本发明涉及轨道交通，具体涉及一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法。
背景技术：
1、列车运行控制系统是高速铁路运行的“大脑和中枢神经”，而应答器是列车运行控制系统实现列车位置校正的关键基础设备，用于向运行列车传输绝对位置信息、临时限速信息、线路基本参数等安全控车信息。近年来，应答器被用于为列车安全运行提供准确的位置信息，在基于应答器的列控系统中发挥着不可或缺的作用。应答器作为列车运行授权的信息源，其面临的关键问题和挑战是应答器的性能通常是动态变化的，这是由多种非平稳因素共同影响造成的。应答器的性能预测、分析和测试一直是基于应答器的列控系统中使用的应答器传输系统的重要课题。
2、为此，如何建立有效模型，精准反应应答器场路耦合效应及能量与信息传输过程，全面刻画应答器自身性能，并在此基础上体现应答器物理器件性能劣化行为。同时，由于技术和商业保密等原因，无法准确获得不同厂家应答器的物理结构与电路模型。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，用于解决以上问题。
2、本发明的技术方案是：一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，包括：s1，构建应答器磁场-电路模型的框架结构，用于准确量化应答器的能量和信息传输过程，实现对内部物理功能和外部接口的应答器的性能进行量化；s2，构建应答器能量和信息传输所采用的磁场模型，用于分析应答器与其他磁场源之间的相互作用和干扰；s3，构建应答器物理系统的等效电路模型，用于分析与优化应答器的电路设计；其中，应答器物理系统的等效电路模型包括：应答器能量接收的电路模型及应答器信息发送的电路模型；s4，应答器性能分析，包括应答器能量与信息传输的磁场分析和电路分析；包括非恒定能量传输下应答器性能分析、非恒定信息传输下应答器性能分析。
3、优选地，s1包括：步骤s11，构建应答器场路耦合关系；应答器的场路耦合过程为电磁感应式能量与信息传输，且电磁机构是实现场路耦合过程的关键组件，通过对电磁机构互感原理的分析来实现对应答器场路耦合关系的分析；应答器多采用双耦合通道，分别设计能量与信息传感的电磁机构，以实现能量与信息的独立传输，减少磁场耦合通道间的干扰；
4、由于应答器能量与信息传输链路中的电磁机构采用矩形天线设计，根据其天线尺寸、波长及工作距离的分析可知，应答器能量与信息传输天线是一种工作于近场区的电小天线，且应答器下行链路能量传输过程与上行链路信息传输过程均可被视为近场电磁感应耦合过程；为了保证天线处于谐振频率点工作，需要对发送与接收天线进行阻抗匹配电路设计，以保证各天线均处于纯阻性状态来实现无线能量或信息传输功率与效率最大化，应答器能量与信息传输的结构包括：能量或信息发送天线的输入电压uab，能量或信息接收天线通过阻抗匹配网络后的感应输出电压uab，发送天线与接收天线的阻抗匹配网络m1与m2；不分析阻抗匹配网络的电路结构，仅对端子间的矩形天线近场电磁感应耦合过程进行建模分析；
5、构建矩形天线近场电磁感应耦合过程的松耦合变压器互感模型，其中，松耦合变压器的原边为能量或信息发送天线，而其副边为能量或信息接收天线；松耦合变压器原边的输入电压和电流为u1、i1，松耦合变压器副边的输出电压和电流为u2、i2，松耦合变压器原边和副边线圈自感为lp和ls，松耦合变压器的互感m，松耦合变压器原边和副边的互感电压为-jω0mi2和jω0mi1；
6、根据基尔霍夫电压(kvl)和基尔霍夫电流定律(kcl)可知，互感模型中端口电压和电流之间的关系为：
7、
8、式中j为虚数单位，ω0为天线工作的角频率；
9、通过松耦合变压器的互感模型，将矩形天线近场电磁感应耦合过程近似为电路互感过程，实现电磁机构的磁场模型向电场模型转变；
10、对应答器不同电磁机构的场路耦合关键参数进行分析；具体为：应答器的电磁机构包括下行射频能量接收天线与上行信息发送天线，分别涉及下行链路能量传输过程以及上行链路信息传输过程；针对应答器下行链路能量传输过程，选择松耦合变压器副边互感电压作为应答器内部物理电路的输入参数，即下行链路能量磁场的输出参数；针对应答器上行链路信息传输过程，选择松耦合变压器原边输入电流作为应答器内部物理电路的输出参数，即上行链路信息磁场的输入参数；应答器场路耦合关系中，下行传输链路发送天线电流和接收天线感应电压为i(t)和uant；上行传输链路发送天线电流和接收天线感应电压为il和u(t)；
11、关注能量与信息传输链路构成的电磁场与应答器电路间的耦合关系，不考虑车载天线电路结构，为评估应答器场路耦合模型的正确性，选取车载天线中能量发送天线电流i(t)与信息接收天线电压u(t)作为关键输入输出参数进行分析；
12、步骤s12，构建应答器场路耦合模型；具体为：分析应答器内部物理电路结构时，关注射频能量接收电路以及信息发送电路；其中能量接收电路是应答器内部物理电路的前端，负责有效提取射频能量接收天线处的可用功率，并将其传送至后级的电路；应答器工作电路后端的信息发送电路负责读取报文数据，并通过其谐振电路与信息发送天线将调制信号发送至列车，进而建立与车载天线单元的上行链路；
13、为了实现上述电路功能，应答器的内部物理电路包括多个不同的电路模块组成；对应答器不同功能模块的电路结构进行分析，进而构建出对应功能模块的等效电路模型，以实现对应答器内部自身功能状态的表征；
14、根据应答器自身物理功能结构以及场路耦合过程中电磁场与电路间关键耦合参数的关系，搭建应答器场路耦合模型；包括：通过下行链路磁场模型计算应答器能量接收天线的感应电压uant，感应电压uant不仅与车载天线能量发送天线电流i(t)相关，而且与下行链路动态互感mdown也相关；通过能量接收电路模型将应答器能量接收天线的感应电压uant转化为后级电路的工作电压url；通过信息发送电路模型来获得应答器信息发送天线电流il；通过上行链路磁场模型计算车载天线接收到的应答器发送信息的感应电压u(t)；其中，通过能量接收电路模型和通过信息发送电路模型的输出参数均与模型自身物理电路的阻抗参数相关。
15、优选地，s2中，选用基于电磁场理论直接解析法来构建动态传输链路磁场模型；根据毕奥·萨伐尔定律可知，当稳定电流连续流过一条导线时会产生磁场，而载流导线任何一部分的电流元在空间某点p上产生的磁场可用下式表示：
16、
17、式中，μ0为真空磁导率，为载流导线的电流元，i为载流导线流过的稳定电流，为载流导线电流元指向空间p点的单位向量，r为载流导线电流元与空间p点的距离；
18、假如载流导线为长直导线且其长度为l，则根据式(2)可计算载流长直导线磁场为：
19、
20、式中，θ为电流元指向的向量方向与向量间的夹角。
21、针对式(3)的化简方式有两种：其一，将式中dl与r转换为sinθ或cosθ与r0间的函数关系，r0为空间p点与载流导线间的垂直距离；其二，将式中sinθ分解为r与r0间的函数关系；
22、应答器车载天线的射频能量发送天线中流过不断变化的电流，进而产生不断变化的磁场；当应答器放置在该区域时，会产生感应电压；同时在列车通过应答器时，感应电压会随列车的移动而动态变化；为了分析应答器下行链路动态能量传输过程，搭建应答器下行链路能量动态传输过程的感应耦合简化模型，具体为：
23、应答器的中心是坐标原点o，建立了一个三维笛卡尔坐标系o-xyz，该坐标系以平行于应答器射频能量接收天线ef侧和eh侧的方向为x轴和y轴，以垂直于应答器射频能量接收天线的方向为z轴；x轴的正方向为列车的前进方向；假定车载天线与应答器射频能量接收天线平行，车载天线中心点o1的坐标为(x′,0,h)；两个矩形天线之间的相对高度为h，在列车通过应答器期间保持不变；假定流过车载天线的电流为i(t)，其可表示为：
24、i(t)＝i0·cos(2πf0t+φ0) (4)
25、式中，i0为车载天线电流的振幅，f0、φ0分别为射频能量信号的频率和初始相位；
26、设p0(x,y,h)为点p(x,y,0)在平面abcd上的投影，p1为p0至ab边的垂足；而点q1(x1,y1)、q2(x2,y2)、q3(x3,y3)、q4(x4,y4)分别为ab边、cd边、bc边、ad边上的任意一点；则可由毕奥·萨伐尔定律分别计算ab、bc、cd、da四个边在任意点p(x,y,0)的磁感应强度的z轴分量之和bz(x,y)的数学模型，具体为：
27、bz(x,y)＝k(la,lb,μ0,h,x',x,y)·i(t),
28、
29、式中，μ0为真空磁导率，la为车载天线射频能量发送天线ab边与cd边尺寸的一半，即ab＝cd＝2la，lb为车载天线射频能量发送天线bc边与da边尺寸的一半，即bc＝da＝2lb；
30、在自由空间中，不考虑环境因素情况下，通过应答器射频能量接收天线的射频磁通量φz(x',y)可表示为：
31、
32、式中，m为车载天线射频能量发送天线和应答器射频能量接收天线间的互感，lc为应答器射频能量接收天线ef边与gh边尺寸的一半，即ef＝gh＝2lc，lb为应答器射频能量接收天线fg边与he边尺寸的一半，即fg＝he＝2ld；
33、能够引起接收天线闭合回路中磁通量变化的因素有两个，即：
34、(1)车载天线射频发送天线中流过的时变电流，产生感应电动势εemi(x',t)；
35、(2)列车运行造成的发送天线与接收天线相对移动，产生动生电动势εm(x',t)；
36、根据上述分析可知，应答器射频能量接收天线感应电压可表示为：
37、ubiv(x',t)＝(εemi(x',t)+εm(x',t))·q (7)
38、式中，q为应答器射频能量接收天线的品质因数；
39、根据法拉第电磁感应定律和式(7)可知，感应电动势表示为：
40、
41、针对动生电动势的计算，仅需考虑fg边和he边切割磁感线的过程，且可以表示为两边动生电动势之差，即
42、εm(x',t)＝bfglfgv-bhelhev＝(bfg-bhe)·2ldv (9)
43、式中，v为列车运行速度，bfg、bhe分别为通过fg边与he边的磁通量，由于fg边和he边处于近似相同的磁场环境，两者差值近似为零。因此，应答器射频能量接收天线感应电压可以忽略动生电动势，式(8)可近以表达为：
44、ubiv(x',t)＝2πf0·i0·sin(2πf0t+φ0)·m(la,lb,lc,ld,μ0,h,x')·q (10)
45、此处，定义：
46、abiv(la,lb,lc,ld,f0,q,μ0,h,x')＝2πf0·m(la,lb,lc,ld,μ0,h,x')·q (11)
47、则式(10)可改写为：
48、ubiv(x',t)＝abiv(la,lb,lc,ld,f0,q,μ0h,x')·i0·sin(2πf0t+φ0) (12)
49、至此，可得出应答器射频能量接收天线感应电压与车载天线射频发送天线电流间的定量关系，即下行链路射频能量传输过程的输入参数与输出参数间的数学表达式；同理，上行链路信息传输过程的输入参数与输出参数之间的数学表达式，也可基于上述电磁场理论推导过程而得出；通过上述分析，即可完成对应答器动态工作过程中下行链路能量传输和上行链路信息传输两个工作过程磁场模型的搭建。
50、优选地，s3中，应答器能量接收的电路模型包括以下两个模块：
51、能量接收电路组成结构分析；具体为：应答器射频能量接收电路包括天线、阻抗匹配、整流电路、滤波电路、稳压电路与负载电路；
52、能量接收等效电路仿真模型；具体为：天线由戴维南等效电压源uant与天线等效电感lant串联而成；阻抗匹配采用串行匹配网络，由电感lz1、电容cz1与cz2构成。二极管d1～d4构成了桥式整流电路，滤波电感lfs1、滤波电容cfp1与cfp2共同构成了π形clc滤波电路。ldo1与ldo2为成品线性稳压器，ldo1通过并联电容crp1与电阻rrp1输出稳定电压，ldo2通过并联电容crp2与电阻rrp2输出稳定电压，负载电阻rload1与rload2为电路模型中未考虑的其他等效负载电路。ldo5v与ldo3v可为后级信息发送电路提供输入电压。uab是能量接收天线感应电压源经过阻抗匹配网络后获得的电压值，也是应答器整流电路的输入电压。
53、天线与阻抗匹配网络是基于应答器测试参考环设计，因此能够在低频和高频两个频带内调谐，在高频时cz1的阻抗可忽略，在低频时cz2的阻抗可忽略。由此给出高频谐振频率等式如下：
54、
55、其中，cz2可由下式确定：
56、
57、其中，整流电路、滤波电路、线性稳压器与负载电路用等效交流电阻re替换，rl可以表示为：
58、
59、式中，rl代表线性稳压器与负载电路的等效电阻值。
60、由此可知，能量接收天线感应电压uant与整流电路输入电压uab的关系式如下：
61、
62、式中，zlc为天线与阻抗匹配网络中的电感与电容元件构成的阻抗值，表示为：
63、
64、公式(15)中，等效交流电阻re消耗的功率pre可表示为：
65、
66、式中，uab为整流电路输入电压uab的有效值。
67、等效交流电阻re消耗的功率是由rl实际消耗的，因此，线性稳压器输入电压url可由下式计算获得：
68、
69、式中，uant为能量接收天线感应电压uant的有效值。
70、根据公式(19)，线性稳压器输入电压不仅取决于能量接收天线感应电压，还与阻抗匹配网络、能量转换电路以及负载电路相关，后续可以通过搭建场路耦合模型，对应答器能量传输过程进行仿真分析。
71、优选地，s3中，应答器信息发送的电路模型包括以下两个模块：
72、信息发送电路组成结构分析；具体为：应答器发送的上行链路信息信号为双频fsk信号，应答器信息发送电路属于fsk射频发射电路；根据fsk产生方式的不同，应答器信息发送电路可分为以下两类：
73、(1)dds+功率放大器：dds+功率放大器的fsk信息发送方案，通过各类微处理器控制dds芯片以相位连续或相位相干方式产生频率和/或相位切换的fsk信号，再通过各类放大器实现信号的放大；e类宽带fsk调制功率放大器，通过数据发送端data高低电平的变化，来控制数据选择器mux和晶体管m2、m3实现对两种载频的选择与调谐；当data变为低电平时，晶体管m2、m3关闭，此时，cp2、ct2与e类放大器网络断开，mux门将f2时钟控制信号送至晶体管m1；当data变为高电平时，晶体管m2、m3被打开，此时，cp2、ct2与e类放大器网络接通，mux门将f1时钟控制信号送至晶体管m1；
74、(2)vco：vco作为无线通信系统的核心组成部分，可用于时钟或载波信号的产生；采用电感电容压控振荡器(lc-vco)作为无线通信系统射频发送器，lc-vco振荡器包括lc谐振电路、交叉耦合对和偏置电路；lc谐振电路包括电感器(l1、l2)、可变电容(c1、c2)以及交叉耦合对晶体管漏极上的寄生电容；晶体管m1和m2组成了交叉耦合对，晶体管m3构成了偏置电路；lc谐振电路与交叉耦合对用来产生负电阻，以补偿lc谐振电路的电阻损耗；晶体管m1和m2的栅源直流输入电压与漏源直流输入电压相；
75、电压vb可用于提供恒定尾电流的偏置电流控制；基于经典差分lc-vco的电路拓扑，通过调整其lc谐振电路的电感值或电容值来实现对lc-vco振荡频率的调谐，进而构成双谐振振荡器来产生fsk信号；
76、信息发送等效电路仿真模型；基于lc-vco的电路拓扑对应答器信息发送电路进行建模，构建信息发送电路等效仿真模型，具体为：
77、应答器双频信息发送电路使用lc谐振电路和交叉耦合对(q1，q2)来产生负电阻，以补偿lc谐振电路的电阻损耗；在lc谐振电路中，应答器的4.234mhz发射天线和匹配电路等效于电感器(l1，l2)和电容器(c8～c9)；lc谐振电路由电感器(l1，l2)、电容器(c5～c9)和双极结型快速切换晶体管(bjt)(q3，q4)组成；在交叉耦合电路中，电容器(c3，c4)是直流阻断电容器，电阻器(r1，r2，r3)用于交叉耦合对(q1，q2)的直流偏置；在瞬态启动过程中，c1和c2充电至高压；当振荡电路启动后，q1和q2周期性接通；
78、偏置电压vdd为电源电压，偏置电压ven为交叉耦合电路的使能电压，由应答器能量收集电路的整流器输出；开关电压vsig是bjt(q3，q4)的控制电压，由微处理器单元(mpu)读取应答器存储的固定电报后产生；bjt(q3，q4)改变lc谐振电路中电容的数量，然后切换振荡频率以产生fsk双频振荡信号；
79、作为开关电容双频lc-vco，应答器的双频振荡输出频率表示为：
80、
81、式中，lt和cpar分别表示lc谐振电路中信息发送天线与匹配电路的电感与电容值；con和coff分别表示bjt(q3，q4)开启和关闭时交叉耦合电路的并联电容；ccouple为交叉耦合电路并入谐振回路中的电容，则有：
82、lt＝l1+l2 (21)
83、cpar＝c8//c9 (22)
84、con＝c5//c6 (23)
85、coff＝c5//c6//c7 (24)
86、ccouple＝c3//(c2+cq2_bc+cq2_be)或ccouple＝c4//(c1+cq1_bc+cq1_be) (25)
87、其中，运算符“//”表示电容的串联计算，cq1_bc、cq1_be、cq2_bc和cq2_be分别是晶体管(q1，q2)的基极至集电极电容、基极至发射极电容；
88、应答器信息发送天线的输出电流可通过以下等式获得：
89、
90、式中，vn和vp是晶体管(q1，q2)集电极电压；
91、当vn和vp起始时间与vdd一致时，可用下式进行近似表达：
92、vn≈vdd+a·sin(2πf1,2t)(27)
93、vp≈vdd-a·sin(2πf1,2t)(28)
94、式中，当lc谐振电路作为理想电路分析不考虑电感器(l1，l2)串联电阻时，a≈vdd；
95、因此，应答器信息发送电路的电源电压(vdd)和振荡频率(f1,2)的变化会影响应答器信息发送天线的输出电流il1，且vdd越高il1越大，f1,2越高il1越小；在分析应答器信息发送电路输出时，也需同步考虑应答器能量接收电路的输出结果。
96、优选地，s4中，应答器能量与信息传输的性能分析包括动态工作应答器传输性能特征提取、非恒定能量传输下应答器性能分析、非恒定信息传输下应答器性能分析；其中，
97、动态工作应答器传输性能特征提取；具体包括：应答器动态能量传输性能特征提取和应答器动态信息传输性能特征提取；其中，应答器动态能量传输性能特征提取包括应答器接收到的下行链路磁通量abiv，应答器从达到工作电压到信息发送电路发送调制数据的时间tbal，应答器启动一段时间后输出信号的应答器中心频率f0和应答器频率偏移fdev；应答器动态信息传输性能特征提取包括感应电压中心频率(fc)，频率偏移(fd)，平均传输速率(mtr)，信号带宽(bw)，以及大于btm接收电压门限uth的感应电压包络的信号幅值(amp)，信号功率(pw)，误码率(ber)，总比特数(sbit)，动态作用时间(det)，动态作用距离(ded)，最大值(emax)，最小值(emin)，极差(er)，均值(em)，方差(evar)，标准差(estd)，峰度(ekt)和偏度(esk)。
98、优选地，s4中，非恒定能量传输下应答器性能分析；具体包括：不同相对位置分析，不同列车速度分析，不同空间杂质分析；可以获知：非恒定能量传输过程与应答器能量感应电压存在强相关性，但限幅策略可以降低不确定性输入对应答器能量感应电压和输出性能的影响，为应答器提供更稳定的工作电压；当选择合适的限幅值时，其对应答器后级输出的频率与时间特性的影响保持恒定，保障了应答器工作性能的稳定性；当应答器处于稳态工作时，可以忽略非恒定能量传输对应答器输入输出性能的影响，而btm接收电压门限uth的设置，可以保证btm采集与分析的应答器输出信息为其稳态工作输出。
99、优选地，s4中，非恒定信息传输下应答器性能分析；具体包括：只考虑列车运行速度的影响；关注车地相对高度下的传输性能变化；只考虑高斯噪声的影响；只考虑阻尼噪声的影响；列车运行速度、相对距离对信息感应电压的中心频率、频率偏移、平均传输速率和信号带宽等涉及频率特性的特征影响不大；现有测试条件下，两种噪声对信息感应电压的中心频率、频率偏移无影响，对平均传输速率影响不大，而阻尼振荡噪声对信号带宽略有影响；列车运行速度通过影响动态作用时间而影响总比特数和误码率，相对距离、高斯噪声和阻尼振荡噪声对时域特征影响较多；当噪声幅值较大时，除对特征有影响外，更会造成译码不成功现象，最终导致丢失应答器的失效情况出现；将表征应答器信息感应电压动态波动性的18个特征分为三类：(1)具有强制性区间要求的特征，包括：中心频率(fc)、频率偏移(fd)和平均传输速率(mtr)；(2)反映设备功能可用性的特征，包括：总比特数(sbit)和误码率(ber)；此类特征会影响btm正确译码，与应答器传输系统的实时可用性直接相关，可通过应答器传输系统的可用性来间接表征应答器的健康程度；(3)无测试标准的其他状态特征，包括：信号带宽(bw)、信号幅值(amp)、信号功率(pw)、动态作用时间(det)、动态作用距离(ded)、最大值(emax)、最小值(emin)、极差(er)、均值(em)、方差(evar)、标准差(estd)、峰度(ekt)和偏度(esk)；此类特征除信号带宽具有单向约束标准外，均未在应答器技术条件与测试规范中有明确约定，但又与应答器自身性能及动态工作条件密切相关，可结合信号带宽及相关特征偏离健康状态的情况来对应答器健康状态进行分析。
100、本发明的有益效果在于：
101、(1)形成一套完整的基于铁路应答器场路耦合模型的应答器性能及功能测试方案，以铁路应答器场路耦合关系为出发点，探究信息及能量传输过程。(2)为充分挖掘铁路应答器性能及功能优劣，构造应答器能量与信息传输磁场模型，应答器能量接收电路模型及应答器信息发送电路模型，通过模型对其工作过程进行准确全面的仿真。(3)直接适用于现有应答器信息传输系统，不对既有设备提供额外数据记录，可以直接应用于现役应答器的功能及性能检测，对于未来新型设备同样具备适用性。
1.一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s1包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s2中，选用基于电磁场理论直接解析法来构建动态传输链路磁场模型；
4.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s3中，应答器能量接收的电路模型包括以下两个模块：
5.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s3中，应答器信息发送的电路模型包括以下两个模块：
6.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s4中，
7.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s4中，
8.根据权利要求1所述的一种基于铁路应答器功能与性能测试的场路耦合方法，其特征在于，s4中，
