基于GSM-R的列车无线定位方法探索

胡 威

（广梅汕铁路责任有限公司惠州电务段，广东惠州 516000）

基于GSM-R的列车无线定位方法探索

胡 威

（广梅汕铁路责任有限公司惠州电务段，广东惠州 516000）

首先对当前常用的列车定位方法及其优缺点进行概述，指出列车无线定位是下一步需要发展的方向。然后对铁路移动通信系统（GSM-R）作了介绍。提出一种基于GSM-R的列车无线定位方法，通过修改GSM-R部分协议内容达到目的，并对该方法的结构和具体实现作出说明。鉴于列车定位的重要性，将无线定位方法用于铁路行业还有待于更多的实验和检验。

铁路运输；CTCS-4；列车无线定位；GSM-R

1 列车定位方法概述

列车定位是指获取运营中的列车所在线路上的位置，它是保障铁路运输安全和高效运营的关键。目前，我国铁路系统主要使用的列车定位方式包括轨道电路、应答器定位等，他们使用得最为广泛［1］。这两种定位方式的优势是设备使用稳定，维护经验成熟，但是存在只能给出点式的位置信息。不能满足连续高精度的定位要求以及需要沿路设置大量的轨旁设备、投资和维护费用巨大等缺陷。

随着我国高速铁路的发展，下一代中国列车运行控制系统CTCS-4是采用无线定位、地面取消轨道电路、完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。

近年来，一些利用无线信号对列车定位的方式逐渐提出，有卫星定位如全球定位系统GPS和地面无线设施定位等［2］。卫星定位较高的精确度，能够实现列车的连续定位，但存在性能会受到障碍物干扰、卫星设备自身运行不受铁路运营方控制的弊端。再者我国铁路不少隧道长度甚至超过10 km，属于卫星盲区，不能满足实时监控列车位置保证安全的要求，故无法单独使用卫星定位作为列车定位系统。地面无线设施定位相当于把卫星搬移到地面，减少定位盲区，也具有定位精度较高的优势。目前较为先进的扩频无线电定位方式在地铁基于通信的列车控制CBTC领域中受到广泛应用。国铁与地铁相比，有点多线长的特点，照搬这一套系统并不合适，它需要单独设置多个专用定位基站发送扩频信号，同时还需要相应的专用车载设备，不利于最大化降低成本，同时还要考虑专用扩频信号和现有铁路移动通信系统的接口以及干扰问题。

2 GSM-R介绍

铁路移动通信系统GSM-R是国际铁路联盟和欧洲电信标准协会专为欧洲铁路无线移动通信开发的一种数字制铁路指挥调度通信系统，它是一套成熟的系统，已经在欧洲铁路上应用多年［3］。GSM-R是以移动业务交换中心为平台的移动通信网络和以固定用户接入交换机为平台的有线通信网络的互联互通，是移动通信网络和有线通信网络的结合体，是有线调度通信与无线调度通信的融合，实现站车通信一体化，从而形成现代化的调度通信、公务移动、信息传输、列车控制一体化的通信系统。

它是在GSM的基础上增加相应的铁路专用调度通信功能并对系统进行改进，其中包含增强的多优先级预占和强拆、语音组呼和语音广播，并提供铁路特有的调度业务，包括功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址；并以此作为信息化平台，使铁路部门用户可以在此信息平台上开发各种铁路应用。

GSM-R系统借鉴公网GSM技术，保留了GSM的大体结构，使得从一开始GSM-R系统就是一个成熟可靠的系统。我国铁路通信引入此技术后，已经大规模覆盖新建高速铁路、客运专线。为了满足列车移动通信需要，GSM-R系统对路网做了很好地覆盖，并且它还作为一种已存在的投资，利用该通信系统用作列车的无线定位载体是一个很好的选择。

3 列车无线定位结构

铁路本身的线形决定其无线通信覆盖的基本特点是，范围只限于铁路站场及沿线的狭长地带，因此，GSM-R一般宜采取链状的组网结构和使用方向性天线。故选择定位方式应考虑使用更少的定位参考点（铁路沿线基站）的方式。《高速铁路设计规范》中指出，无线覆盖区设计应实现工程范围内的铁路作业区连续覆盖［4］。

列车无线定位方式上可以利用定位信息的到达时间差（Time Difference Of Arrival，TDOA）。TDOA是指同时接收到两个不同发射机所发射的信号之间的差值。因为传播时间的相减，不需要接收机与发射机之间时间同步，仅需要多个发射机之间时间同步，降低了网络系统复杂度，更易于工程实现。TDOA描述的接收机可能位置，是在到达两个发射机的等时间差值曲线上，根据计算表达式，这个曲线是双曲线的半边。

构造列车无线定位结构，如图1所示，由主、辅定位基站与观测列车组成，由两个定位基站发射特定的定位信息，观测列车根据定位信息的TDOA生成到达时差曲线，与列车行进路线有唯一交点，即为列车待估计位置。

图1 墓干网络的列车定位的系统模型

图1 墓干网络的列车定位的系统模型

4 列车无线定位方法

分析GSM-R现有的网络协议内容，通过一些修改，设计一种具体的列车无线定位实现方法［5］。

移动台（列车）开机后，根据GSM-R系统一般流程进行网络选择和小区选择。移动台锁定在一个小区上后，该小区即为服务小区。选定服务小区的基站为主定位基站。

根据GSM-R规范，不管是处于任何模式下，移动台都会不停地通过广播信道BCCH或者慢速随路控制信道SACCH监听服务小区的系统信息SI和基站识别码BSIC，其中SI类型2和5包含邻区广播信道的载频号。移动台周期性地测量每个邻区广播信道载频信号的场强。

根据测量的邻区信号场强，移动台利用空闲时隙再同步到其中强度最大的小区，进一步对同步信道SCH译码，得到该小区的BSIC。选定该小区的基站为辅定位基站。

当列车运行过程中服务小区发生重选、切换时，或仅当发现邻区广播信道信号场强强度顺序发生变化时，重新选定主、辅定位基站。在没有选定新的定位基站之前，对列车定位仍使用原来的定位基站。

在上述步骤中，对邻站SCH译码时即同步到该站物理TDMA帧中的时隙TS0，移动台记录两个定位基站之间TS0之间的相对时间差（Relative Time Difference，RTD）。

接入突发脉冲序列AB包含41 bit（0100101101 111111100110101010001111000）的同步序列和36 bit的编码数据。其中编码数据是由8 bit的申请服务类型和随机参考码及6 bit的BSIC经卷积组成。

在这里定义一种新的定位请求类型——定位请求，利用GSM-R系统保留的（01111111）编码，不需要另外分配信道。

移动台通过随机接入信道RACH在TS0向主定位基站发送申请服务类型为定位请求的接入突发脉冲。紧接着移动台调到辅定位基站的控制信道（广播信道）载频，延时RTD（即延时到辅定位基站的TS0）发送另一个定位请求。

两个定位基站分别根据本地的同步序列计算出定位请求信号的到达时间（Time Of Arrival，TOA），由两个TOA的差值TDOA和该BSIC的基站位置里程确定一条单边双曲线，即到达时差曲线。再根据列车的联锁进路信息或者列车所处区间的线路号，得到列车行进曲线，最后通过计算实现列车定位。根据列车控制系统对定位频度的要求，在整数个TDMA帧（如100个，约0.5 s）的TS0上周期性地重复以上两个步骤。

5 结论

在铁路高速化的今天，如何缩小列车的追踪间隔成为一个新的研究方向。在CTCS-4中提出的依靠无线对列车定位尚未明确具体的实施方式以及定位载体。本文探索一种在不大量增加设备复杂度的前提下，利用铁路现有通信设施GSM-R对列车进行无线定位的方法，以获取列车的实时位置，对铁路减少投资和高效运营有积极意义。

［1］郑福林.几种列车定位系统性能比较分析［J］.铁道技术监督，2010，38（6）：52-53.

［2］薛玲媛.列车定位系统中通信技术的应用探讨［J］.中国新通，2009（11）：41-44.

［3］吴昊，钟章队.GSM-R业务及在中国铁路的应用［J］.移动通信，2007（8）：18-22.

［4］中华人民共和国铁道部.TB10020 高速铁路设计规范（试行）［S］.2009.

［5］李翠然，谢健骊，胡威，等.LTE-R的无线列车定位方法研究［J］.铁道学报，2015（7）：15-19.

The paper summarizes advantages and disadvantages of existing train positioning methods and puts forward that train wireless positioning will be the developing trend with the introduction of GSM-R system. It explores a train wireless positioning method based on modifi cation of partial GSM-R protocol and explains the structure and implementation of the method. In view of the signifi cance of train positioning， train wireless positioning method should be further tested and verifi ed.

railway transportation； CTCS-4 train control system； train wireless positioning； GSM-R

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.007

（2016-05-10）