應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)電磁耦合機(jī)理及優(yōu)化研究.pdf

1、應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)(Balise Transmission System，BTS)是一種基于電磁耦合機(jī)理的自動識別系統(tǒng)，是中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）的關(guān)鍵設(shè)備，為車載安全計(jì)算機(jī)提供線路參數(shù)、定位、臨時限速、進(jìn)路、級間轉(zhuǎn)換等信息。然而，當(dāng)前應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)在工程應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)“丟點(diǎn)”現(xiàn)象，即車載應(yīng)答器傳輸模塊(Balise Transmission Module，BTM)接收不到地

2、面應(yīng)答器的報(bào)文數(shù)據(jù)。相關(guān)規(guī)范規(guī)定在進(jìn)出站報(bào)文丟失或者連續(xù)丟失兩條報(bào)文的情況下會造成列車最大常用制動，高的報(bào)文丟失率將嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行效率。當(dāng)前，針對此問題的研究多是從試驗(yàn)測試、工程實(shí)踐角度來摸索解決方案，并沒有做深入系統(tǒng)的理論研究。
　　論文以應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)為研究對象，首先基于電磁基礎(chǔ)理論（麥克斯韋方程組）建立了應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的電磁理論模型;在此基礎(chǔ)上，建立了一種上行鏈路動態(tài)模式信號模型，可實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)條件下對BTM進(jìn)行動態(tài)

3、測試的目的;接著分析了旁瓣問題的產(chǎn)生機(jī)理，給出了旁瓣抑制措施的相關(guān)建議，提出了應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)工程安裝優(yōu)化方案;然后設(shè)計(jì)了一種“8”字形的BTM車載天線，提高了應(yīng)答器的定位精度;最后建立了雙信道應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的信道模型，擴(kuò)充了現(xiàn)有應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量。
　　論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個方面:
　　(1)建立了基于麥克斯韋方程組的應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)電磁理論模型。深入分析了BTM天線與地面應(yīng)答器之間能量和數(shù)據(jù)的傳輸過程，建立了應(yīng)答器

4、輸入/輸出（Input/output，I/O）特性、射頻磁場分布、信號輻射模式等理論模型，給出了計(jì)算應(yīng)答器作用距離的一般步驟。該理論模型和相關(guān)分析方法能夠有效地分析應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的物理本質(zhì)，對相關(guān)設(shè)備的開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義;
　　(2)建立了一種用于BTM動態(tài)測試的上行鏈路動態(tài)模式信號模型，利用該信號模型能夠在實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物、靜態(tài)仿真環(huán)境下對BTM進(jìn)行動態(tài)測試。該模型模擬了列車以不同速度通過應(yīng)答器上方時車載BTM收到的上

5、行鏈路信號包絡(luò)情況，其充分考慮了射頻能量信號的輻射方向性、BTM對上行鏈路信號接收的靈敏度、地面設(shè)備的瞬態(tài)特性以及速度影響等因素。通過應(yīng)答器分析與測試平臺可以對BTM的動態(tài)接收與處理能力進(jìn)行測試，相關(guān)測試結(jié)果可作為BTM高速適用性評價的依據(jù);
　　(3)提出了應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)旁瓣抑制措施及工程安裝優(yōu)化方案?；谝呀⒌膽?yīng)答器傳輸系統(tǒng)相關(guān)理論模型，分析了旁瓣的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，指出了應(yīng)答器2種安裝模式的本質(zhì)區(qū)別，研究了2種安裝模式對

6、安裝高度和橫向偏移的適應(yīng)性，結(jié)合道床環(huán)境、曲線半徑等因素提出了應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)旁瓣抑制措施及工程安裝優(yōu)化方案。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符，表明該研究成果在現(xiàn)場工程實(shí)踐、提高國產(chǎn)化裝備應(yīng)用水平方面具有重要的參考價值;
　　(4)設(shè)計(jì)了一種“8”字形結(jié)構(gòu)的BTM車載天線，用于在定點(diǎn)停車中提高應(yīng)答器定位精度。分別基于電磁基礎(chǔ)理論、電磁場仿真軟件建立了“8”字形天線的數(shù)學(xué)模型和有限元仿真模型，通過仿真對比了車載矩形天線和“8”字形天線的包絡(luò)形態(tài)

7、，對2種天線的定位性能進(jìn)行了分析。后者特殊的包絡(luò)形態(tài)使其擁有更高的定位精度、更小的時延。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，該“8”字形天線結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，有良好的推廣、應(yīng)用前景。
　　(5)建立了雙信道應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)信道模型。雙信道應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是基于對既有應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)擴(kuò)容的需求而提出的，仿真結(jié)果表明新增的相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)信道和既有的頻移鍵控(Frequency Shift Keying，F(xiàn)