基于DME/P和MSK技术的无线测距系统及其应用研究

四川九洲电器集团有限责任公司 谢京华

针对我国各型列车之间无实时视距测量手段，且缺乏有效辅助避撞手段的问题；提出一种基于DME/P和MSK技术的无线测距系统；分析其基本原理、系统组成、参数设计、处理流程，并通过在外场铁路线上的试验测试，验证其作用距离和测距精度；结果表明，基于DME/P和MSK技术的无线测距系统可广泛应用于普通、快速、特快、动车、高铁等各型列车之间的视距测量，辅助避免相互之间的碰撞。

随着铁路网的扩展和纵横交错，越来越小的行车间隔以及不断提高的列车速度，使轨道交通的安全性面临巨大的挑战，近年来的多次事故表明了目前我国的列车在运行过程中缺乏完善的、具有连续性和实时性的监测手段，对于前后车辆的监视缺乏更可靠的距离监控措施，因此需要装备独立的辅助系统监测列车之间的位置，给驾驶员提供预警，这就使得列车防相撞设备在铁路市场上有着极大的需求。

本文从实际应用的角度出发，提出了一种基于DME/P和MSK技术的无线测距系统，以期解决我国普通、快速、特快、动车、高铁等各型列车之间无实时视距测量手段，以及解决我国列车缺乏有效辅助避撞手段的问题；对于提高我国列车行车安全能力，降低事故发生概率具有十分重要的现实意义。

1 国内外研究情况

2010年5月，德国航空航天中心研究人员在德国西部的一个轨道列车测试段首次演示了该机构新研制的一种列车防撞系统。这种列车防撞系统使用了卫星定位、雷达测速、立体成像等传感技术和通信技术，可以实现列车之间自动交换位置、速度、行驶方向和载重量等信息。一旦系统判定两辆火车有相撞危险，它会及时提醒司机并帮助他找到合理的解决方案。该系统作为安全补充措施应用于现有的铁路线安全系统之中。

印度将于2013年在整个印度铁路网络中配装一种列车防撞系统。该系统从GPS卫星系统获取信号，用于位置更新，使用数据无线调制解调器进行信息交换，同时分析碰撞的可能性，采取及时刹车的自动应用程序，防止危险的发生，形成列车安全屏障。

国内动车上安装使用的都是CTCS系统，在运行过程中，主要通过轨道电路和应答器来接收列车运行信号。列车本身并不能知道前后车辆的具体情况，不与前后列车直接通信，所有行车状态均由列车调度中心进行信息下发。列车的防撞主要是采用基于区间的方式，通过地面色灯信号机显示前面的区间是否空闲从而决定后面列车是否可以开进区间。地面信号的控制都是通过轨道电路来实现的，通过轨道电路对铁路区间的色灯信号机进行控制，显示不同的颜色。

综上，国内现有的避撞技术暂时无法直接获取前后列车之间的相对距离，因此，在列车行驶过程中，对于前后车辆的运行情况也就无法了解，而完全听从调度中心的命令，依据铁路上的色灯信号运行。因此，一旦由于设备故障而出现调度问题，则存在极大的撞车隐患，将可能造成巨大的人身和财产损失。基于此，本文提出一种新型的无线测距系统，将为列车的行车安全提供辅助的保障措施，进一步保证列车运行安全。

2 背景技术分析

2.1 测距技术

（1）伪随机码扩频测距系统测距

伪随机码扩频测距系统由测距机和应答机两部分组成，进行测距时，测距机发射测距伪码给应答机，应答机对接收的伪码进行捕获与跟踪，完成接收时钟的再生，并以再生的时钟发射应答伪码给测距机，测距机同样对接收的伪码进行捕获与跟踪，通过发射伪码帧与接收伪码帧的时差进行测距。

将扩频技术用于测距，能够有效克服抗干扰性能差、测量距离受限、精度低、信号易被截获的问题。影响扩频技术测距精度的因素主要有：伪随机码码片的宽度，跟踪伪随机码相位的准确度，以及突出测距的时间。伪随机码扩频测距技术更适合于测量条件苛刻的现代电子战战场中的军事通信系统，如无人机系统、卫星系统、地面坦克瞄准系统等。

（2）DME/P测距系统测距

DME/P，精密测距系统，其测距原理和常规二次雷达测距原理一样：机载设备询问，地面信标应答，机载设备接收到应答信号后根据时间差计算出距离数据。

DME/P的精度通常在4～30m以内，其测距的关键技术包括采用cos/cos2形状的脉冲提高测距定时检测精度；采用衰减延时比较法确定脉冲到达的时间，提高测量的精度，消除多路径回波干扰等；采用导脉冲环技术消除由于环境温度变化、器件老化和信号幅度强度变化所造成的测距误差。

2.2 通信调制技术

（1）ASK

ASK（幅移键控），其载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法（OOK）。多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。

（2）BPSK

BPSK（二进制相移检控），把模拟信号转换为数字值的转换方式之一，是利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息监控移向方式的一种，BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为‘0’，另一方为‘1’，从而可以同时接收2值信息，由于最单纯的键控移相方式虽然抗噪音较强，但传输效率差，所以常常使用利用4个相位的QPSK和利用8个相位的8PSK，但要求传送途径的信噪比低，其功率谱旁瓣占有能量大，要求很宽的带宽。

（3）MSK

MSK（最小频移键控），是FSK信号相位始终保持连续变化的一种特殊方式。MSK是一种既能提高频带利用率，又能改善频谱特性的FSK改进型的新型调制方式。

MSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅，同时信号的功率谱在主瓣以外衰减较快，抗衰落性能好。MSK信号的功率主要集中在主瓣以内。因此，MSK对带宽要求较小，对相邻信道的影响较小，可在窄带中传输。MSK大量用于移动无线通信。目前，某外军的战术级地域通信网中的干线微波通信主要采用这种调制方式。

2.3 综合分析

根据铁路在列车运行过程中对安全距离的要求，无线测距系统的测距误差应尽可能满足均方根误差值不大于10m；且作用距离不小于6km，发射功率不大于1w；同时所占频谱应尽可能窄，避免对相邻频道的干扰。

综合对上述背景技术的分析，在测距技术方面，伪随机码扩频测距技术具有精度高（可达5m）、抗干扰、抗噪音、抗多径等特点，但是计算量大，而且采用的是扩频通信，需要较宽的频谱资源，很难申请到；而采用DME/P测距技术进行测距，其测距精度可达到4～30m，占用频谱资源少，满足对所占频谱应尽可能窄的要求，此外，通过采取陡前沿信号以及衰减延迟比较法等技术手段，可大大提高DME/P的测距精度，满足铁路在列车运行过程中对测距精度的要求。

在通信调制技术方面，由于频谱资源有限，因此对已调信号的要求包括：一是包络恒定；二是具有最小功率谱占用率，同时还要求误码性能好。在数字通信中，无论是ASK、FSK、PSK、QPSK还是OQPSK信号，其码元交替处的载波相位是不连续的，会发生突变，这在信号功率谱上会产生很大的旁瓣。当这种信号经过带宽受限的信道后，频谱失真导致信号包络不再恒定，如经过非线性电路后，会发生频谱扩展现象，易产生误码，从而影响通信质量。所以结合实际综合考虑，调制方式选取MSK。

因此，综合上述分析，本文选取基于DME/P和MSK技术实现无线测距系统。

3 无线测距系统总体设计

3.1 基本原理

无线测距系统工作于L波段，采用收发同频设计，且严格控制频谱宽度（不大于600kHz）；系统通过DME/P测距技术实现距离测量，即通过测量发射脉冲和应答脉冲之间的间隔计算出目标到测距仪之间的距离。测距公式为：

其中d为所测距离，c为光速，t为发射脉冲和应答脉冲之间的时间间隔，τ为设备自身信号传输和处理延时。系统采用低发射功率（不大于30dBm）和高灵敏度接收技术（优于-77dBm），避免对其他无线电设备的影响，利于系统未来的推广和应用。同时，系统在编码设计上采用MSK进行编译码设计，可有效实现前后两辆列车之间的参数传递，且不占用过多的频谱资源。

系统设计的询问、应答、广播波形分别如图1、图2、图3所示。其中，P1、P2、P3采用为标准DME/P的cos/cos2波形：脉冲上升沿不超过1.2us；脉冲下降沿不超过2.5us；脉冲宽度3.5us±0.5us。P4、P5为码速率250kHz的MSK调制信号。其中，P4脉冲包含车次、随机延迟等信息；P5脉冲包含车次、车长等信息。各脉冲之间采用不同的时间间隔进行区分与判别。

图1 询问波形示意图

图2 应答波形示意图

图3 广播波形示意图

3.2 系统组成及工作流程

系统组成包括收发主机、天线、显控以及配套电缆。

系统在工作时，首先各收发主机接收显控模块的配置和命令信息。然后根据工作时序，产生询问编码，经发射通道送至天线端口并全向发射出去，同时记录发射时刻；

周围的设备在接收到该询问信号后，经接收通道处理后直接进行AD采样、数字下变频、低通滤波等处理，然后判断所接收信号是否有效，如有效则产生应答编码信号，经发射通道送至天线端全向发射出去；

询问设备在接收到该应答信号后，经接收通道处理后直接进行AD采样、数字下变频、低通滤波等处理，通过衰减延迟比较获取时标信息以确定接收时刻，同时判别接收信号是否有效，如有效则触发相关峰并完成译码，然后将有效结果送至收发主机的DSP进行距离解算和点迹滤波等处理；上述工作完成后，收发主机将结果按规定的数据格式送至显控模块，从而完成系统工作。

4 试验测试

截至2020年底，系统已在青藏线进行了三次系统性的外场试验测试，通过对三次试验采集的数据进行分析与计算评估，并以列车车载的高精度差分GPS数据作为真值数据进行比较，充分验证了无线电测距系统的测量距离和测量精度。即通过采用DME/P和MSK技术可以实现对远距离目标（大于6km）的视距测量，并获得较高的测距精度（均方根误差不大于6m）；且发射功率不大于1w，同时所占频谱约600kHz。各次试验结果如表1所示。

表1 试验结果

结束语：本文在分析国内外列车防撞研究情况的基础上，结合DME/P和MSK技术的特点，描述了一种基于DME/P和MSK技术的无线测距系统，该系统具有作用距离远、测距精度高、频谱占据小、发射功率低的特点，并通过在外场铁路线上的试验测试验证了其正确性和可用性，可为我国的各型列车提供辅助避撞手段，进一步保证列车运行安全。