北斗卫星导航系统（简称：北斗系统）是我国重要的空间信息基础设施，具备导航、定位、授时功能，并提供短报文通信服务。北斗系统已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、地理测绘、森林防火、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，产生了巨大的经济和社会效益^[1]。为保障行业应用质量，国内主要行业先后建设了北斗卫星导航产品质量检测机构^[2]。

北斗系统在我国铁路行业已广泛应用于铁路勘察设计、工程建设、运营维护，铁路北斗应用服务平台具备高精度位置服务、短报文通信服务、授时及联网设备管理等功能，为打造智能铁路运输体系提供卫星导航应用基础平台支撑^[3]，在京张高铁、浩吉铁路等国家重大铁路项目中发挥关键作用^[4]。目前，铁路北斗系统应用正逐步深化和拓展，但北斗产品质量良莠不齐，相关的铁路标准体系和产品研发体系还不完善，应用试验体系尚未形成。铁路作为关系国计民生的国家战略性基础产业，亟需建设面向自身应用需求的铁路北斗检测认证实验室（简称：铁路北斗实验室）。为此，借鉴国内其它行业卫星导航应用实验室的建设经验，开展铁路北斗实验室建设方案研究，为铁路北斗应用质量提供基础保障，促进北斗系统与铁路应用的融合。

1   铁路北斗实验室建设目标及原则

1.1   建设目标

铁路北斗实验室建设应立足铁路北斗应用需求，面向轨道交通行业，服务于中国高速铁路走出去战略，能够在4个方面为铁路北斗应用提供基础保障，即铁路北斗应用产品试验测试、铁路北斗应用产品科研支撑、铁路北斗应用系统检测认证、铁路北斗应用成果展示和推广。

（1）系统试验：实现铁路卫星导航典型应用环境仿真，开展铁路北斗应用综合模拟试验，为铁路北斗应用产品提供功能及性能测试，验证功能完整性，评价优化效果；模拟铁路运营环境，支撑铁路北斗应用设备测试及系统综合仿真试验，支持运营线路试点试验、联调联试等。

（2）科研支撑：为轨道交通北斗产品研发和应用技术研究提供软硬件资源，通过开展行业应用试验，支持轨道交通北斗产品研发的项目论证，支持轨道交通北斗产品功能、性能标准与测试方法研究，推进轨道交通北斗应用的深化拓展。

（3）检测认证：通过检测资质认证，获取轨道交通行业北斗产品检测认证资质，为卫星导航产品铁路行业准入提供权威认证服务；开展铁路北斗产品的功能和性能检测，包括接收信号类型、跟踪卫星数、内部噪声水平、接收数据质量、首次定位时间、灵敏度、定位精度及更新率、测速精度及更新率、失锁重捕时间、单向定时精度、天线相位中心一致性等；提供环境试验设备，开展卫星导航定位终端的环境适应性测试。

（4）展示推广：提供铁路北斗应用实验室技术状况展示、成果展示等，促进铁路北斗应用成果推广。

1.2   建设原则

铁路北斗实验室建设可按照开放性、经济性、标准化设计原则，围绕铁路北斗应用需求，面向轨道交通行业，突出可扩展性、可重构能力和可配置能力，可灵活满足多样化测试要求，支持各类卫星信号制式；借鉴已有技术成果和工程经验，采用先进成熟技术，提升平台可靠性；采用模块化、平台化、网络化、自动化设计，提升系统管理水平，满足被测终端在研制、试验及验收等各类测试需求。

2   铁路北斗实验室主要功能及建设内容

铁路北斗实验室应具备系统试验、科研支撑、检测认证和展示推广功能，建设内容主要包括室外试验环境、室内试验环境和应用服务试验平台。其中，室外试验环境提供典型应用试验场景以支持铁路北斗应用系统级试验，室内试验环境提供铁路北斗产品室内试验检测能力，应用服务试验平台为铁路北斗应用服务平台的研发提供软硬件资源。

2.1   室外试验环境

室外试验环境建设包括基准站环境、隧道覆盖增强试验环境及典型应用试验试验环境等。

（1）基准站环境：包括铁路北斗基准站及配套设施设备，输出卫星导航观测数据等信息，支撑铁路北斗高精度位置服务应用测试试验^[5-6]。

（2）隧道覆盖增强试验环境：包括基准单元、中继单元、播发天线等，实现遮蔽区域北斗信号覆盖，支持铁路遮蔽区域导航应用试验^[7]。

（3）基础设施应用试验环境：包括天线、接收机、供电设备、监控设备等，支持铁路路基、桥隧等基础设施形变监测试验^[8]。

（4）作业人员应用试验环境：利用多功能便携终端、北斗短报文终端等^[9]，开展上道作业管理、辅助防护应用、应用试验。

（5）车载应用试验环境：包括车载天线、车载设备等，用于铁路北斗车载应用试验，以及配合其它需要车载系统协同的试验。

（6）基础支撑环境：包括服务器、存储资源、网络设备及测试软件等，实现北斗应用的系统级仿真试验^[10]。

2.2   室内试验环境

铁路北斗室内试验环境包括：模拟信号试验环境、对天静态信号试验环境、接口综合检测试验环境、环境试验环境、电气安全试验环境、辅助测试试验环境、时频检测校准试验环境、无线暗室试验环境、测试处理评估试验环境等。

（1）模拟信号试验环境：利用模拟的卫星信号进行卫星导航功能、性能有线并行自动化检测和计量检定，支持卫星导航模块、终端等入网指标测试^[11]。

（2）对天静态信号试验环境：为整个试验环境提供对天静态卫星导航信号，配合测试评估软件对卫星导航终端产品相关功能、性能进行自动化检测和计量检定^[12]。

（3）接口综合检测试验环境：主要用于对卫星导航产品进行射频接口、信息接口、电气接口等3类接口进行协议测试，具备对铁路北斗应用数据安全性测试、铁路北斗应用服务平台兼容性测试等测试能力。

（4）环境试验环境：可进行卫星导航产品的高低温、沙尘、霉菌、淋雨、盐雾、冲击、振动等环境适应性测试。

（5）电气安全试验环境：主要用于测试北斗导航产品电气安全防护能力，包括抗电强度、绝缘电阻、泄漏电流、电磁辐射抗干扰度等。

（6）无线暗室试验环境：对导航天线、一体机等卫星导航设备的功能、性能进行自动化检测和计量检定，可开展卫星导航抗干扰等性能测试。

（7）时频检测校准试验环境：实现对卫星导航设备时频性能的检测，具备授时、校准等功能；同时，基于卫星共视技术，实现与原子时标国家计量基准UTC（NIM）时间同步精度优于10 ns^[13]。

（8）辅助测试试验环境：用于定期或不定期对整个试验环境相关设备、信号进行功率、频率、场强标校，为试验测试提供必要的测试仪表设备支持，保证试验环境检测的准确性和可靠性。

（9）测试处理评估试验环境：对整个测试环境进行统一集成控制、监视、数据存储与分析处理。

2.3   应用服务试验平台

作为铁路北斗应用服务平台原型的研发试验环境，应用服务试验平台可满足其功能试验、升级换代、研发验证等需求，包括高精度位置服务、短报文通信服务、联网设备管理、运营管理、门户网站及平台管理等功能模块研发的测试试验。

（1）支持该平台高精度位置服务功能研发测试，包括基站管理、运行监控、服务发布、解算配置等。

（2）支持该平台短报文通信服务功能研发测试，运营管理研发测试包括短报文终端单播、组播、通播和服务整体流程，服务功能测试包括位置实时监控、北斗单播/通播/组播通信、位置管理、通信信息管理、报警列表、历史信息查询等。

（3）支持该平台联网设备管理模块研发测试，包括终端位置概览、基准站链路专题图数据分析、基础设施监测专题图数据分析、终端查询列表等功能研发试验环境。

（4）支持该平台运营管理功能模块研发环境，包括短报文运营、高精度服务运营和消息中心。

（5）为该平台系统管理模块提供研发试验环境，支持平台数据维护、门户数据维护研发试验。

3   系统总体结构及网络设计

3.1   系统总体结构

国家铁道试验中心作为国家级科技创新平台，拥有40多个专业实验室。利用国家铁道试验中心的既有科技创新资源，在室内试验环境、室外试验环境、应用服务试验平台3个方面开展铁路北斗实验室的建设，实验室系统总体结构如图1所示。

图  1  铁路北斗检测认证实验室总体结构

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   网络设计

铁路北斗实验室网络结构，如图2所示。实验室环境下可采用无线和有线2种传输方式，将试验数据传输至测试处理评估试验环境。北斗铁路地基增强基准站试验环境、北斗铁路隧道覆盖增强试验环境和固定基础设施监测设备可利用既有光纤链路进行有线数据传输。作业人员手持终端等便携试验设备、车载试验设备通过3G/4G/5G公网链路实现数据上传。考虑试验系统安全性，服务器及存储设备部署于办公网隔离区（DMZ，DeMilitarized Zone），操作终端设备部署于办公网终端接入区，试验设备配置终端密码模块提供数据安全防护；试验数据通过实验室网络安全设备传输至实验室试验系统，由其完成试验数据的处理分析和评估。

图  2  铁路北斗实验室网络结构示意

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.3   虚拟化计算环境设计

铁路北斗实验室主要设备包括服务器、存储、网络安全平台设备等，其中，服务器设备按用途分为应用服务器、存储服务器、数据库服务器、接口服务器等，安全平台设备包括实验室网络安全平台设备与其它系统间的安全设备。为兼顾系统性能、稳定性、可扩展性、安全性要求以及资源利用率，实验室业务应用可采用虚拟化计算环境进行部署，如图3所示。各类服务器采用物理服务器+虚拟化软件配置进行部署，根据业务需求动态创建、释放虚拟化资源池内的各种资源（网络、存储和计算资源等）。

图  3  虚拟化计算环境架构示意

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4   关键技术

（1）铁路北斗产品检测技术^[14]：针对铁路北斗应用行业需求，综合考虑人、机、料、法、环、测等因素，兼顾产品的通用性、专用性、应用复杂性，开发完善的铁路北斗产品检测技术，基于准确、可靠的检测数据，提供科学、公正的产品检测报告。

（2）时间同步技术：综合运用卫星授时、卫星共视、网络时间同步等技术，结合铁路时钟同步应用需求，实现时频检测校准试验环境标准时间溯源，与原子时标国家计量基准UTC（NIM）保持纳秒级时间同步。

（3）网络安全技术：运用入侵检测、漏洞扫描、内外网隔离、数据加密、访问控制、身份认证等技术，增强实验室网络鲁棒性和数据安全性。

5   结束语

铁路北斗实验室是铁路北斗应用基础支撑设施，是确保铁路北斗应用质量的重要保障。面向铁路北斗应用需求，针对铁路行业应用特点，依托铁路既有科技创新资源，综合运用北斗产品检测技术、时间同步技术、网络安全技术、虚拟化技术等，研究铁路北斗实验室建设方案，明确实验室主要功能及建设内容，提出实验室系统总体结构及网络与虚拟化计算环境设计，可为实验室建设任务的实施提供参考。