基于双模式导航系统的动车组关键数据无线传输保障方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高速动车组无线通讯保障方法领域，具体涉及一种基于双模式导航系 统的动车组关键数据无线传输保障方法。
【背景技术】
[0002] 基于卫星导航定位的列车方位动态信息是保障动车组安全运行的重要信息之一， 除了向动车组提供精准定位、速度计算和列车授时等服务以外，通过卫星定位并获取头车 和尾车的即时位置信息，还可以判断出头车和尾车的速度以及二者间距是否变化、运行方 向和速度是否一致，藉此确认列车运行中的完整性情况。在综合考虑列车速度和制动距离 之后，还可以通过计算确定在头车之前和尾车之后分别设定合理的安全距离范围，从而使 得列车形成一个移动的闭塞区间，其它车辆或设施需保证禁止进入此闭塞区间，以确保行 车安全。再者，通过将列车方位动态信息与铁路沿线的电子地图进行整合，还能向列车提供 智能化控制车速的依据，使列车途经平交道口及弯道等位置时主动进行预先降速或提速， 避免事故及交通堵塞的发生。此外，列车方位动态信息所包含的车速信息是判定列车当前 时速的重要依据，车载智能控制系统可以依据该车速信息对列车当前是否超速以及可能超 速的状态进行诊断和预判，向驾驶员发出不同程度的报警或智能化地及时调整列车牵引和 制动控制策略。
[0003] 然而，国内现有获取列车方位动态信息所依赖的卫星导航定位的系统均为美国全 球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS)，而我国自主研发的中国北斗卫星导航系 统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)则尚未在高铁动车组的实时定位和相关服 务领域展开应用。
[0004] 除了受到GPS全球定位系统潜在的使用费用和诸多服务条款约束外，GPS全球定 位系统与BDS北斗导航系统相比还存在以下明显劣势：
[0005] 首先，GPS全球定位系统是被动式伪码单向测距的三维导航系统，其实质是一个单 向接收型的定位系统，天基卫星只向地面用户发送定位信号，而地面用户在接收该定位信 号之后，还需由地面用户通过匹配设备独立解算自己当前的三维定位坐标数据。其天基卫 星自身并不能确定该地面用户的三维定位坐标，更无法将该用户的三维定位坐标传送给其 它地面用户或地面运营调度指挥中心，因此，这种伪码单向测距的定位模式只能使配备解 码设备的动车组及时求得自身的位置和速度信息，却无法使地面运营调度指挥中心或其它 列车实时地获取该动车组的位置和速度信息，这不利于运营调度管理和保障行车安全。
[0006] 其次，从卫星发射导航信号到达接收机天线输入口时的信号强度水平来看，GPS 全球定位系统的最小保证电平值为_130dBm，而BDS北斗卫星导航系统的最小保证电平值 为-133dBm。根据导航定位及解算的原理可知，BDS北斗卫星导航系统采用双星定位方式即 可满足精确定位需求，而GPS全球定位系统则需要至少四颗GPS卫星才能保证其定位的精 度，如果GPS卫星数目不足则不能进行精确的导航定位。目前美国GPS全球定位系统的现有 空间星座体系仅包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，北斗导航系统的在轨卫星数达到了 17 颗，二者所能提供的服务品质已相差无几，而根据中国北斗导航系统空间星座规划，到2020 年项目完成时，北斗导航系统将实现包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星和3颗倾 斜同步轨道卫星在内的共计35颗卫星全部入轨。从理论上来说，地面终端导航设备所能搜 索到的卫星数量越多则定位越精准，这意味着未来，进一步完善后的中国北斗导航在轨卫 星数量将超过并多于美国GPS定位系统，因此BDS北斗卫星导航系统届时的定位信号将更 强，精度也将更高。
[0007] 此外，GPS全球定位系统仅向用户提供坐标定位服务，却不提供任何通讯服务。而 我国自主研发的北斗卫星导航系统还具有美国GPS全球定位系统所不具备的双向短报文 通信功能，是全球首个在定位、授时之外具备双向短报文通信为一体的卫星导航系统。北斗 卫星导航系统的双向短报文通信功能不仅可点对点双向通信，其还支持一点对多点的广播 传输，该基于双向短报文通信的北斗卫星导航系统信息群发功能，将在定位服务的基础上 给定位用户的超远距离通讯提供额外的便利。北斗短报文功能还提供了通讯紧急通道，此 通道无时间限制，可以按照设定的时间间隔，不断发出求救信息。当出现紧急情况，用户可 触发北斗卫星导航系统的双向短报文通信功能中的紧急救援功能，通过卫星导航终端设备 及时向救援单位传递所处位置和受灾情况等信息，有效提高救援搜索效率。
[0008] 另一方面，根据所需通讯的数据类型，可将动车组关键数据分为二大类：
[0009] 第一类、对通讯实时性要求高但单次传送的数据量较少的数据，除了包括前述列 车方位动态信息以外，该类信息还包括重大事故救援请求、车载设备状态信息、铁路沿线设 施状况信息、平交路口路况信息、调度信息、载客载货量信息等；
[0010] 第二类、对通讯实时性要求较低的其他数据，例如：行车日志、节能优化信息等；
[0011]GPRS通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService)是较为成熟的 无线通讯技术，目前，高速动车组可通过车载远程数据无线传输装置与轨道沿线的GPRS或 CDMA等无线移动网络地面基站进行通讯，并经由无线移动网络地面基站中转，最终接入地 面运营调度指挥中心的通讯系统中，完成动车组数据的通信过程。由于目前GPRS等无线移 动网络地面基站已在全国绝大多数地域实现全覆盖，因此借助其较为稳定的无线信号覆盖 网络和高效的数据传送能力，可以满足包括视频信息在内的上述动车组关键数据的传送。
[0012] 但是现有的动车组关键数据传送方法严重且单一地依赖于GPRS等无线移动网络 及其遍布全国的地面基站系统，甚至动车组通过GPS全球定位系统解算和获取的三维定位 坐标数据和速度数据等列车方位动态信息也均需要依赖于GPRS等无线移动网络才能中转 并传送给其它动车组或地面运营调度指挥中心。
[0013]由于北斗卫星导航系统尚未在高铁动车组的实时定位和相关服务领域展开应用， 因此，一旦列车需要在沙漠、偏远山区或因灾受损等没有GPRS类无线移动网络信号覆盖的 环境下运行，则动车组的运行安全将出现风险隐患，地面运营调度指挥中心的调度管理工 作也将无法开展，假若列车在此情况下遭遇险情则更给搜救施援工作造成严重困难和挑 战。同时，单纯依赖于美国GPS定位系统的列车方位动态信息获取方式，不但受制于其潜在 的使用费和诸多服务条款约束，更存在定位精度和性价比均逐渐被北斗卫星导航系统所赶 超的发展问题。
[0014] 另一个备受关注的情况是，现有的动车组列车还因无法实现美国GPS全球定位系 统或中国北斗卫星导航系统的兼备与切换，而不能适应当前中国高铁出口其它国家的发展 需求。
[0015] 除此以外，诸如WiFi(WirelessFidelity)无线保真等技术的新型无线网络在近 几年以来发展迅速，以WiFi无线网络为典型代表的一批基于8011.lib通讯标准的新型访 问节点AP(AccessPoint)类无线网络已越来越广泛的应用于火车站等各种公共场合。此 类AP无线网络的覆盖面积远不及GPRS等无线移动网络，但在覆盖范围内的AP设备通过AP 无线网络却能以更低廉的价格享用更高的数据传输效率，因此，在局域覆盖范围内，AP无线 网络较之GPRS类无线移动网络拥有更高的性价比和便捷性，是一项具有应用优势和前景 的成熟技术。但在动车组关键数据无线传输领域AP无线网络尚无广泛应用。
[0016] 另一方面，现有的卫星定位原理如下：
[0017] 一、GPS导航定位的坐标解算公式为：
[0018] 车载终端设备从i颗卫星测得的伪距氏可表示为：
[0019]Rj=cAtj(1)
[0020]式（1)，中c表示卫星信号传输速度，Ati表示终端设备接收到卫星信号的当前时 间与卫星发送信号时间的差值；
[0021] 由伪距Ri换算成三维坐标的公式为：
[0023] 式（2)中，XpYpZi表示第i颗卫星的空间坐标，X、Y、Z表示用户终端设备的空间 位置。
[0024] 由式（1)和式⑵共同形成GPS定位方程组，GPS定位方程组有四个未知量X、Y、 Z、A&，求解此四个未知量，须建立四个独立的方程，这意味着用该测距定位方法至少需要 四颗卫星的信号。
[0025] 二、北斗导航系统的双星定位原理如下：
[0026] 北斗导航定位原理如图1所示，定义并测量两个时间延迟量：
[0027] 从地面运营调度指挥中心发出询问信号至某一颗北斗卫星S0后转发到用户终端 设备；用户终端设备发出定位响应信号再经同一颗卫星S0转发回地面运营调度指挥中心 的时间延迟量计作：第一延迟量tB1;
[0028] 从地面运营调度指挥中