U270.2           文献标识码：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

軌道车辆的运行安全一般由列车自动防护系统（ATP）进行防护。近年来，在ATP被切除或不可用时，为了保证列车安全，提高列车的运营效率，常采用二次雷达等测距手段提供辅助的安全防护手段。在一些实际应用场景中，多个目标集中出现在可探测范围内，从中快速精准辨别出防护目标并确保彼此间信息交互的稳定性是系统实现可靠辅助防护的关键。

曲越[1]、胡劲文[2]等提出基于多传感器融合技术，采用视觉传感器和激光雷达相结合的方法，识别道路边界，限定前方车辆的检测区域，进行列车运行限界内障碍物的检测。电子科技大学的钱卫中[3]提出了一套RFID电子标签进行列车定位和防撞的方法。

上述方法通过不同技术手段可在一定程度上解决目标识别的问题，但需增加视觉传感器等相应硬件设备。本文从二次雷达技术应用问题出发，针对天线背瓣抑制技术、频带隔离技术、时隙分配技术等方面进行深入研究，提出一种有效的基于二次雷达的列车辅助防护系统通信方法。

1现存问题及技术难点分析

二次雷达工作时由询问雷达发射电磁波，应答雷达接收到询问电磁波后被触发，继而发射应答电磁波，询问雷达根据接收到的应答电磁波，实现识辨，并根据发送和接收信号的时间间隔计算前后间距[4]。下面主要分析在实现目标的有效辨识中需要解决的问题。

目标识别准确性

在列车运行的过程中，不同的列车运行在不同方向上。在前后列车间采用基于二次雷达无线测距方式测量距离方案进行列车测距时，本车的监测范围内可能存在多个目标，而部分目标和本车不在相同的运行方向上，虽然在探测范围内无限接近，但不存在相撞的可能，不是真实的目标，为避免误报故障，需要“目标”队列中剔除。

同时，在本车的询问数据帧搜索有限范围内，当本车与“虚假目标”无限接近的过程中，“虚假目标”的“信号”强度越来越强，可能会影响相同轨道上“真实目标”对于本车发送的跟踪数据帧的接收，造成通信误码率的提高。

数据交互稳定性和有序性

在采用二次雷达进行列车辅助防护的过程中，在雷达的追踪范围内，同一运行方向上也存在多个目标，在同一时刻，在本车的问询数据帧范围内，有多个跟踪数据帧在“抢占资源”，可能会造成无线数据交互处于无序的状态，每个通信周期中节点位置都是随机的，导致数据问询和应答的交互过程中时延，而带来测距误差[5]，杨玉钊[6]等人提出采用基于离散系统模型的卡尔曼滤波算法对数据进行滤波处理，但该方法并不能滤除脉冲时间较长的干扰问题。

另外，由于数据的无序状态，可能导致部分“真实目标”无法进入通信队列，造成通信的失败。还可能导致前车对后车的测距误差增大，甚至数据跳变和中断。问询数据和跟踪数据交互的有序性和稳定性是通信中需要解决的另一个问题。

2关键技术研究

2.1 天线背瓣抑制技术

在采用二次雷达进行测距的应用中，一般在列车的车头、车尾均会安装一套防护系统，假设列车方向为“前向”，那么车头安装问询设备、车头安装应答设备。如前文1.1部分所述，在二次雷达数据交互的过程中，跟踪数据帧存在多种“虚假目标”的情况，其中本车车头的询问机和车尾的应答机天线背瓣互为“虚假目标”。

车头询问机发射信号时，其主要信号通过天线主瓣向前发射，但也有部分能量通过天线背瓣向后发射。车尾应答机天线主瓣信号发射方向与列车运动方向相反，接收来自后面车辆的信号，但其天线背瓣也会接收到本车头询问机天线背瓣发射来询问信号，这些信号都是“虚假目标”。为了避免这种情况，需要在天线设计上合理设置天线背瓣的增益[7]，根据线路的衰减，使到达接收机的信号功率小于信号的接收灵敏度，从而“切断”本车头尾雷达天线通信链路，杜绝彼此间通信干扰。

2.2 车辆身份识别技术

为了区分本车与目标车辆是否相同的运行方向，颜光宇[8]提出采用角度对齐的路径生长法进行轨道限界检测，在二次雷达通信中，本车、目标车通信数据中应包括轨道标识，该轨道标识包括但不限于是车辆的上、下行信息，或者是本车辆所行驶的轨道编号，或是本车的行驶方向标识，如上行还是下行等，或者是运行中列车的运行位置信息[9]。

如图1所示，在二次雷达交互的过程中，车辆1的车头配置问询设备，车辆1可以与车辆2、车辆3及车辆4车尾的应答设备进行通信。因车辆1和车辆处于相同的轨道，具有相同的轨道标识码，车辆1发送的问询数据帧中标识码可以正确地被车辆2接收和解析，并生成正确的应该帧。车辆3及车辆4收到车辆1的问询数据后，发现其中的轨道标识码与其自身存储的并不一致。因此，不予应答。

基于此，可以实现与车辆2的正常通信而不受车辆3及车辆4的干扰。

2.3 频带隔离技术

为了避免二次雷达通信过程中数据交互的无序状态，可以采用按时间节点和顺序进行通信的方法，即频带隔离技术，曹广琦[10]提出在航空TCAS系统中对于特定的目标采用不同的频点（模式）进行问询和应答。频带隔离技术简单描述为，不同股道上的车辆使用不同的频点通信，实现不同股道上车辆在频带上的彻底隔离，从而减少干扰对象数量。

以图2为例，在二次雷达通信的过程中发送数据和接收数据共设置4个频点，车辆1以及车辆2之间可以采用频点1以及频点3进行通信，车辆1利用频点1向车辆2发送信号，并利用频点3接收车辆2的信号;相应地，车辆2与车辆1采用收、发频段相反。车辆3与车辆4的通信过程类似。

同样，当处于另一条轨道的两列车车辆3和车辆4采用二次雷达进行通信时，可以采用与上行车辆完全不同的频点。下行轨道上发送及应答的数据不能被上行轨道上的车辆1和车辆2所识别，同样，上行轨道的数据也不能被下行轨道所识别。从而可以避免不同轨道上数据交互影响通信质量。

2.4 通信数据时隙分配技术

时隙分配技术，即将固定的通信监测周期划分为多个时隙，每个时隙针对一个目标对象进行数据交互，从而确保多个目标的通信有序性和稳定性。对于多个的应答目标，本车可以在每个通信周期中的不同时隙发送对于不同车辆的问询数据帧，在同一时刻本车仅能接收到一个目标车辆的应答数据。如此，本车在与每个特定目标进行通信时，可以不受其他车辆的应答信号的干扰，保证與每个车辆的稳定通信。

3雷达辅助防护系统通信方法应用

3.1 天线设计方法

在工程化应用中，天线的结构设计非常关键，可通过接收天线的外形结构设计，保证询问机和应答机上的天线背瓣衰减值（绝对值大小）大于预设值，保证车尾的应答机无法接收到自车车头的询问机发送的信号。

在工程化设计中，利用金属物体对二次雷达信号的屏蔽作用，可以在二次雷达询问机和/或应答机上的平面天线阵列后面增加金属屏蔽板，理论上说，该金属屏蔽板的长度需要超出平面天线阵列的长度约1.5倍波长，也就是说，金属屏蔽板需要包围天线阵列，让天线阵列的主瓣辐射效果达到最优，隔离背瓣信号，以减少天线辐射信号的绕射。

3.2 列车雷达通信交互过程

在实际工程化应用中，可结合前文所述关键技术设计进行列车通信组网，大致流程如下：

（1）利用车辆身份识别的方法，识别车辆是否在同一轨道上;

（2）采用频带隔离技术去除非同轨目标车辆通信干扰;

（3）采用时隙分配技术保持同轨多目标车辆之间的稳定通信。

假设车辆1、车辆2及车辆3位于同一轨道。

首先，车辆1采用频点1在第一时隙向车辆2发送问询数据1，采用频点3接收车辆2的应答数据，第一时隙的问询数据包括车辆2的轨道标识;车辆1继续采用频点1在第二时隙发送问询数据2，采用频点3接收车辆3的应答数据，问询数据2包含车辆3的轨道标识。

在数据交互的过程中，车辆1是在不同的时隙分别与车辆2及车辆3进行通信，在同一个时隙里，仅会有一个目标进行应答，即车辆1在第一时隙发送的问询数据帧，仅收到车辆2反馈应答，此时，车辆3由于未收到问询，也不会应答。同样，车辆1与车辆3通信时，也不会收到车辆2的应答。如此，提高了问询数据和跟踪数据交互的有序性和稳定性，进而可以提高车辆行驶时的安全性。

4结语

采用二次雷达测距技术进行列车辅助防撞的应用中，针对在通信的小范围区域内可能存在车车之间的发射信号相互干扰，使设备无法通信，最终造成防护手段失效的问题，本文提供了基于频带隔离、时隙分配的通信方法及具体设计建议，后续将根据以上方法进行工程化应用，并在实际测试中不断进行完善。

参考文献

[1]曲越.城轨列车非接触式障碍物检测系统的研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[2]JW Hu，BY Zheng，C Wang，et al.Asurvey onmulti-sensor fusion based obstacle detection for intelligent ground vehicles in off-road environments[J].Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering，2020，21（5）：675-692.

[3]钱卫中.基于RFID的列车自动记点（防撞）系统技术与开发[D].成都：电子科技大学，2014.

[4]宋丹，刘登.基于二次雷达技术的地铁防撞预警系统研究[J].铁路通信信号工程技术，2019，16（4）：53-57.

[5]卢从慧，李玉书，吴乐南.二次雷达异步干扰抑制[J].电波科学学报，2014，29（6）：1081-1087.

[6]杨玉钊，郑良广.卡尔曼滤波在列车防撞预警系统中的应用[J].电子设计工程，2020，28（18）：56-59.

[7]李大伟.受限空间电波覆盖特性的研究[D].北京：北京交通大学，2016.

[8]颜光宇.轨道交通障碍物检测方法研究[D].成都：电子科技大学，2019.

[9]李四辉，蔡伯根，刘江，等.基于时序分析的列车接近预警方法[J].铁道学报，2015（10）：60-67.

[10]曹广琦.某型号TCAS测试设备软件设计[D].成都：电子科技大学，2020.

作者简介：杨丽丽（1983—），女，硕士，高级工程师，主要从事动车组网络控制系统集成设计及智能化技术应用研究。

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