空間雜質對應答器上行鏈路傳輸性能影響分析

李建國， 張鑫奎 ， 薛千樹 ， 鄭云水

（蘭州交通大學a.自動化與電氣工程學院，b.四電BIM 工程與智能應用鐵路行業重點實驗室，蘭州 730070）

截至2022 年底，全國鐵路營業里程已突破15.5 萬km，其中高鐵超過4.2 萬km，運輸保障能力進一步增強［1］.鐵路運輸安全是永久性的話題，應答器作為高速鐵路列控系統中重要的基礎設備，廣泛應用于我國CTCS-2 級和CTCS-3 級列控系統，向車載設備提供線路數據、臨時限速、等級轉換等信息.數據信息的可靠傳輸對列車安全高效運行至關重要，但應答器安裝于室外，周圍環境復雜多變，在寒冷的冬季應答器會被冰雪覆蓋，貨物運輸過程中應答器表面會散落鐵礦石、煤粉、油脂等，這些因素影響了應答器上行鏈路傳輸性能.

應答器傳輸系統（Balise Transmission System， BTS）結構復雜，學者從不同角度對應答器系統傳輸性能進行了研究.朱林富等［2］采用場分析法與等效電路網絡法分析了混凝土道床、鋼軌對系統天線調諧頻率、反射系數等的影響.趙會兵等［3］通過仿真各類損耗介質下電磁波的穿透特性，分析了各類損耗介質和金屬介質對應答器有效作用范圍的影響.羅麗燕等［4］通過仿真研究護軌對應答器的干擾，對護軌開槽尺寸進行了優化.Geng 等［5］利用數字孿生技術分析了車載天線與應答器之間的能量和數據傳輸過程.許波等［6］解釋了應答器傳輸系統工作原理，研究了應答器輸入輸出特性隨空間時間變化關系.Wen 等［7］通過一個測試案例對應答器傳輸模塊的電磁敏感性進行了預測.Adin 等［8］評估了應答器傳輸系統各模塊之間的互操作性.李正交等［9］提出基于馬爾可夫過程的可靠性評估方法，分析了列車速度對應答器系統的影響.許慶陽等［10］結合應答器動態檢測數據采用方差與統計值分析了速度、軌道板類型等因素對動態性能指標的影響.李雪等［11］分析應答器A 接口傳輸過程，利用模型對應答器角度偏差進行了一致性評估.王通等［12-14］基于電磁感應原理，分析了應答器系統數據傳輸過程與旁瓣感應電壓幅值包絡問題.Lv 等［15］針對應答器信號噪聲干擾，提出基于認知控制的應答器上行鏈路信號處理方法.

綜上所述，目前在應答器傳輸性能方面已取得了一定研究成果，但對不同種類空間雜質的不同覆蓋厚度、面積對應答器傳輸性能影響的研究尚不多見.本文以現有研究為基礎，在電磁場仿真軟件中建立應答器天線模型，仿真不同種類空間雜質不同覆蓋厚度、不同覆蓋面積下上行鏈路信號磁場分布與幅度曲線，計算應答器作用距離、應答器傳輸模塊（Balise Transmission Module，BTM）接收比特數等傳輸性能指標，分析空間雜質對應答器傳輸性能的影響，為應答器現場維護提供理論指導.

1 應答器傳輸系統作用過程

作為點式傳輸系統，BTS 具有安全性高、信息量大等優點，系統各設備之間由不同接口相互連接.高速鐵路車載設備與地面應答器信息傳輸過程包括下行激勵和上行發送2 個過程：當列車運行經過應答器上方時，BTM 發射天線向地面連續發送頻率為27.095 MHz±5 kHz 的高頻電磁能量，通過電磁耦合方式激活地面應答器；地面應答器將存儲的線路數據、臨時限速等報文信息發給BTM 接收天線，信號的中心頻率為4.234 MHz±175 kHz，頻偏282.24 kHz，上下邊頻分別為4.516 MHz、3.951 MHz，傳輸速率為564.48 kbit/s，該傳輸過程持續進行直至能量消失［16-17］.BTS 傳輸過程如圖1所示.

圖1 BTS 傳輸過程Fig.1 BTS transmission process

應答器天線與BTM 天線間通過電磁耦合的方式傳輸信息，將天線間的電磁耦合等價轉換為如圖2 所示的電路結構.圖2 中，V1為饋入交流電源，信號頻率為4.234 MHz，R1為應答器天線等效電阻與串聯損耗電阻之和，i1為流經應答器天線的電流，M為互感系數，L1為應答器天線的等效電感，R2為BTM 天線匹配電阻，i2為流經BTM 天線的感應電流，L2為BTM 天線的等效電感.

圖2 等效耦合電路Fig.2 Equivalent coupling circuit

2 應答器天線建模與驗證

2.1 模型建立

根據應答器相關技術標準［18］，參考環是圍繞有效參考區域的環狀導體，用來模擬測試應答器特性.本文選用標準尺寸（390 mm×200 mm）參考環，在FEKO 中建立應答器天線模型，仿真應答器電磁特性.參考環由4 節橫截面為20 mm×5 mm 的實心銅條、PCB 板、絕緣連接板和TNC 連接器組成，4 節銅條通過絕緣連接板和PCB 板連接形成一個矩形環，TNC 主要向參考環供電.標準尺寸參考環結構如圖3 所示.

圖3 標準尺寸參考環結構Fig.3 Configuration of standard size reference loop structure

PCB 板電路如圖4 所示.圖4 中，L3為1 節銅條的電感值，大小等于參考環電感的1/4；電感L4為空心線圈，其電感值大小與L3相當；C1、C2為電容，溫度系數接近零.

圖4 PCB 板電路Fig.4 PCB board circuit

由BTS 傳輸過程可知，BTM 發射天線向地面連續發送頻率為27.095 MHz 的高頻電磁能量，激活應答器后，應答器發送中心頻率為4.234 MHz 的信號傳輸報文，故用于模擬應答器天線的參考環必須調諧到27.095 MHz 和4.234 MHz 處，即必須得到合適的L4、C1和C2.L4與L3近似相等，C1和C2的選取原則為：在4.234 MHz 時C2的阻抗可忽略，在27.095 MHz 時C1的阻抗可忽略.

上行中心頻率fc=4.234 MHz 時，諧振頻率ω1為

下行頻率fx=27.095 MHz 時，諧振頻率ω2為

先將PCB 板短路確定電感L3的值，再確定L4的值；根據式（1）和（2）計算C1和C2的值，在FEKO 軟件中通過計算輸入頻率為27.095 MHz 時參考環的電抗來調整C2，通過計算頻率為4.234 MHz 時參考環的電抗來調整C1，直至參考環電抗無限趨于0.經過反復調整后，參考環電抗曲線如圖5 所示.由圖5可知，當fx=27.095 MHz 時，參考環電抗為0.060 9 Ω；當fc=4.234 MHz 時，參考環電抗為0.002 16 Ω.確定各元件參數為L4=30 nH，C1=7.036 nF，C2=1.299 3 nF.

圖5 參考環電抗曲線Fig.5 Reactance curve of reference loop

根據上述內容，在FEKO 軟件中對CADFEKO提供的正方體模型進行分割合并得到應答器參考環模型，如圖6 所示.設置該模型近場求解范圍為- 3 000 mm

圖6 應答器參考環模型Fig.6 Model of balise reference loop

2.2 模型驗證

應答器相關技術標準［16-17］規定上行鏈路應答器的磁場強度垂直分量與參考磁場一致，應答器輸出的信號強度與參考磁場的差值構成上行鏈路的一致性偏差，用dB 表示，上行鏈路參考磁場和限定如圖7 所示.圖7 中，A=5 dB，B=5 dB，C=35 dB，D=60 dB，XT=5 cm，R0為z0=220 mm 時作用區的最大磁場強度，z0為應答器與BTM 天線間的垂直距離.

圖7 上行鏈路參考磁場與限定Fig.7 Uplink reference magnetic field and constraints

應答器的相鄰應答器和鄰線應答器會對應答器產生干擾，為防止這一現象的發生，應答器天線上行信號幅度曲線須滿足場強一致性要求.作用區定義為應答器正上方220 mm 與460 mm 之間16 角柱狀有限體積區域，應答器產生的磁場與參考磁場場強差值在±1.5 dB 內；旁瓣區范圍為- 1 300 mm

在調諧后的應答器參考環模型中加入頻率1~60 MHz、電壓1 V 的電源，通過矩量法計算應答器模型阻抗，如圖8（a）所示；仿真頻率為3.951、4.234、4.516 MHz 時應答器上行信號幅度曲線，將曲線標準化處理，如圖8（b）所示.

圖8 應答器天線模型主要曲線Fig.8 Main curves of balise antenna model

由圖8 可知，應答器參考環模型上行信號幅度曲線旁瓣區峰值與作用區峰值相差大于30 dB，串擾區峰值與作用區峰值相差大于60 dB，符合應答器上行鏈路場強一致性要求，應答器參考環模型阻抗模值幾乎為0，說明模型可以很好地調諧到上行信號傳輸頻率與下行射頻能量發送頻率.

在實驗室搭建參考環測試環境，通過參考環電阻特性驗證模型.測試連接與測試結果如圖9 所示.信號發生器用來給參考環加不同頻率，功率計測量參考環輸入電壓.已知輸入電壓越小，參考環阻抗越小，輸入電壓越大，參考環阻抗越大.

圖9 測試連接與測試結果Fig.9 Test connection and test result

由圖9（b）可知，當所加信號的頻率為4 MHz、27 MHz 左右時，電路呈調諧狀態，輸入電壓最小.參考環模型仿真數據與實測數據相符，模型的正確性與適用性得到驗證.

3 仿真分析

3.1 空間雜質分類

應答器安裝于室外開闊環境，表面易被道砟、沙子、泥漿、鐵礦石、鐵屑及煤粉等覆蓋，在北方寒冷的冬季也易被冰雪覆蓋且有一定厚度，這些易造成應答器信息傳輸不準確，影響列車安全運行.我國高速鐵路列控系統采用歐標應答器，歐標中對不同種類雜質、不同覆蓋厚度做了規定［15］，但并未給出設定依據.本文根據空間雜質電導率與相對磁導率的數量級將常見空間雜質進行分類歸納，如表1 所示.

表1 空間雜質分類Tab. 1 Spatial impurities classification

3.2 空間雜質對應答器傳輸性能影響分析

空間雜質覆蓋于應答器表面且有一定厚度，通過在FEKO 環境中仿真應答器被空間雜質覆蓋時的上行信號幅度曲線，分析不同種類雜質及不同覆蓋厚度對應答器傳輸性能的影響.

1） 覆蓋厚度與面積一定，Ⅰ~Ⅵ類雜質對應答器傳輸性能影響.

覆蓋厚度d為100 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，Ⅰ~Ⅵ類雜質與無雜質覆蓋的應答器上行信號幅度曲線對比如圖10 所示.設定列車速度為300 km/h，計算Ⅰ~Ⅵ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表2所示.

表2 不同種類雜質覆蓋時應答器性能指標數據結果Tab. 2 Performance index data results of balise under different types of impurities coverage

圖10 不同種類雜質覆蓋與無雜質覆蓋時上行信號幅度曲線對比Fig.10 Comparison of uplink signal amplitude curves between different types of impurities coverage and no impurity coverage

由圖10 與表2 可知，不同種類雜質覆蓋厚度d與覆蓋面積S一定時，雜質電導率、磁導率越大，電磁穿透性越弱，對上行信號幅度曲線影響越大，對應答器傳輸性能影響越大.應答器表面被雪（Ⅰ類雜質）、冰（Ⅱ類雜質）覆蓋時，應答器作用距離、BTM接收比特數、BTM 接收安全報文幀數等性能指標未受明顯影響，來自旁瓣區的干擾可忽略不計；被道砟、沙子（Ⅲ類雜質）覆蓋時，相比于無雜質覆蓋，應答器作用距離增大10.49 mm，BTM 接收安全報文幀數增大0.064 6 幀，傳輸性能指標數值增大，與此同時旁瓣區的干擾風險也增大，上行信號幅度曲線旁瓣區波峰與作用區波峰差值接近30 dB，若d繼續增大將不滿足上行鏈路場強一致性要求；被鹽水（Ⅳ類雜質）、鐵屑和煤粉（Ⅴ類雜質）、鐵礦石（Ⅵ類雜質）分別覆蓋時，上行信號幅度曲線失真，無法計算傳輸性能指標值，此時應答器傳輸性能受到嚴重影響.

2） 不同覆蓋厚度下Ⅰ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅰ類雜質覆蓋厚度d為150、200、250、300、350 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行信號幅度曲線如圖11 所示.設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅰ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表3 所示.

表3 不同厚度下Ⅰ類雜質覆蓋時應答器性能指標數據結果Tab. 3 Performance index data results of balise with ClassⅠ impurity coverage at different thicknesses

圖11 不同厚度下Ⅰ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.11 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅰ impurity coverage at different thicknesses

由圖11 和表3 可知，應答器表面被雪（Ⅰ類雜質）覆蓋時，作用距離、BTM 接收比特數、BTM 接收安全報文幀數隨覆蓋厚度的增大而減小，但變化甚微，應答器作用距離變化在0.5 mm 以內，BTM 接收安全報文幀數變化在0.000 6幀內.當d=200 mm 時，上行信號幅度曲線作用區出現毛刺，當d≥300 mm 時毛刺越加明顯，表明電磁波的穿透力隨著d增大越來越弱.歐標規定應答器上方被雪（新鮮的或部分融化的）覆蓋，且覆蓋等級為A 或B 時，覆蓋厚度均不應超過300 mm；從雜質對應答器傳輸性能的影響分析，當應答器表面被雪覆蓋時，覆蓋厚度也不應超過300 mm，與歐標規定一致.

3） 不同覆蓋厚度下Ⅱ類雜質對應答器傳輸性能影響.

用SPSS l9.0軟件處理相關數據,計量資料采用(均數±標準差)表示,數據對比采用獨立樣本t檢驗,計數資料采用%表示,采用χ2檢驗,當P<0.05時,表示差異有統計學意義。

Ⅱ類雜質覆蓋厚度d為100、150、200、250、300 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行信號幅度曲線如圖12 所示.設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅱ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表4 所示.

表4 不同厚度下Ⅱ類雜質覆蓋時應答器性能指標數據結果Tab. 4 Performance index data results of balise with ClassⅡ impurity coverage at different thicknesses

圖12 不同厚度下Ⅱ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.12 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅱ impurity covered at different thicknesses

由圖12 和表4 可知，應答器表面被冰、水（Ⅱ類雜質）覆蓋且0 mm≤d≤300 mm 時，作用距離變化在2 mm 以內，BTM 接收比特數變化在10 bit 內，BTM 接收安全報文幀數變化在0.009 1 幀內，因此從傳輸性能指標值來看，d≤300 mm 時，Ⅱ類雜質覆蓋對應答器的信息傳輸幾乎沒有影響.當d=200 mm 時，上行信號幅度曲線作用區出現毛刺，且d越大越明顯，上行信號穩定性越差.歐標規定應答器上方被清澈的水覆蓋，且覆蓋等級為A、B 時，覆蓋厚度分別不應超過200、100 mm；從冰或水對應答器傳輸性能的影響進行分析，覆蓋厚度不應超過200 mm.

4） 不同覆蓋厚度下Ⅲ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅲ類雜質覆蓋厚度d為100、125、150、175、200 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行信號幅度曲線如圖13 所示，圖13（b）為圖13（a）中圓圈部分的放大圖.

圖13 不同厚度下Ⅲ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.13 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅲ impurity covered at different thicknesses

設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅲ類雜質覆蓋時應答器作用距離、BTM 接收比特數、BTM 接收安全報文幀數，結果表明這些性能指標數據變化甚微.應答器表面被道砟、沙子（Ⅲ類雜質）覆蓋，且0 mm≤d≤200 mm 時，上行信號幅度曲線旁瓣區的磁場強度隨著覆蓋厚度d的增大而增大.當d≥175 mm 時，旁瓣區峰值與作用區峰值相差小于30 dB，不滿足上行鏈路場強一致性要求；當d=150 mm 時，其差值接近30 dB.歐標規定應答器上方被道砟（主要為石頭）覆蓋，且覆蓋等級為A 或B 時，覆蓋厚度均不應超過100 mm；從道砟等對應答器傳輸性能的影響進行分析，覆蓋厚度不應超過150 mm.

5） 不同覆蓋厚度下Ⅳ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅳ類雜質覆蓋厚度d為10、20、30、40、50 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行鏈路信號幅度曲線如圖14 所示.設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅳ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表5 所示.

表5 不同厚度下Ⅳ類雜質覆蓋時應答器性能指標數據結果Tab. 5 Performance index data results of balise with ClassⅣ impurity coverage at different thicknesses

圖14 不同厚度下Ⅳ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.14 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅳ impurity covered at different thicknesses

6） 不同覆蓋厚度下Ⅴ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅴ類雜質覆蓋厚度d為10、15、20、25、30 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行信號幅度曲線如圖15 所示.設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅴ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表6所示.

圖15 不同厚度下Ⅴ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.15 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅴ impurity covered at different thicknesses

由圖15 與表6 可知，應答器表面被煤粉、鐵屑（Ⅴ類雜質）覆蓋，且0 mm≤d≤30 mm 時，d越大，作用距離、BTM 接收比特數與接收安全報文幀數越小，上行信號幅度曲線作用區向右偏移越多，左側旁瓣區磁場強度越強，右側旁瓣區磁場強度越弱.當d=25 mm時，左側旁瓣區峰值與作用區峰值相差小于30 dB，右側旁瓣區幾乎消失.歐標規定應答器上方被鐵粉（列車制動產生的鐵粉）覆蓋，且覆蓋等級為A 或B 時，覆蓋厚度均不應超過10 mm；從鐵屑對應答器傳輸性能的影響進行分析，覆蓋厚度不應超過25 mm.

7） 不同覆蓋厚度下Ⅵ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅵ類雜質覆蓋厚度d為1.0、2.0、2.5、3.0、4.0 mm，覆蓋面積S為390 mm×200 mm 時，應答器上行信號幅度曲線如圖16 所示.設定列車速度為300 km/h，計算不同厚度下Ⅵ類雜質覆蓋時應答器作用距離等性能指標數據，結果如表7所示.

表7 不同厚度下Ⅵ類雜質覆蓋時應答器性能指標數據結果Tab. 7 Performance index data results of balise with ClassⅥ impurity coverage at different thicknesses

圖16 不同厚度下Ⅵ類雜質覆蓋時上行信號幅度曲線Fig.16 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅵ impurity covered at different thicknesses

由圖16 與表7 可知，應答器表面被鐵礦石（Ⅵ類雜質）覆蓋，且0 mm≤d≤4 mm 時，d越大，上行信號幅度曲線作用區向右偏移越多，X負半軸作用距離越小，左側旁瓣區磁場強度越強，X正半軸與之相反.當d=3 mm 時，左側旁瓣區幾乎消失.歐標規定應答器上方被磁鐵礦石覆蓋，且覆蓋等級為A、B 時，覆蓋厚度分別不應超過20、2 mm；從鐵礦石對應答器傳輸性能的影響進行分析，覆蓋厚度不應超過2.5 mm.

8） 不同覆蓋面積下Ⅲ類雜質對應答器傳輸性能影響.

Ⅲ類雜質覆蓋厚度d為150 mm，覆蓋面積S分別 為 390 mm×200 mm、312 mm×160 mm、234 mm×120 mm、156 mm×80 mm、78 mm×40 mm（寬度每次遞減40 mm，長度等比例變化）時，應答器上行信號幅度曲線如圖17所示.

圖17 不同覆蓋面積下Ⅲ類雜質上行信號幅度曲線Fig.17 Uplink signal amplitude curves with Class Ⅲimpurity covered at different coverage areas

設定列車速度為300 km/h，計算Ⅲ類雜質不同覆蓋面積下應答器作用距離、BTM 接收比特數、BTM 接收安全報文幀數.結果表明，當應答器表面被雜質完全覆蓋時，應答器傳輸性能受影響較大；應答器表面被雜質部分覆蓋時，應答器傳輸性能受影響較小.

9） 不同種類雜質同時覆蓋對應答器傳輸性能影響.

鐵路沿線雜質多種多樣，在列車實際運行過程中，應答器表面不止1 種雜質覆蓋，多種雜質同時覆蓋的情形也會出現.覆蓋面積S為390 mm×200 mm，不同種類雜質同時覆蓋于應答器表面時，仿真得到的應答器上行信號幅度曲線如圖18所示.

圖18 多種雜質同時覆蓋時上行鏈路信號幅度曲線Fig.18 Uplink signal amplitude curves with simultaneous coverage of multiple impurities

由圖18 可知，應答器表面被Ⅰ類與Ⅲ類雜質同時覆蓋時，覆蓋厚度分別不應超過200、100 mm；被Ⅰ類與Ⅴ類雜質同時覆蓋時，覆蓋厚度分別不應超過160、10 mm；被Ⅱ類與Ⅲ類雜質同時覆蓋時，覆蓋厚度分別不應超過120、100 mm；被Ⅱ類與Ⅴ類雜質同時覆蓋時，覆蓋厚度分別不應超過90、10 mm.與只有1 類雜質覆蓋相比，2 類及以上雜質同時覆蓋對應答器傳輸性能影響更大，若其中1 類雜質覆蓋厚度超過仿真值，應答器傳輸性能將受到嚴重影響.

4 結論

1） 不同種類雜質覆蓋厚度與覆蓋面積一定時，雜質電導率、磁導率越大，電磁穿透性越弱，對上行信號幅度曲線影響越大，傳輸信號越弱，對應答器傳輸性能影響越大.

2） 當應答器被Ⅰ~Ⅵ類雜質覆蓋且空間雜質覆蓋面積一定時，雜質厚度應分別限制在300、200、150、50、25、2.5 mm 以內.

3） 當雜質完全覆蓋于應答器表面時，將影響應答器傳輸性能；當沒有完全覆蓋于應答器表面時，對應答器的傳輸性能影響很小.

4） 相比于單一雜質覆蓋，2 類及以上雜質覆蓋于應答器表面時，應答器傳輸性能所受影響更大.

研究結論可為應答器現場維護提供理論指導.應答器周圍存在多種金屬，為削弱金屬導體對電磁波的衰減作用，下一步將研究金屬對應答器傳輸性能的影響.