基于北斗卫星导航和5G通信的LMD车载设备

刘建林，肖立志，汤紫霖

（1.中国铁路广州局集团有限公司 长沙电务段，湖南 长沙 410000；2.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005）

0 引言

LKJ设备运行监测管理系统（LKJ monitoring and management device，LMD）采用4G-LTE移动公网作为车-地无线数据传输通道，基于北斗卫星导航和LKJ测速定位技术实现列车定位，以LKJ设备监测信息、列车运行状态信息为处理对象，提供LKJ设备状态监测和健康管理、列车运行状态监测、LKJ作业周期检测预警等功能。LMD系统可在保障LKJ设备运行质量的前提下，合理延长LKJ检测作业周期，实现减员增效[1-3]。LMD系统由车载设备、地面系统和通信传输网络组成，其中车载设备承担车载信息采集、数据处理、车-地无线数据传输及列车定位授时等功能。随着LMD系统在铁路运输中应用范围的增加，既有设备逐渐不能满足应用需求，主要表现在定位授时的可靠性不足、车-地数据传输速率和健壮性有待提升、系统功能可扩展性不强。目前，国内5G基建的发展和北斗三代卫星导航系统的建成，为LMD车载设备在车-地通信和定位授时方面的技术改进升级带来了可能。本文结合LMD车载设备的功能提升需求，采用5G通信和北斗定位授时等技术，研制了新一代的LMD车载设备，全面提升车-地数据传输效率，实现列车可信定位授时，并采用合理的设计架构，提高设备功能的可扩展性和健壮性。

1 新一代LMD车载设备的功能提升需求

新一代LMD车载设备需要消除定位授时单元存在的时间和位置输出错误的隐患，为系统提供可靠精准的位置和时间基准；实现复杂场景下的车-地间稳定、高效的数据通信，优化系统架构，提升产品可扩展性，同时增加系统LKJ数据无线换装单元。

1.1 提升定位授时的可靠性

卫星定位授时相对于点式应答器、计轴等其他列车定位技术具有不可取代的便利性。卫星终端设备不依赖于地面设施，仅需从导航卫星接收导航电文，通过内部PNT（导航、定位和授时）算法即可获得高精度的时间信息及精度在10 m内的定位信息。但卫星定位授时在可靠性方面存在安全隐患，表现在：（1）欺骗式的电磁干扰可能导致终端输出错误的时间和位置；（2）压制式电磁波信号干扰导致终端与卫星失锁，定位授时失效[4]；（3）在遮蔽或半遮蔽等弱信号环境下，终端接收的导航电文可能产生误码，导致定位或授时错误；（4）终端定位算法或软件漏洞引起的定位授时错误。此外，设备偶发性地输出错误的时间和位置信息，将影响机车/动车组和设备远程实时监测，导致运行记录数据缺乏正确的时间和位置基准，造成用户无法通过运行数据及时地发现安全隐患并准确定位故障。新一代LMD车载设备首先需要解决单一卫星定位授时存在的可靠性问题。

1.2 提升车-地通信的健壮性

列车运行环境复杂且运营时间较长，需要连续不断地工作，这就要求LMD车载设备有较强的环境适应性。此外，铁路沿线电磁环境复杂，列车与铁路沿线基站之间的电磁波传播受限，且列车始终处于高速移动状态，越区切换、多普勒频移、信号遮蔽等因素将导致通信网络处于频繁断线重联过程，影响通信的实时性，严重时甚至导致系统宕机。因此，需要通过技术升级提高车-地通信的健壮性。

1.3 集成LKJ无线换装功能

车载基础数据文件是LKJ（列车运行监控装置）控制功能实现的基础。随着铁路运输基础设备升级、设施技术数据变化、行车组织变化或者线路施工，LKJ车载数据也需进行相应的更新。目前LKJ数据采用移动存储介质（如IC卡、数据转存器）进行人工更换。这种换装方式不仅效率低、需投入大量人力物力，而且有些换装机车难以跟踪、换装地点难以到达。此外，人工换装还存在错换、漏换或提前换的风险[5-9]。通过对LMD车载设备进行升级设计，集成LKJ换装单元，借助LMD车-地无线传输通道，为LKJ车载数据换装的功能实现提供支撑。

2 新一代LMD车载设备系统框架

新一代LMD车载设备由装置主机、5G天线和组合天线组成，系统框架如图1所示。装置主机采用3U/50R机箱式结构，与既有装置的盒体式结构相比，更利于功能扩展和产品维护。装置的主要功能单元包括：（1）电源单元，用于实现输入电源隔离、防护及转换，提供内部工作电源；（2）主控单元，负责数据采集和处理，提供多种通信接口，按不同协议对LKJ2000、LKJ-15、TAX（机车安全信息综合监测装置）、CIR（机车综合无线通信设备）等设备进行信息采集并加工处理，实现车载无线通信控制和安全防护，负责与地面多业务服务器建立通信，进行无线数据收发；（3）无线通信单元，提供基于GSM-R/4G、WLAN的车-地无线传输服务，为主控单元提供无线网络路由；（4）5G&PNT单元，提供基于5G/4G/3G移动公网的车-地无线通道，为主控单元提供无线网络路由，具备BDS（北斗卫星导航）及其他定位和授时功能；（5）交换机单元，可实现各单元之间的通信，以及与外部设备，如LDP（机车车载综合信息监测装置）的通信；（6）LKJ换装单元，与无线换装服务器进行交互，获取目标换装数据，转发给LKJ装置。

图1 LMD车载设备系统框架图Fig.1 System frame of the LMD on-board equipment

3 新一代LMD车载设备功能升级项点

新一代LMD车载设备提高了数据采集、处理和存储能力，提升了车-地无线数据传输性能，实现了列车的可信定位授时，具有良好的可扩展性，如表1所示。

表1 LMD车载设备优化项点对比表Tab.1 Comparison of the optimization items for the LMD on-board equipment

3.1 提升数据采集能力

新一代设备兼容既有设备通信接口，对外提供2路CAN总线与LKJ2000装置通信（或1路以太网与LKJ-15通信），以获取列车运行状态信息、LKJ设备状态信息及记录文件；1路RS485总线与TAX通信，以获取TAX设备状态信息；预留1路RS422总线与CIR通信，以获取CIR运行状态信息。交换机单元对外提供3路以太网接口，其中1路与LDP装置通信、2路预留。设备按照既有专用协议实现相关车载实时信息或记录文件的汇集。

与既有设备相比，新设备的以太网接口最高通信速率由100 Mb/s提升至1 Gb/s，并预留4个空插槽和以太网内部总线接口，至少可扩展出12路对外接口，大幅提升了数据的采集能力。

3.2 提高数据处理与存储性能

LMD车载设备对所采集的数据进行分类、选择和预处理，根据可定制的逻辑判断生成监测预警或报警信息，并按照约定协议形成向LMD地面系统发送的报文。当车-地无线网络发生中断时，对报警信息或重要监测信息进行本地缓存；通信恢复后，重新发送。设备运行状态信息以日志文件形式存储于本地。

与既有设备相比，新设备增加防火墙功能，其主控单元采用VPN（虚拟专用网）、国密加密等策略对车-地网络边界的通信安全进行防护，并对传输进行加密处理。为提高新设备的数据处理和存储性能、保障防火墙功能正常运行，主控单元CPU主频由原有的单核400 MHz提升至双核1 GHz，内存由32 MB提升至2 GB，程序存储由32MB提升至64 MB，数据存储由8 GB提升至64GB。

3.3 提高车-地无线数据传输性能

LMD车载设备通过5G/4G、GSM-R技术实现在途机车/动车组与LMD地面系统之间的远程实时交互；在铁路站/段部署有WLAN网络的区域，通过WLAN实现大容量数据传输。

既有设备主要采用的4G网络不能满足列车高速移动场景应用需求，存在越区切换不稳定、空口时延长、多普勒频移等现象，容易导致网络断线频繁、数据重传等问题，引起数据错帧或丢帧等不良后果[10-11]。新设备采用5G技术作为车-地通信主要手段。5G通信具有高速率、低时延、支持海量连接等显著特征，并支持500 km/h的终端移动要求，其数据传输效率与4G网络的相比取得了飞跃式提升，即便当前铁路线5G网络覆盖不全，当列车行驶到有5G信号覆盖的车站、城市等区域时，系统仍能完成大容量数据的极速下载，减少数据重传次数；且5G模组向下兼容4G/3G网络，在5G信号盲区可实现网络无缝切换。

既有设备采用单模组在4G公网和GSM-R专网之间切换，同一时刻仅能选择一种网络在线，且切换时间较长（一般约1～2 min），容易导致数据在网络切换期间丢失。新设备采用独立的“5G/4G+GSM-R/4G”双模组设计，双模组支持同时联网在线，可由软件自主选择网络路由通道，如关键报警数据采用GSM-R通道，一般数据采用5G/4G通道。在没有GSM-R专网覆盖的铁路区间，设备可根据插入的UICC（通用集成电路卡）的类型，由4G/GSM-R专网自动切换至4G公网下工作，与5G/4G通道共同起到负载均衡、冗余备份的作用。

3.4 实现可信的列车定位授时

设备实时获取列车位置和时间信息并作为故障监测、诊断的基准，同时还通过车-地通信网络将其实时发送给LMD地面系统，用于实现列车位置的远程追踪。新设备采用电子围栏技术实现列车分布统计、防汛点预警、机车周期检测预警等功能。

既有设备采用单BDS（北斗卫星导航系统）模组实现列车定位授时，且仅支持北斗二代系统，存在可靠性不足的问题。此外，既有设备采用LKJ测速测距定位技术，通过实时测量列车运行速度进行积分或求和运算的方法得到列车运行距离，再结合LKJ预存的线路数据（包括关键设备位置、轨道线路长度等）实时推算机车/动车组与前方信号机的距离，将列车定位在由铁路地理信息构成的一维坐标系上。若卫星定位输出的经度、纬度和高程值错误，且无法利用LKJ测速测距定位结果对其检错，则卫星授时信息错误无法检出。

为此，新设备升级支持北斗第三代卫星系统，卫星信号覆盖面更广、定位精度更高，可提高设备在半遮蔽区域的定位能力。为解决定位授时偶发错误的问题，设备引入了新的位置源和时钟源。设备采用2个独立的BDS模组获取NMEA0183（卫星导航设备统一标准协议）信息，经比对输出正确信息。两者软、硬件设计异构，支持多频点信号接收，可有效规避欺骗干扰、压制干扰、卫星系统故障或PNT算法问题的影响。卫星定位无效时，首先利用LKJ测速测距定位结果来确定列车实时位置，再通过5G模组的LBS（基于位置的服务）功能侦听运营商通信基站的信号延时和信号强度，最后根据三角定位原理，实现列车的概略定位，以过滤不合理数据。设备对于所获取的BDS授时信息也采取相同策略，即当两份时间信息不一致或授时无效时，引入LKJ时间、NTP（网络时间协议）时间进行合理性判断，以保障时间信息的可信性。具体实现流程如图2所示。

图2 定位和授时流程设计方案Fig.2 Design scheme of the positioning and timing unit

3.5 扩充LKJ数据换装功能

新设备采用插箱式结构，可将LKJ换装单元设计为1块插件安装在LKJ装置主机内，换装单元通过以太网接入交换机单元，借助设备的车-地远程传输通道，与地面LKJ换装服务器实现数据交互，接收换装数据并进行本地存储，发送换装过程状态信息。换装数据在车地之间传输时，采取数据缓存和错误重传策略，提高车-地数据传输的可靠性。换装单元与LKJ2000型列车运行监控装置之间采取USB主从通信和RS232通信，在USB数据交互前先采用RSA（非对称加密）算法进行接入鉴权，以防止非法设备篡改LKJ基础数据，两者通过RS232实现对换装过程和结果的实时监测。新设备将极大地提高LKJ数据换装作业效率，拓展LMD系统应用范围。

4 硬件设计方案

根据新设备的框架方案和功能升级方案开展硬件设计，核心设计要点包括：主控单元采用高性能、低功耗的ARM处理器；无线通信单元采用低成本协处理器专门负责通信链路管理，采取与主控单元解耦设计，提高了无线通信的健壮性；基于5G通信技术提高车-地数据传输效率，PNT单元利用多模异构的GNSS接收器，实现可信的定位和授时。

4.1 主控单元设计

主控单元是设备进行数据采集、处理、存储和传输的控制核心。新设备选用MCIMX6DABT10型高性能、低功耗处理器芯片作为主CPU。该CPU基于双核ARM Cortex-A9内核，主频率可达1 GHz，外接2 GB DDR3内存、64 MB NORFlash、16 GB eMMC及64 Kb EEPROM。NORFlash存储器可靠性高，不易出现坏块现象，用于存储文件系统、底层软件和应用软件；eMMC存储器容量大，用于存储日志记录文件及其他临时文件。这两者物理独立，以避免因数据频繁存储导致程序误码或文件系统被破坏而引起宕机现象的发生。主控单元选用的主CPU具备2路CAN控制器、3路UART控制器和1路以太网控制器，通过驱动接口芯片进行电平转换；对外提供2路CAN、1路以太网、1路RS485和1路RS422总线接口，以实现数据采集功能。主控单元设计方案如图3所示。

图3 主控单元设计方案Fig.3 Design scheme of the main control unit

4.2 无线通信单元设计

该功能单元提供GSM-R/4G、WLAN通信路由通道，其硬件设计如图4所示。所选用的4G模组用于实现网络拨号联网和数据通信，可向下兼容3G/2G网络，并支持GSM-R专网通信。该模组内置1个低成本协处理器，可用于管理无线注册联网、无线链路检测和维持；并通过以太网接口与主控单元通信，为主控单元与LMD地面系统构建一个透明的无线通信管道，建立起TCP/UDP通信。4G模组通过PCIe总线驱动外置的WLAN模组，实现大容量数据传输。当出现极端工况（如模组宕机）时，可由WatchDog电路控制其复位。为减少天线端口数量，本方案采用功分器集成电路将4G/GSM-R和WLAN天线合并为1个端口对外引出。

图4 无线通信单元设计方案Fig.4 Design scheme of the wireless communication unit

与既有设备相比，新设备采取无线通信和主控单元分离解耦的设计，具有如下优点：（1）对通信模组采取的复位操作不影响其他功能单元；（2）与不同业务服务器建立业务应用层面（如增加新的数据类型、增加新的服务器链接）的变更不会对通信模组造成影响；（3）无线模组升级换代不会对主控软件造成影响。

为提高新设备的环境适应能力，其5G、4G/GSM-R和WLAN等关键模组器件均采用车规级模块，遵循标准GB/T 25119《轨道交通_机车车辆电子装置》和标准AEC-Q100《汽车零部件可靠性验证》设计，可经受严苛环境的考验。此外，新设备采用工业级贴片型eUICC卡片焊接在PCB上，以适应对可靠性要求较高且环境恶劣的应用场景。为兼顾既有PLUG-IN（2FF）卡的使用，无线通信单元内部采用数字开关对eUICC和PLUG-IN卡进行切换选择。

4.3 5G&PNT单元设计

该功能单元提供5G通信路由通道及定位授时功能，其硬件设计如图5所示。5G单元采用内置协处理器，用于网络路由管理。PNT单元采用1个高灵敏度BDS模组作为定位授时基准。5G模组的协处理器通过UART接收其输出的PNT信息，同步从内置的BDS接收芯片输出的PNT信息作为辅助判断参考。两个器件的天线端口通过Diplexer（功分器）实现合路，共用外部天线进行BDS信号接收。天线LNA所需供电电源在功分器侧注入，模组侧采用电容隔直处理，防止电流倒灌。5G单元采用MIMO（多输入多输出系统）技术以提高无线空口速率；为减少天线端口数量，采用天线合路技术，通过2根天线即可保障5G高速通信。

图5 5G&PNT单元设计方案Fig.5 Design scheme of the 5G&PNT unit

5 试验验证

为验证设备的功能和性能，新研制的LMD车载设备在广州铁路局进行装车验证。测试采用LMD地面系统作为陪测设备，针对数据采集功能、车-地通信功能、定位授时功能及LKJ数据换装功能进行了全面的试验验证。

5.1 数据采集功能验证

试验以LKJ2000装置为数据采集对象，数据内容主要包括列车实时状态信息、LKJ设备运行状态信息及LKJ版本信息。试验设备通过CAN总线获取信息，并由5G/4G网络实时发送至LMD地面系统。数据经分析处理后，结果用图、表等方式显示。通过分析图、表中数据内容确认，数据采集内容完整、正确，满足应用需求，并可向下兼容替代既有设备。所预留的千兆网口及扩展接口，因本次试验无合适的试验对象，暂未进行验证。

5.2 车-地通信性能验证

试验设备能将采集数据通过5G网络发送到地面即表明车-地通信功能正常。通过测速软件对试验设备的实际传输速率进行测试，同时选择既有设备采用4G网络作为参考对象，对两者的速率进行对比。试验结果显示，下载速率由44 Mb/s提升至336 Mb/s，上传速率由8.5 Mb/s提升至96 Mb/s。可见，新研制LMD车载设备的无线通信性能比既有设备的提高7～10倍。

5.3 定位授时功能验证

试验设备综合采用BDS授时、LKJ校时及NTP授时等手段实现设备精确授时，综合采用BDS定位、LKJ测速定位或LBS定位实现无缝定位。在车站等卫星信号不良的区段，试验设备采用“LKJ测速定位+LBS定位”方式实现列车定位，结合LKJ时间和NTP时间实现精确授时。试验表明，该设备有效解决了单卫星定位授时存在局限性的问题。

5.4 数据换装功能验证

试验设备集成LKJ换装单元，通过5G通道从地面无线换装系统获取换装数据，数据经校验后再由USB和RS232接口转发给LKJ装置。LKJ装置的主机和人机界面（DMI）实施自动换装，成功后由DMI进行提示。如图6所示，单台车的自动换装约耗时8 min。既有设备采用人工换装作业，以月平均630台·次换装作业计算，约需投入人员45人，耗时约5 d，按45%人员全时比计算，平均每台车投入工时约0.16人·日。采用无线换装时，仅需人员对每台车的数据换装过程和结果进行盯控，约投入人员4人，每台车耗时12 min（其中数据上传约2 min、无线换装过程约8 min、结果复核约2 min），平均每台车投入工时约0.03人·日，与人工换装作业相比，平均每台车节省工时约81%，大幅提高铁路运输效率，降低人员劳动强度。

图6 无线换装功能Fig.6 Wireless changeover function

6 结语

本文结合5G通信和定位授时等技术，研制了新一代的LMD车载设备。铁路运营场景下的测试结果表明，新研制的LMD车载设备不仅能满足既有系统功能需求，而且数据处理和无线通信性能得到大幅提升，拓展了LKJ数据无线换装功能，并且通过多种技术手段提高了铁路复杂场景下列车定位授时的可靠性，增强了车-地无线通信的稳定性和传输效率。该设备还充分考虑了安全性、可扩展性和可维护性需求，能满足未来铁路信息化对LMD系统的发展需求。后续将考虑进一步开展试验仿真环境的研究，如列车高速移动场景、导航卫星模拟等，以验证设备在复杂环境下的适应能力，并对其他数据的采集功能进行充分验证；同时需优化车载和地面服务器软件，将车-地数据交互周期由5 s提升至1 s，以提高车载监测数据的密度和颗粒度，增强系统故障诊断能力，提高终端界面数据刷新频率，提升用户体验。