应答器传输系统电磁耦合机理及优化研究

摘要

应答器传输系统(Balise Transmission System，BTS)是一种基于电磁耦合机理的自动识别系统，是中国列车运行控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）的关键设备，为车载安全计算机提供线路参数、定位、临时限速、进路、级间转换等信息。然而，当前应答器传输系统在工程应用中经常出现“丢点”现象，即车载应答器传输模块(Balise Transmission Module，BTM)接收不到地面应答器的报文数据。相关规范规定在进出站报文丢失或者连续丢失两条报文的情况下会造成列车最大常用制动，高的报文丢失率将严重影响列车的运行效率。当前，针对此问题的研究多是从试验测试、工程实践角度来摸索解决方案，并没有做深入系统的理论研究。
　　论文以应答器传输系统为研究对象，首先基于电磁基础理论（麦克斯韦方程组）建立了应答器传输系统的电磁理论模型;在此基础上，建立了一种上行链路动态模式信号模型，可实现在实验室静态条件下对BTM进行动态测试的目的;接着分析了旁瓣问题的产生机理，给出了旁瓣抑制措施的相关建议，提出了应答器传输系统工程安装优化方案;然后设计了一种“8”字形的BTM车载天线，提高了应答器的定位精度;最后建立了双信道应答器传输系统的信道模型，扩充了现有应答器传输系统的数据容量。
　　论文的创新点主要有以下几个方面:
　　(1)建立了基于麦克斯韦方程组的应答器传输系统电磁理论模型。深入分析了BTM天线与地面应答器之间能量和数据的传输过程，建立了应答器输入/输出（Input/output，I/O）特性、射频磁场分布、信号辐射模式等理论模型，给出了计算应答器作用距离的一般步骤。该理论模型和相关分析方法能够有效地分析应答器传输系统的物理本质，对相关设备的开发和系统优化具有重要的指导意义;
　　(2)建立了一种用于BTM动态测试的上行链路动态模式信号模型，利用该信号模型能够在实验室半实物、静态仿真环境下对BTM进行动态测试。该模型模拟了列车以不同速度通过应答器上方时车载BTM收到的上行链路信号包络情况，其充分考虑了射频能量信号的辐射方向性、BTM对上行链路信号接收的灵敏度、地面设备的瞬态特性以及速度影响等因素。通过应答器分析与测试平台可以对BTM的动态接收与处理能力进行测试，相关测试结果可作为BTM高速适用性评价的依据;
　　(3)提出了应答器传输系统旁瓣抑制措施及工程安装优化方案。基于已建立的应答器传输系统相关理论模型，分析了旁瓣的产生机理及影响因素，指出了应答器2种安装模式的本质区别，研究了2种安装模式对安装高度和横向偏移的适应性，结合道床环境、曲线半径等因素提出了应答器传输系统旁瓣抑制措施及工程安装优化方案。试验结果与理论分析相符，表明该研究成果在现场工程实践、提高国产化装备应用水平方面具有重要的参考价值;
　　(4)设计了一种“8”字形结构的BTM车载天线，用于在定点停车中提高应答器定位精度。分别基于电磁基础理论、电磁场仿真软件建立了“8”字形天线的数学模型和有限元仿真模型，通过仿真对比了车载矩形天线和“8”字形天线的包络形态，对2种天线的定位性能进行了分析。后者特殊的包络形态使其拥有更高的定位精度、更小的时延。试验结果与仿真结果一致，该“8”字形天线结构简单、易于实现，有良好的推广、应用前景。
　　(5)建立了双信道应答器传输系统信道模型。双信道应答器传输系统是基于对既有应答器传输系统数据扩容的需求而提出的，仿真结果表明新增的相移键控(Phase Shift Keying，PSK)信道和既有的频移键控(Frequency Shift Keying，FSK)信道互相独立、互不影响，且前者的传输性能更好，误码率更低。试验结果与理论仿真相符，表明该双信道应答器传输系统方案是合理可行的，其进一步提高了地面应答器与车载BTM之间的通信数据量，从而保证了列车运行控制系统能够更加可靠、精确地控车，进一步保障了行车效率。

目录

声明

致谢

摘要

术语表

1．1 选题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 应答器传输系统研究现状

1．2．2 RFID研究现状

1．3 选题的目的和意义

1．4 论文组织与结构

2 应答器传输系统物理层建模

2．1 应答器传输系统工作原理

2．2 基于电磁基础理论的应答器传输系统建模

2．2．1 应答器I／O特性模型

2．2．2 天线磁场分布模型

2．2．3 射频能量信号辐射模式模型

2．2．4 激活距离计算模型

2．2．5 应答器发出的上行链路信号幅度模型

2．2．6 BTM天线接收到的上行链路信号幅度模型

2．2．7 作用距离计算模型

2．3 本章小结

3．1 引言

3．2 BTM接收门限曲线

3．3 上行链路静态模式信号模型

3．4 上行链路动态模式信号模型

3．5 模型的验证

3．6 应答器分析与测试平台

3．7 BTM动态测试案例

3．8 本章小结

4 应答器传输系统旁瓣抑制措施及工程安装优化方案

4．1 引言

4．2 旁瓣产生机理及抑制措施

4．2．1 应答器区域划分

4．2．2 旁瓣产生机理

4．2．3 旁瓣影响因素分析

4．2．4 旁瓣抑制措施的建议

4．3 工程安装优化方案

4．3．1 两种安装模式的本质区别

4．3．2 两种安装模式下应答器作用距离与安装高度的关系分析

4．3．3 两种安装模式下应答器作用距离与横向偏移的关系分析

4．3．4 应答器安装模式优化方案

4．3．5 试验验证

4．4 本章小结

5 “8”字形天线的设计、建模及仿真

5．1 引言

5．2 基于电磁基础理论的“8”字形天线建模

5．3 基于HFSS的“8”字形天线建模

5．4 HFSS静态及动态仿真

5．5 尺寸及安装高度对“8”字形天线信号强度的影响

5．6 试验验证

5．7 本章小结

6．1 引言

6．2 方案比对

6．3 设备组成与基本功能

6．3．1 设备组成与接口特性

6．3．2 系统基本功能与性能

6．4 信道仿真

6．4．1 频点选择

6．4．2 频带利用率

6．4．3 信道建模与仿真

6．5 试验验证

6．6 本章小结

7．1 本文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

图索引

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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