关于应答器接收天线的安装位置探讨

2021-03-09徐效宁褚伊郎君朱建设

铁路通信信号工程技术 2021年2期

徐效宁，褚伊郎君，刘磊，朱建设

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁路上海局集团有限公司电务部，上海 200071）

1 概述

应答器接收天线是列控车载的外围设备，它通过向地面应答器发送射频能量，接收应答器的上行链路信号并发送给应答器信息接收单元。车载设备技术条件规定，应答器接收天线应安装在动车组车体底部的横向中心线上，但对于纵向安装位置没有明确要求。目前，我国动车组第一轮对的前方安装轨道电路接收天线，应答器接收天线安装在第一轮对后方。而根据不同型号动车组的安装条件，应答器接收天线的实际安装位置大多不同，车载设备在参数中进行配置，以便主机软件进行换算处理。

但是，地面应答器布置时会考虑应答器接收天线相对于列车前端的距离，所以安装位置也不能仅根据车辆条件随意确定。例如，地面应答器发送调车危险、目视危险或绝对停车包要求车载设备立即制动，如果天线安装位置过于靠后，当车载设备收到应答器报文时，列车前端越过距离过长，可能达不到预期的防护效果。

另外，随着LKJ-15 型列车运行监控装置、新一代轨道车运行控制设备GYK 使用应答器数据进行控车以及未来CTCS-1/4 级列控系统的功能需求，机车也会安装应答器接收天线。通常一台机车只装备一套LKJ/GYK 主机，两端各配置一个显示器，即一套设备用于机车双向运行。这与动车组有一定区别，因此也有必要分析天线在机车的安装位置。

本文研究了ETCS 的相关规范，并结合CTCS地面应答器的布置原则，对应答器接收天线在动车组和机车的安装位置进行研究。

2 ETCS规范分析

2.1 应答器接收天线位置

ETCS 规范子集SUBSET-040 对应答器接收天线的安装位置进行了规定。如图1 所示，在满足电磁环境的前提下，应答器接收天线中心点的位置距离列车前端不应小于2 m，距离第一轴不应大于12.5 m。

图1 ETCS应答器接收天线允许安装位置Fig.1 Allowed installation position for balise antenna in ETCS

距离第一轴不应大于12.5 m 的规定，主要考虑机车双方向运行，并为不同车型预留了足够的安装空间。而距离列车前端不应小于2 m 的规定则是考虑车辆编组的场景。如图2 所示，当应答器接收天线的中心位置距列车前端不小于2 m 时，根据应答器的串扰防护指标，可以保证天线A1 不会收到天线A2 激励的应答器B2 信号，同时也避免天线A2 激励到应答器B1 造成信号干扰。

图2 到列车前端最小距离的设置目的Fig.2 Aim of setting the minimum distance to train front

2.2 地面应答器工程原则

根据上述分析，ETCS 应答器接收天线的安装位置是基于车辆的安装条件和应答器的接收特性确定。ETCS 地面工程设计就要考虑天线安装位置可能造成的影响，SUBSET-040 有3 条相关规则。

1）在ETCS-1 级系统中，对于设置在运营停车点后方的有源应答器，其位置距离运营停车点不应大于0.7 m。

如图3 所示，这条规则是保证运营停车点的列车不应收到停车点至EOA 范围内的应答器报文。SUBSET-036 规定，应答器旁瓣区是1.3 m，当天线距离应答器中心点超过1.3 m 时，不应收到该应答器的信号。0.7 m 是应答器接收天线距列车前端的最小2 m 减去旁瓣区1.3 m 得到。

图3 停车点距组内第一个应答器位置Fig.3 Stopping point relative the 1st balise of group

2）当应答器组最后一个应答器提供行车许可、立即等级转换命令或目视危险信息包时，该应答器与EOA/LOA 之间的最小距离为1.3 m 加上Tn时间内列车按线路最大允许速度的走行距离。Tn根据SUBSET-036 4.2.9 条确定，所有车载设备从天线越过应答器中心点1.3 m 到ERTMS/ETCS 主机收到该报文的时间都不应大于该值。

对于ETCS-2/3 级的等级转换命令，应答器接收天线与列车前端的距离也应当考虑在内，即12.5 m 加上所有类型列车前端至第一轴的最大值。

这条规则是保证，车载设备在在列车越过EOA/LOA 或转换边界前，收到MA 延长、等级转换命令或目视危险信息包。

3）在ETCS-1 级系统中，如果列车从一个区段进入下一区段的过程会影响有源应答器的报文，那么有源应答器应设置在下一区段占用检查装置检测开始点的后方至少13.8 m 处。

如图4 所示，这条规则目的是，当地面检测到列车进入N+1 区段，有源应答器B1 发送新的报文时，应答器接收天线不应收到该应答器的信号。13.8 m 是根据应答器旁瓣区1.3 m 和应答器接收天线距第一轴最大12.5 m 的安装位置确定。

图4 列车跨区段的过程Fig.4 Transition from one block to the following one

3 应答器接收天线安装位置

3.1 应答器接收天线位置

《应答器传输系统技术条件》（TB/T 3485-2017）4.2.5 节定义了CTCS 应答器传输系统的串扰防护功能，在综合考虑应答器输入/输出特定、应答器磁场一致性、车载设备磁场辐射的最不利情况下，如表1 所示的范围内不应出现串扰。

通过与ETCS 规范子集SUBSET-036 对比，CTCS 与ETCS 的串扰区定义具体指标是相同的。应答器传输系统的串扰防护功能,决定了应答器接收天线距离列车前端的最小距离。所以，考虑到CTCS 与其他列控系统的互联互通，建议CTCS 关于应答器接收天线的安装位置与ETCS 保持一致，即：应答器接收天线中心点距离列车前端不应小于2 m，距离第一轴不应大于12.5 m。

因为机车需要双向运行，在遵循上述原则的前提下，建议应答器接收天线尽量安装在机车底部的中间位置。

而动车组每一端都安装了车载设备，车载设备不需要考虑双向运行，因此，在应答器接收天线中心点距离列车前端不应小于2 m 的前提下，建议天线尽量靠近列车前端安装。这样，车载设备可以提前收到应答器，提高特殊场景下的防护能力，具体原因在下一节分析。

表1 串扰区的定义Tab.1 Def inition of cross-talk protected zone

3.2 地面应答器应用原则

根据《列控系统应答器应用原则》（TB/T 3484-2017），部分类型的应答器组和信号机的距离如表2所示。

表2 应答器组与信号机的距离Tab.2 Distance between balise group and signals

当车载设备处于完全监控或闭口控制的引导等模式时，应答器接收天线的安装位置没有影响。但在目视、调车或只有固定模式曲线的引导模式时，因为车载设备没有目标距离模式曲线，所以应答器的接收时机会对控车有一定影响。

以表2 中到发线为例，出站应答器组距信号机按最小20 m 考虑。假设应答器接收天线位置距第一轴12.5 m，第一轴距列车前端4.9 m，当车载设备收到出站应答器组时，列车前端距出站信号机仅余2.6 m（不考虑传输延时）。按照目视模式的允许速度，列车有可能冒进出站信号机。如果应答器接收天线靠近列车前端安装，那么车载设备就可以提前收到出站应答器，及早做出反应。

需要指出的是，上述场景各种条件均按最不利情况理论假设。实际上，目前动车组上应答器接收天线的安装位置距列车前端远小于12.5 m，出站信号机和警冲标之间设有安全距离，保证列车冒进信号机时的行车安全。并且，实际运营时车载设备处于完全监控模式，EOA 与信号机之间还有安全距离，列车也不会冒进信号机。