高速铁路应答器传输系统（BTS）优化研究

1 引言

高速铁路作为国家战略基础设施，其运行安全与效率依赖于列车运行控制系统（CTCS）的精准性。应答器传输系统（BTS）作为CTCS 的关键子系统，通过电磁耦合实现地面应答器与车载设备间的信息交互，为列车提供线路参数、定位、临时限速等核心数据。然而，随着列车速度突破400km/h ，现有系统在工程应用中频繁出现“ 丢点” 现象（报文丢失率高达 5% ），导致列车制动响应延迟，严重影响运行效率。此外，单信道传输模式限制了数据容量，难以满足未来智能铁路对多源信息融合的需求。因此，开展BTS 优化研究具有迫切的现实意义。

2 BTS 系统架构与电磁耦合机理

2.1 系统组成与接口协议

BTS 由地面设备（有源/无源应答器、地面电子单元LEU）和车载设备（天线单元、应答器传输模块BTM）构成，通过接口“ A” （电磁感应）、接口“ C” （LEU-应答器）、接口“ B” （BTM-车载主机）等实现数据交互。其中，接口“ A” 采用电磁耦合方式，车载天线发射 27.095MHz 射频能量激活地面应答器，应答器通过调制电磁场返回 FSK（频移键控）编码报文，传输速率达 565kbps

2.2 电磁耦合模型与旁瓣问题

基于麦克斯韦方程组建立电磁耦合模型，揭示旁瓣效应的产生机理：当天线与应答器存在偏移时，电磁场分布出现旁瓣，导致车载设备误接收旁瓣信号，引发定位偏差。实验表明，当横向偏移超过 300mm 时，旁瓣信号强度可达主瓣的 40% ，严重干扰正常通信。

3 BTS 现存问题与优化需求

3.1 报文丢失与定位精度不足

在 400km/h 的高速运行场景下，现有应答器传输系统（BTS）报文丢失问题严重，且报文丢失率随速度提升呈指数增长，严重威胁列车运行安全与稳定，定位精度也大打折扣，原因主要有三。

其一，动态响应延迟。高速运行时，车载天线与应答器相对运动速度极快，电磁耦合需要一定时间完成能量与信息交互，但过快的相对速度使这一时间窗口大幅缩短，车载天线还未充分激活应答器，或应答器返回信号未被完整接收，列车就已驶离，导致报文丢失。

其二，多径干扰。高速铁路沿线的钢轨、接触网等金属结构会反射电磁波，形成多径效应。这使得接收信号的幅度、相位和时延变得复杂，信噪比显著降低，车载设备难以从混合信号中准确提取有效报文，增加了报文丢失的可能性。

其三，旁瓣误触发。车载天线发射和接收电磁波时会产生旁瓣信号，当列车与应答器有偏移，旁瓣信号强度超过阈值，BTM 会误判为有效报文，引发数据冲突，进而影响列车定位精度。

3.2 信道容量瓶颈

传统 BTS 系统采用单信道 FSK 模式，仅支持固定格式报文传输，每帧数据容量固定为 。随着智能铁路发展，列车健康监测、轨道状态感知等增量信息需实时传输，现有信道容量远远无法满足，成为智能铁路发展的阻碍。

4. 优化技术与工程方案

4.1 双信道扩容技术

为突破现有 BTS 系统信道容量瓶颈，提出双信道传输模型。在保留传统 FSK 信道的基础上，新增 PSK（相移键控）信道，并运用频分复用技术实现两个信道的并行传输。通过大量仿真实验发现，PSK 信道具有显著优势，其误码率相较于 FSK 降低了 60% ，有效数据容量扩充至 2048bit/帧，大幅提升了数据传输效率。同时，双信道采用纠错编码与交织技术，增强了抗干扰能力。在信噪比为 5 dB 的条件下，报文接收成功率高达99.99%_⨀ 。

为进一步验证该技术的实际效果，在京沪高铁试验段部署了双信道应答器。在 400km/h 的高速运行场景下，系统连续运行 1000km 未出现报文丢失情况，且数据传输延迟低于 10ms ，充分证明了双信道扩容技术的可靠性和高效性。

4.2 旁瓣抑制与定位优化

针对旁瓣误触发导致的报文丢失和定位偏差问题，设计了“ 8^′′ 字形车载天线。通过精心调整天线线圈匝数比，使主瓣与旁瓣的强度比达到 3:1，有效抑制了旁瓣信号强度。实验数据显示，该设计显著提升了系统的横向偏移容忍度。当偏移量达到 500mm 时，旁瓣信号强度降至主瓣的 15% ，定位误差从原来的± 500mm 缩小至± 150mm

此外，在实验室静态条件下模拟动态场景，利用上行链路动态模式信号模型，对系统在 200AA-500km/h 速度范围内的定位稳定性进行了验证。结果表明，系统在该速度区间内能够保持稳定的定位精度，为高速铁路的安全运行提供了有力保障。

4.3 工程安装优化方案

为解决多径干扰问题，提出了应答器安装高度与角度的优化准则。在安装高度方面，将应答器中心距轨面高度从 200mm 提升至 250mm ，有效减少了钢轨反射对信号的干扰。在安装角度上，通过电磁仿真确定了最佳安装倾角为 ± 2° ，使主瓣方向与车载天线运动轨迹重合。

现场测试结果显示，经过优化安装后，系统信噪比提升了 8 dB，报文接收成功率从 92% 大幅提高至 98.5% ，显著提升了系统的性能和可靠性。

结束语：

本文针对高速铁路 BTS 系统存在的问题，提出了一系列优化方案，并通过理论建模与实验验证，证明了这些方案可显著提升系统可靠性、定位精度及数据传输效率。未来研究可聚焦于量子通信融合和 AI 驱动的自适应优化等方向。

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