CN114070351B - 满足高速运用的应答器传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明的应答器传输系统，从提升系统作用范围、提升系统数据传输速率以及优化应答器布置方式等手段来提升车地设备间传输数据总量，其适用最高线路运行速度可提升至1000km/h，主要涉及的车载设备为车载BTM、BTM天线，地面设备为应答器、轨旁电子单元。本发明的技术优势如下：本系统可大幅提升应答器系统适用线路速度范围，最高线路运行速度可提升至1000km/h；还可以利用既有线路的现存设备，实现线路升级改造，以较低成本实现线路运行速度的提升。

Description

满足高速运用的应答器传输系统

技术领域

本发明涉及铁路行业的列车控制领域，特别涉及提升应答器系统使用线路速度的技术及方法。

背景技术

应答器传输系统作为安全点式信息传输系统，广泛应用于各轨道交通项目，是CTCS-2、CTCS-3、和CBTC系统的核心设备之一，同时也可应用在其他任何需要进行车地通信和精确定位的列车运用控制系统中。系统由车载设备和地面设备二部分组成；地面设备主要包含无源应答器、有源应答器和LEU；车载设备主要包含BTM主机和BTM天线。相较于其他同类型车地定位系统，应答器传输系统具有数据传输量大、适应线路运行速度高、定位精度高等优势。

在应答器传输系统中，配合设备特性、数据定义等，限制了系统使用的最高时速为500km/h，而伴随着轨道交通行业的持续发展，可预见超出此限值甚至最高至1000km运用时速的需求。因此在应答器传输系统基础上进行技术优化及方法改进，以实现该运用需求。

在高速运用条件下，对于系统设备运用的关键影响在于车地间通信时间更短；由于车辆运行速度更高，车地设备间耦合关系持续时间更短，传输数据量减少；这是提高系统运用速度必须要面对并解决的问题。

发明内容

为了解决现有应答器系统存在的上述问题，本发明提供了一种提升应答器系统线路运用速度的技术及方法。

本发明提供了一种满足高速运用的应答器传输系统，其适用最高线路运行速度可提升至1000km/h，所述系统主要涉及的车载设备为车载BTM、BTM天线，地面设备为应答器、轨旁电子单元；

所述系统从提升系统作用范围、提升系统数据传输速率以及优化应答器布置方式等手段来提升车地设备间传输数据总量；

车辆经过应答器的过程中系统传输数据总量计算公式如下：

传输数据总量D(bit)＝系统作用范围W(mm)÷车辆运行时速V(km/h)×数据传输速率S(bit/s)×组内应答器个数N；

满足1000km/h高速运用需求下，上述公式中

单独提升单一指标值时应满足如下要求：

W≥1510mm

S≥1420.84kbit/s

N≥3；

所述提升系统作用范围手段指对BTM天线、应答器的作用范围的扩展；所述提升系统数据传输速率手段指对BTM、BTM天线、应答器的结构电路设计调整；所述优化应答器布置方式手段指对应答器组内数量及数据帧设置进行调整。

本发明的技术优势如下：本系统可大幅提升应答器系统适用线路速度范围，最高线路运行速度可提升至1000km/h；还可以利用既有线路的现存设备，实现线路升级改造，以较低成本实现线路运行速度的提升。

附图说明

图1为应答器系统报文传输过程示意图

图2为扩展系统作用范围的应答器传输系统示意图

图3为提升系统数据传输速率的应答器传输系统示意图

图4为增加组内应答器数量的应答器传输系统示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不已任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的普通技术人员来讲，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明方案要解决的技术问题是：在线路运行速度提升的情况下，车地设备间耦合时间减少，需要保证车地系统间的数据可靠传输，同时满足系统可靠性要求。因而本发明提供了可用于高速运用条件下的应答器传输系统，其主要涉及的车载设备为车载BTM(应答器传输单元)、BTM天线，地面设备为应答器、轨旁电子单元(LEU)。本发明方案根据高速运用的需求，分别从提升系统作用范围、提升系统数据传输速率以及优化应答器布置方式等设计手段来提升车地设备间传输数据量。

其中，提升系统作用范围涉及到BTM天线、应答器设备作用范围的扩展；提升系统数据传输速率涉及到BTM、BTM天线、应答器设备的结构电路对应设计调整；优化应答器布置方式需要对应答器设备运用及数据帧设置进行调整。

相关调整的理论分析如下，车辆经过应答器的过程详见图1所示，在此过程中传输数据总量计算公式如下：

传输数据总量D(bit)＝系统作用范围W(mm)÷车辆运行时速V(km/h)×数据传输速率S(bit/s)×组内应答器个数N

应答器向车载设备传输数据为1023bit/帧，车载设备需要完整数据帧方可进行解析使用，因此根据业内经验判定，满足高速运用需求下，该公式中

最小传输数据总量Dmin为1023bit×3＝3069bit

车地设备间常规系统作用范围W＝600mm

需求车辆最大运行速度Vmax＝1000km/h

若考虑应答器单独成组运用时，N＝1

因此，如满足以上数据传输需求，可在保持其他参数不变的基础上，从提升系统作用范围W、传输速率S或组内应答器数量N这三个单一指标值入手。本发明通过经验计算，单独提升单一指标值时应满足如下要求：

W≥1510mm

S≥1420.84kbit/s

N≥3

本发明应答器传输系统的具体实现方案可不限于单一指标的提升，可通过多项指标的组合，综合提升线路运行速度上限(如Vmax＝1000km/h)，具体地，例如可在扩展车载BTM天线作用范围的的情况下，不改变地面应答器天线的作用范围，而通过增加组内应答器数量使得改造后的应答器传输系统满足高速需求下的传输数据总量。下面通过具体实施例介绍本发明方案的主要设计思路。

实施例一：扩展系统设备作用范围

伴随线路运行速度提升，车地设备耦合时间减少，如保证原有数据量的可靠传输，可从增大车地设备射频磁场分布范围角度，增加系统设备间磁场耦合范围，即增加系统作用范围W，可弥补车地设备耦合时间的减少。

车载设备主要在于增大BTM天线作用范围，核心实现方式是增大天线线圈尺寸，并根据调整后线圈参数，对天线进行重新调谐，保证线圈谐振点准确且整体能量强度分布均匀，综合对于系统串扰的影响，至少将车载BTM天线作用范围扩展至600mm；

地面应答器设备工作电源来自于车载BTM天线发射的射频能量信号，其能量供给受BTM发射天线功率限制，若仅对其线结构调整、谐振参数重新调谐无法达到预期作用范围，还需要对其内部电路进行调整，选用更低功耗器件，并对电源分配进一步优化，提高有限能量的综合利用效率，可将其作用范围由现有的600mm扩展至1200mm。

参见图2，当车载天线由远及近经过应答器并逐渐远离的过程中，可与应答器建立电磁耦合关系，其整体作用范围即为此耦合关系可保持的位移量，即为天线作用范围加应答器作用范围，在本方案中该作用范围可达到1800mm，满足理论分析的最低值1510mm。可满足高速线路运用要求。

实施例二：提升数据传输速率

伴随线路运行速度提升，车地设备耦合时间减少，可通过增大车地设备间数据传输速率，以保证原有数据量的可靠传输。

参见图3，应答器作为数据输出的核心设备，可将既有的564.48kbit/s传输速率提升3倍以上，即不小于1.7MHz；考虑到通道频率隔离度，系统FSK信号载频(上下限值)分别为fH＝4.516MHz×3＝13.548MHz，fL＝3.951MHz×3＝11.853MHz，车载设备射频能量载波频率为27.095MHz×3＝81.285MHz。

车载设备主要在于调整BTM天线的谐振参数，使之谐振于更高的预设频率，实现更高速率载波的发射及信号的接收，车载BTM则对于信号滤波、放大、解调电路进行调整，该方案适用于整体传输载波频率及速率的调整，而编码及解码相关方式维持不变。

地面应答器设备则需要同步调整应答器天线的谐振参数，以适应整体频率的变化。并且应答器内部频率处理电路、数据处理电路、调制电路也需要做出对应优化调整。

实施例三：增加组内应答器数量

在维持应答器系统车载、地面设备不变的基础上，由于车辆速度提升后系统的作用时间减少，可通过增加应答器布置数量的方式，保证车地设备间总体传输数据量不变。

参见图4，应答器向车载设备传输数据为1023bit/帧，当运行速度过高，车载无法收取单个应答器完整数据帧时，可将单应答器数据帧进行缩减、拆分，分散至多个应答器中，即将原有单个应答器布置调整为多个应答器。参照《TB/T 3485-2017应答器传输系统技术条件》将报文格式由长报文(传输报文1023bit/用户报文830bit)调整为短报文(传输报文341bit/用户报文210bit)，在系统其他设备保持不变的情况下，如保证同样数据量的传输，将1台写入长报文的应答器替换为4台写入短报文的应答器，以满足线路运用要求。

本系统可大幅提升应答器系统适用线路速度范围，最高线路运行速度可提升至1000km/h，为实现轨道交通速度进一步提升，提供了可行技术实施方案，提高高速铁路线路运行效率；根据不同技术方案实现方式，不仅可实现对于新建线路的全面建设，通过技术创新全面提升线路运行速度；还可以利用既有线路的现存设备，实现线路升级改造，以较低成本实现线路运行速度的提升。

以上所述仅为本发明方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种满足高速运用的应答器传输系统，其适用最高线路运行速度可提升至1000km/h，所述系统包括的车载设备为车载BTM、BTM天线，地面设备为应答器、轨旁电子单元；

所述系统从提升系统作用范围、提升系统数据传输速率以及优化应答器布置方式的手段来提升车地设备间传输数据总量；

车辆经过应答器的过程中系统传输数据总量计算公式如下：

传输数据总量D(bit)＝系统作用范围W(mm)÷车辆运行时速V(km/h)×数据传输速率S(bit/s)×组内应答器个数N；

满足1000km/h高速运用需求下，上述公式中

单独提升单一指标值时应满足如下要求：

W≥1510mm

S≥1420.84kbit/s

N≥3；

所述提升系统作用范围手段指对BTM天线、应答器的作用范围的扩展；包括增大天线线圈尺寸以增大BTM天线作用范围，并根据调整后线圈参数，对天线进行重新调谐，保证线圈谐振点准确且整体能量强度分布均匀，至少将车载BTM天线作用范围扩展至600mm；还包括对地面应答器的内部电路进行调整，选用更低功耗器件，并对电源分配进一步优化，将其作用范围扩展至1200mm；

所述提升系统数据传输速率手段指对BTM、BTM天线、应答器的结构电路设计调整；包括应答器传输速率提升3倍以上，即不小于1.7MHz；系统FSK信号载频分别为fH＝13.548MHz，fL＝11.853MHz，车载设备射频能量载波频率为81.285MHz；对应地，调整BTM天线的谐振参数，使之谐振于更高的预设频率；车载BTM则对于信号滤波、放大、解调电路进行调整；应答器则同步调整应答器天线的谐振参数，以适应整体频率的变化，并调整应答器内部频率处理电路、数据处理电路、调制电路；

所述优化应答器布置方式手段指对应答器组内数量及数据帧设置进行调整；包括将原有单个应答器布置调整为多个应答器，同时将报文格式由长报文调整为短报文，以保证车地设备间总体传输数据量不变。

2.根据权利要求1所述的应答器传输系统，其特征在于，将报文格式由长报文--传输报文1023bit/用户报文830bit，调整为短报文--传输报文341bit/用户报文210bit，在系统其他设备保持不变的情况下，将1台写入长报文的应答器替换为4台写入短报文的应答器。

3.根据权利要求1所述的应答器传输系统，其特征在于，所述应答器传输系统不限于上述单一指标值的提升，可通过多项指标值的组合提升线路运行速度上限。

4.根据权利要求3所述的应答器传输系统，其特征在于，在扩展车载BTM天线作用范围的情况下，不改变地面应答器天线的作用范围，而通过增加组内应答器数量使得改造后的该应答器传输系统满足高速需求下的传输数据总量。