動車組車載BTM設備電磁干擾防護研究

郭玉華， 張金寶

(1. 中國鐵道科學研究院 通信信號研究所, 北京 100081; 2. 北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044)

隨著高速鐵路的迅速發展，鐵路運輸的安全問題也日益突出。我國參照歐洲列車控制系統 (ETCS)制定了中國列車控制系統(CTCS)，其中點式應答器系統扮演著重要的角色。由于我國國產動車組在引進、消化、吸收和再創新過程中，引進了來自多個國家不同廠商的技術。由于各設備提供商電磁兼容設計防護理念不同，導致各型國產動車組車載BTM設備電磁防護水平差異明顯；加之高速動車組經歷的過分相過程及本身高速運行所需的上千瓦牽引功率的轉換，使得高速動車組的電磁環境極其復雜、運行條件非常嚴酷，由電磁干擾導致的BTM故障問題頻出。

本文針對動車組車載BTM設備的電磁干擾防護進行研究，從BTM工作原理入手，建立BTM設備電磁兼容模型，并以某型動車組實際運行情況為例，分析其動車組車載BTM電磁兼容性。

1 動車組車載BTM設備電磁兼容建模

1.1 車載BTM設備工作原理

點式應答器系統由車載設備和地面設備兩大部分組成，圖1為系統原理框圖。車載設備包括車載BTM天線、天線電纜、車載解碼器和應答器傳輸模塊BTM(Bails Transmission Module)。車載解碼器的作用主要是對應答器報文進行解碼還原，此外還包含載頻發生器與功率放大器。地面設備包括有源應答器、無源應答器和地面電子單元LEU(Landside Electronic Unit)。其中車載天線安裝在列車的底部，通過同軸電纜信號線與列車上應答器傳輸模塊BTM相連接，車載天線利用電磁耦合技術，實現與地面應答器天線之間的能量和數據傳輸。

無源應答器一般置在列車運行路線上，不需要外加電源，其工作過程為車載BTM發送頻率為27 MHz的功率波，當機車通過無源應答器上方時，此功率波激活無源應答器開始工作，無源應答器于是將存儲區內的信息(如地理位置、列車目的運行信息、路線信息、固定限速信息等)讀取出來通過編碼器編碼后，經FSK調制(中心頻率為4.23 MHz，調制頻偏282 kHz)，以586 kbit/s的速率通過應答器的4.23 MHz天線發送，BTM天線接收到此信息，先將有用信號濾波，經過放大后，再進行解調，解碼，最后將有用信息傳送給ATP等車載設備。

1.2 應答器-車載BTM設備信號傳輸模型

BTM信號調制方式是二進制頻移鍵控2FSK，載波頻率為4.23 MHz，頻偏為±282 kHz，碼率為564 kbit/s，當接收到“0”時，發送載頻為3.948 MHz，當接收到“1"時，發送載頻為4.512 MHz的調制信號。Rect(t)為歸一化時域方波，BTM報文信號見圖2，表示為

cos{2π[(fc+Δfc)+(2bk-1)(fm+Δfm)]t+

φ(kTb)}+n(t)

( 1 )

判決誤碼性能為

( 2 )

應答器-車載BTM設備信號傳輸BER曲線見圖3。

1.3 車底電磁騷擾源模型

車底BTM天線模型見圖4，主要包括車底板，車底鋼架，供排氣系統及其接地線和電源線。其接地線直接與車底鋼架相連，長度約為15 cm，電源線與接地線平行放置。由于研究重點在于監測BTM天線附近的磁場，本模型并未加入BTM天線，而是在BTM天線中心點距車底距離(車底鋼架邊緣)l分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m共6個位置處的磁場進行仿真計算。

1.4 車載BTM電磁干擾分析

車載BTM設備有2種報文：長報文(1 023 bit)和短報文(341 bit)。根據應答器傳輸系統的可靠性、可用性、可維護性和安全性要求上行鏈路和下行鏈路在傳輸中心區域的誤碼率BER應該小于10-6,見圖3。車載BTM設備工作正常的充要條件是應答器報文傳輸的信噪比大于13 dB。

車載BTM設備連接示意見圖5。應答器報文傳輸過程中，有可能受天線端口的空間磁場騷擾、電源線和信號線端口的傳導騷擾，使得應答器報文傳輸的信噪比下降，導致車載BTM設備發生電磁干擾故障。

2 BTM受到電磁干擾案例研究

某列動車組在運行過程中，其一端車體的ATP系統和計算機報出雙系故障，導致列車緊急制動，檢查發現：

(1) 將故障車的BTM裝置與正常車對換后故障現象依舊存在；

(2) 對故障車轉向架接地情況進行檢查，確認該車已加裝軸端接地裝置，且狀態良好；

(3) 動車組升弓、合VCB，ATP啟動后，未報故障；

(4) 降弓投主控僅用車輛蓄電池供電時，重啟ATP設備未報故障；

(5) 動車組升弓、合VCB，使用外接BTM天線，天線放置在車側時，重啟ATP設備未報故障；天線放置在車下原BTM天線附近時，ATP設備報“BTM故障”、“安全計算機雙系故障”；

(6) 升弓、合VCB狀態下，旋司機室“停放”旋鈕后，客室空調停止時ATP設備未報故障；

(7) 更換新的BTM主機、BTM天線后，動車組升弓、合VCB后故障未消除。

2.1 電磁騷擾源分析

BTM啟動過程中，必須發送啟動測試數據包，該數據包譯碼錯誤將導致啟動故障。故障BTM設備通過BTM射頻前端和主機之間的非屏蔽同軸線直接傳輸啟動測試數據包，車底BTM天線接收到磁場騷擾后，將導致啟動測試數據傳輸信號信噪比下降，引起誤碼，導致電磁兼容故障。

車載BTM天線電磁環境數值仿真采用CONCEPT II電磁場仿真軟件，使用矩量法和積分方程對供排氣系統的電源供電不穩時，BTM車載天線附近產生的磁場強度進行數值計算。仿真中車底環境建模物理結構和尺寸參考某型動車組車底的真實布局和尺寸進行1∶1建模，進而能夠模擬真實動車組中車載BTM天線的電磁環境。供排氣系統的電源線、接地線供電不穩分以下4種情況進行討論：

(1) 供排氣系統接地線接觸良好，電源線上串入干擾；

(2) 供排氣系統接地線接觸不良，電源線上串入干擾；

(3) 供排氣系統接地線接觸良好，并串入干擾，電源線上無干擾；

(4) 供排氣系統接地線接觸不良，并串入干擾，電源線上無干擾。

BTM上行通信頻段為4.234 MHz±500 kHz，為涵蓋其頻段，本仿真計算的頻率范圍設為3～5 MHz，頻譜分辨率為100 kHz。仿真中，通過地線與車底間電阻值的變化，模擬接地線接觸是否良好。仿真計算結果見圖7、圖8，圖中l為天線中心點距離車底距離。

從上述仿真結果可見：

(1) 由圖7所示結果，供排氣系統電源線上存在干擾時，在3～5 MHz頻率范圍內感應到BTM天線中心位置的磁場騷擾約為10-4mA/m。當供排氣系統地線接觸不良時，感應到BTM天線中心位置的磁場騷擾略微升高。

(2) 由圖8所示結果，供排氣系統地線上串入2 000 V干擾時，在3～5 MHz頻率范圍內感應到BTM天線中心位置的磁場騷擾為0.1 A/m。當地線接觸不良時，感應到BTM天線中心位置的磁場騷擾略微減小。

(3) 對比圖7、圖8所示結果，從供排氣系統接地線引入的磁場騷擾強度遠遠大于電源線，騷擾強度增加約50 dB。

(4) 圖6、圖7中同一頻率磁場騷擾強度隨距離的衰減特性較為明顯，基本符合l1.5衰減的趨勢。

2.2 車底磁場騷擾試驗

測試主要測量車下BTM天線附近電磁環境、BTM車載設備主要信號電纜、端口上共模騷擾電流。測量頻段主要針對BTM上行通信頻段：4.234 MHz±500 kHz(BTM的通信帶寬為±200 kHz，頻偏約為280 kHz)。

(1) 車載BTM設備正常工作試驗

BTM車載設備正常工作接收信號測量結果見圖9，其信號端口電平為：FSK比特0頻點3.9 MHz/73 dBuV(行車)/56.78 dBuV(啟機)，FSK比特1頻點4.516 MHz/72 dBuV(行車)/58.07 dBuV(啟機)。測量結果表明，BTM設備行車過車中，接收信號比啟動測試數據傳輸信號強度大14 dB。

(2) 車載BTM設備受到車底電磁騷擾測量

故障端BTM接收到的差模騷擾信號測量結果見圖10。

在負載全開的工況下，差模騷擾在FSK比特0頻點(3.9 MHz)的強度明顯高于FSK比特1頻點4.5 MHz，實測值為：3.95 MHz/64.06 dBuV，4.516 MHz/50.52 dBuV。對比BTM正常工作信號接收電平，在FSK比特0頻點(3.9 MHz)，BTM接收信號需要56 dBuV的接收電平可以正常工作，也即故障BTM設備啟機過程中的接收信號信噪比為

-6 dB<13 dB

( 3 )

所以，負載全開工況下，故障端差模騷擾信號淹沒FSK比特0頻點信號，導致BTM車載設備啟動測試數據包發生誤碼，引起啟動故障。

故障BTM設備行車過程中的接收信號信噪比為

( 4 )

即故障BTM設備行車過程中，BTM設備正常。

(3) 車載BTM設備電磁騷擾源排查試驗

故障車負載全開工況下，車底BTM天線端口接收信號為：3.95 MHz/65 dBuV，4.516 MHz/53.33 dBuV；使用50 Ω負載阻抗代替BTM天線，BTM天線端口接收信號為3.951 MHz/41.59 dBuV，4.516 MHz/39.37 dBuV。所以BTM受到的騷擾信號通過車底BTM天線進入設備。

故障車關閉供排氣后，測量結果見圖11，由此可見關閉供排氣后，故障端差模騷擾信號在FSK比特0頻點大幅降低，BTM啟動測試數據包信號完全不受差模騷擾的影響。

故障車未做任何改動，改變列車位置，負載全開工況下，車底BTM天線端口接收信號為測量值見圖12，由此可得結論：不同工作環境使得騷擾強度有所降低，且頻率降低(避開3.95 MHz)；通過重新連接供排氣接線(電源線和地線)，進一步降低了BTM通信頻帶內的騷擾強度約5 dB。

(4) 車載BTM設備電磁兼容故障整改建議

應急措施：由于BTM設備行車過車中，接收信號比啟動測試數據傳輸信號強度大14 dB。因此，緊急狀況下，可以關閉供排氣系統，先啟動車載BTM設備，然后開始正常行車。

常規措施：優化車載BTM啟動測試數據傳輸方式，如通過背板排線直接在BTM射頻前端和主機之間傳輸啟動測試數據包。

3 結束語

動車組車載BTM設備報文數據傳輸差錯將導致多種車載BTM電磁兼容問題，且故障現象差異很大。常規的電磁騷擾測量試驗難以對此類電磁兼容問題形成一致的結論。尤其是前面給出的例子，同樣的電磁環境，BTM車載設備在不同條件下表現出截然不同的響應。因此，本文提出更為合理和科學的研究與試驗方法建議是：

(1) 研究分析車載BTM設備工作原理，找出設備的電磁防護的弱點。

(2) 用合理試驗的手段，逐一排查電磁騷擾進入車載BTM的途徑。

(3) 以應答器報文數據傳輸BER作為依據，分析電磁兼容問題，并形成整改建議。

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