北斗衛(wèi)星通信視角下鐵路防災(zāi)監(jiān)控體系抗干擾特性分析及有關(guān)電路技術(shù)探討

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1、北斗衛(wèi)星通信視角下鐵路防災(zāi)監(jiān)控體系抗干擾特性分析及有關(guān)電路技術(shù)探討1緒論1.1研究背景我國是一個地域面積廣闊且自然災(zāi)害多發(fā)的國家，如地震、風(fēng)暴、洪水、冰雪等，這些災(zāi)害時有發(fā)生，造成人身和財產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失。而鐵路線路在全國范圍內(nèi)分布廣泛，這些線路基本上均受到過不同程度的災(zāi)害侵襲，在2007年2月，南疆二線遭遇大風(fēng)，火車車身被吹翻，造成人員傷亡；2008年汶川地震期間，地震造成寶成線的列車線路多處發(fā)生塌方，致使列車運行中斷；2009年廣州局黎塘發(fā)生泥石流、滑坡，致使上行列車側(cè)翻侵入下行列車軌道，造成十人受傷，列車停運72小時。自然災(zāi)害對列車的運行造成很大的危害，有的災(zāi)害甚至對鐵路造成

2、極其嚴(yán)重的毀壞，導(dǎo)致大量的人員傷亡和國家財產(chǎn)的損失。所以制定科學(xué)有效的預(yù)防機(jī)制，在災(zāi)害發(fā)生前或發(fā)生時，及時準(zhǔn)確的實施防范或救援措施，使災(zāi)害造成的影響降到最低，對確保鐵路的安全運營有著重大的實際意義。建設(shè)完善的鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)一直都是各個國家研究的重點，其中以日本和法國為代表，日本對風(fēng)、地震和異物侵限等災(zāi)害的監(jiān)測已擁有較為成熟的技術(shù)，日本的新干線在鐵路沿線裝置了地震、風(fēng)、洪水、雨雪、異物侵限等檢測裝置，建立了較完善的防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)；法國在列車控制、地震預(yù)測等方面有深入研究，其建立的列車自動控制系統(tǒng)，以列車信號為主，不僅可以完成列車速度的自動控制，還可對設(shè)備狀態(tài)和自然環(huán)境進(jìn)行檢測和告警

3、，保證了列車運行安全。目前我國已成功的將一些防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路，在京津城際的鐵路沿線已安裝了地震緊急處置系統(tǒng)。此外我國建設(shè)并投入使用的監(jiān)控系統(tǒng)還有大風(fēng)監(jiān)測子系統(tǒng)、雪量監(jiān)測子系統(tǒng)、雨量監(jiān)測子系統(tǒng)和異物侵限監(jiān)測子系統(tǒng)等。本論文中涉及的基于北斗衛(wèi)星通信的鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，分析了災(zāi)情告警信息的特點，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信優(yōu)勢，將北斗一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)與鐵路災(zāi)情監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，更好的實現(xiàn)對鐵路沿線情況的監(jiān)測與告警。1.2硏究內(nèi)容1.2.1基于北斗衛(wèi)星通信的鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)簡介基于北斗衛(wèi)星通信的鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，就是一種針對鐵路建設(shè)的全面有效的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對如洪水、地震、山石滑坡、泥石流等自

4、然災(zāi)害進(jìn)行實時的監(jiān)測，使鐵路控制中心及時的了解災(zāi)情信息，進(jìn)而實施有效的防護(hù)措施，降低災(zāi)害的破壞，保證列車安全運行。另外，此系統(tǒng)是將北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)融入到鐵路防災(zāi)監(jiān)測中，充分利用北斗衛(wèi)星通信的特點和優(yōu)勢，更加及時、有效的完成災(zāi)情信息的傳送。基于北斗衛(wèi)星通信的鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖如圖1-1所示。鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸單元RTU、現(xiàn)場主控單元FCU、北斗衛(wèi)星的上位機(jī)和鐵路控制中心的接收機(jī)。1.2.2研究方向鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)是通過安裝在鐵路線路周圍的傳感器來采集災(zāi)情信息，并將這些信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集傳輸單元RTU，然后RTU將這些信息發(fā)送到現(xiàn)場主控單元FCU，再通

5、過FCU發(fā)送給北斗衛(wèi)星的上位機(jī)，最后上位機(jī)將信息轉(zhuǎn)發(fā)到車站或鐵路控制中心。本論文的研究分為兩個主要方向：信號通過北斗發(fā)射終端發(fā)送到北斗衛(wèi)星接收機(jī)過程中，要經(jīng)過地球的大氣層，其中對流層和電離層對信號傳輸?shù)挠绊懀约翱赡艽嬖诘娜藶殡姶鸥蓴_，都會造成通信誤比特率指標(biāo)的下降。北斗通信系統(tǒng)采用CDMA擴(kuò)頻技術(shù)以增強(qiáng)信號的抗干擾性能，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，故需要對擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能加以分析和評估；傳感器裝置在鐵路沿線附近，這種環(huán)境存在很強(qiáng)的電磁騷擾，可能對傳感器采集到的微弱信號造成嚴(yán)重干擾，因此在設(shè)計傳感器的測量放大電路時需采用特殊的電路結(jié)構(gòu)和若干抗干擾設(shè)計方法，用以降低騷擾造成的不良

6、影響，以保證系統(tǒng)的正常工作。2北斗無線通信的抗干擾性能分析鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場主控單元FCU與北斗衛(wèi)星之間的通信是利用北斗無線通信功能進(jìn)行的。圖2-1為地面設(shè)備與北斗衛(wèi)星的信息交互流程。FCU將數(shù)據(jù)采集傳輸單元RTU傳來的信號進(jìn)行整理，去除掉重復(fù)的信息并區(qū)分告警信息和基本的傳感器配置信息。然后通過北斗無線通信信道發(fā)送到北斗衛(wèi)星的上位機(jī)中，F(xiàn)CU向北斗接收機(jī)發(fā)送信息分為主動上傳和被動上傳這兩種方式。主動上傳是當(dāng)FCU收到告警信息時，F(xiàn)CU要主動向北斗衛(wèi)星發(fā)送告警信號，不需要被動的等待上位機(jī)發(fā)送需求請求。被動上傳是當(dāng)北斗衛(wèi)星的上位機(jī)要求知道傳感器的配置信息時，給FCU下發(fā)一個請求指

7、令，此時FCU會被動地上傳傳感器的配置信息。所以北斗衛(wèi)星接收機(jī)與FCU中的發(fā)射機(jī)之間會進(jìn)行上行和下行兩種通信。北斗衛(wèi)星的接收機(jī)作為中轉(zhuǎn)站，將這些信息及時的發(fā)送給車站或鐵路控制中心。2.1北斗短報文通信簡介本鐵路防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)用北斗系統(tǒng)的短報文無線通信功能，在現(xiàn)場主控單元FCU中安裝北斗一號用戶機(jī)，通過用戶機(jī)與北斗衛(wèi)星實現(xiàn)信息交互。北斗用戶機(jī)包括指揮型用戶機(jī)和普通型用戶機(jī)，北斗系統(tǒng)的用戶可進(jìn)行用戶與用戶間的點對點通信、指揮型用戶與普通型用戶間的通播通信和用戶自發(fā)自收通信。通信分