способ совмещенной радиосвязи и радионавигации и устройство, его реализующее, для железнодорожного транспорта

Формула изобретения

1. Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающийся в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в паузах между сообщениями в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика, излучают модулированный сигнал в направлении локомотива, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают модулированный сигнал в направлении диспетчерского пункта, принимают и демодулируют его диспетчерским приемником, фиксируют задержку ответного видеоимпульсного навигационного сигнала относительно запросного, по полученной задержке в пропорциональном соотношении определяют дальность локомотива от диспетчерского пункта, являющуюся координатой локомотива на железнодорожной магистрали, а, дифференцируя данную координату, находят скорость поезда, отличающийся тем, что используют в качестве запросного видеоимпульсного навигационного сигнала псевдослучайную последовательность, после модуляции этой последовательностью высокочастотного колебания диспетчерского передатчика на частоте _с преобразуют его по частоте с использованием частоты _г1 первого гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал первой промежуточной частоты _пp1= _c+ _г1, усиливают его по мощности и излучают на частоте ₁= _пр1 в направлении локомотива, излучают в направлении диспетчерского пункта фазоманипулированный сигнал на частоте ₂= _г1, после его приема преобразуют по частоте с использованием частоты _г2= ₁ второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пp2= _г2- ₂= _с, перемножают его с напряжением второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал на частоте первого гетеродина _г1= ₂, демодулируют его с использованием напряжения первого гетеродина, выделяют ответную псевдослучайную последовательность, запросную и ответную псевдослучайные последовательности подвергают корреляционной обработке.

2. Устройство совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащее на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на диспетчерском пункте к входу передатчика подключен одним из выходов видеогенератор, другой выход которого подключен к первому входу измерителя дальности и скорости локомотива, второй вход упомянутого измерителя соединен с выходом приемника, а на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, отличающееся тем, что видеогенератор выполнен в виде генератора псевдослучайной последовательности, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно подключенных к первому выходу генератора псевдослучайной последовательности фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, измеритель дальности и скорости локомотива выполнен в виде последовательно подключенных к второму выходу генератора псевдослучайной последовательности первого буферного запоминающего блока, блока корреляционной обработки, второй вход которого через второй буферный запоминающий блок соединен с выходом фазового детектора, и блока регистрации и анализа.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые способ и устройство относится к области железнодорожной автоматики, телемеханики, связи и могут быть использованы для определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте.

Известны раздельные способы и устройства радиосвязи и радионавигации, в том числе и спутниковые (авт. свид. СССР №1267257; патенты РФ №№2049693, 2108252; Петрович Н.Т. Космическая радиосвязь. М.: Сов. радио, 1977, Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются "Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации и устройство, его реализующее, для железнодорожного транспорта" (патент РФ №2108252, В 61 L 25/02, 1996), которые и выбраны в качестве прототипов.

Указанные технические решения основаны на использовании дуплексного метода радиосвязи. Основное достоинство дуплексного метода радиосвязи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров ретранслятора, устанавливаемого на борту локомотива, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.

В известных способе и устройстве используются простые сигналы, излучаемые и принимаемые на одной частоте, а для автоматического определения параметров движения поезда в качестве измерителя необходимо использовать контроллер, решающий систему двух уравнений: окружности и аппроксимирующего линию магистрали, что связано со значительными погрешностями и низкой помехоустойчивостью.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности определения параметров движения поезда за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией, их корреляционной обработки, передачи и приема на двух частотах.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающемуся в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в паузах между сообщениями в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика, излучают модулированный сигнал в направлении локомотива, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают модулированный сигнал в направлении диспетчерского пункта, принимают и демодулируют его диспетчерским приемником, фиксируют задержку ответного видеоимпульсного навигационного сигнала относительно запросного, по полученной задержке в пропорциональном соотношении определяют дальность локомотива от диспетчерского пункта, являющуюся координатой локомотива на железнодорожной магистрали, а дифференцируя данную координату, находят скорость поезда, используют в качестве запросного видеоимпульсного навигационного сигнала псевдослучайную последовательность, после модуляции этой последовательностью высокочастотного колебания диспетчерского передатчика на частоте _c преобразуют его по частоте с использованием частоты _г1 первого гетеродина, выделяют фазоманипулирующий сигнал первой промежуточной частоты _пр1= _с+ _г1, усиливают его по мощности и излучают на частоте ₁= _пр1 в направлении локомотива, излучают в направлении диспетчерского пункта фазоманипулированный сигнал на частоте ₂= _г1, после его приема преобразуют по частоте с использованием частоты _г2= ₁ второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2= _г2- ₂= _с, перемножают его с напряжением второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал на частоте _г1= ₂ первого гетеродина, демодулируют его с использованием напряжения первого гетеродина, выделяют ответную псевдослучайную последовательность, запросную и ответную псевдослучайные последовательности подвергают корреляционной обработке.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащем на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на диспетчерском пункте к входу передатчика подключен одним из выходов видеогенератора, другой выход которого подключен к первому входу измерителя дальности и скорости локомотива, второй вход упомянутого измерителя соединен с выходом приемника, а на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, видеогенератор выполнен в виде генератора псевдослучайной последовательности, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно подключенных к первому выходу генератора псевдослучайной последовательности фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, измеритель дальности и скорости локомотива выполнен в виде последовательно подключенных к второму выходу генератора псевдослучайной последовательности первого буферного запоминающего блока и блока корреляционной обработки, второй вход которого через второй буферный запоминающий блок соединен с выходом фазового детектора, и блок регистрации и анализа.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Возможная осциллограмма на экране электронно-лучевого индикатора показана на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемых способа и устройства, изображены на фиг.4. Частотная диаграмма, поясняющая преобразования сигналов по частоте, показана на фиг.3.

Устройство содержит диспетчерский пункт 1 и локомотив 10. Диспетчерский пункт 1 содержит последовательно подключенные к первому выходу генератора 2 псевдослучайной последовательности фазовый манипулятор 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 высокой частоты, первый смеситель 6, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 5, усилитель 7 первой промежуточной частоты, первый усилитель 8 мощности и передающую антенну 9, последовательно включенные приемную антенну 16, второй усилитель 17 мощности, второй смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 18, усилитель 20 второй промежуточной частоты, перемножитель 21, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, полосовой фильтр 22, фазовый детектор 23, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 5, второй буферный запоминающий блок 25, блок 26 корреляционной обработки, второй вход которого через первый буферный запоминающий блок 24 соединен с вторым выходом генератора 2 псевдослучайной последовательности, и блок 27 регистрации и анализа.

Генератор 3 высокой частоты, фазовый манипулятор 4, гетеродин 5, смеситель 6, усилитель 7 первой промежуточной частоты, усилитель 8 мощности и передающая антенна 9 образуют передатчик диспетчерского пункта.

Приемная антенна 16, усилитель 17 мощности, гетеродин 18, смеситель 19, усилитель 20 второй промежуточной частоты, перемножитель 21, полосовой фольтр 22 и фазовый детектор 23 образуют приемник диспетчерского пункта.

Буферные запоминающие блоки 24 и 25, блок 26 корреляционной обработки, блок 27 регистрации и анализа образуют измеритель дальности до локомотива и его скорости.

Бортовая аппаратура локомотива 10 содержит последовательно включенные приемную антенну 11, приемник 12, переключатель 13, передатчик 14 и передающую антенну 15.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

На диспетчерском пункте 1 от генератора 2 псевдослучайной последовательности вводится модулирующий код M(t) (фиг.4, б) в передатчик в отрезки времени, когда не передаются сообщения. Данный код поступает на первый вход фазового манипулятора 4, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 3 (фиг.4, а)

U_c(t)= _с*Cos( _ct+ _c), 0 t T_c,

где _c, _c, _c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 4 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, в)

U₁(t)= _c*Cos[ _ct+ _k(t)+ _c], 0 t T_c,

где _k(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.4, б), причем _k(t)=Const при k* _э<t<(к+1)* _Э и может изменяться скачком при t=k* _Э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,...,N-1);

_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=N* _э),

который поступает на первый вход смесителя 6, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 5

U_г1(t)= _г1*Cos( _г1t+ _г1).

На выходе смесителя 6 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 7 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.4, г)

U _пр1(t)= _пр1*Cos[ _пр1t+ _k(t)+ _пр1], 0 t Т_с,

где _пр1= K₁* _c* _г1;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

_пр1= _с+ _г1 - первая промежуточная частота (фиг.3);

_пр1= _с+ _г1.

Это напряжение представляет собой ФМн-сигнал на первой промежуточной частоте _пр1 и после усиления в усилителе 8 мощности излучается передающей антенной 9 в направлении локомотива 10, где его принимает приемник 12. В режиме навигационных измерений, например для диспетчерского контроля, переключатель 13 на борту локомотива замыкается, в результате чего модулирующий код M(t) поступает на локомотивный передатчик 14 и после модуляции по высокой частоте излучается передающей антенной 15 в направлении диспетчерского пункта 1 на частоте ₂= _г1 (фиг.3).

Приемной антенной 16 диспетчерского пункта принимается ФМн-сигнал (фиг.4, д)

U₂(t)= ₂*Cos[ ₂(t- )+ _k(t- )+ ₂], 0 t T_c,

который через усилитель 17 мощности поступает на первый вход смесителя 19, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18

U_г2(t)= _г2*Cos( _г2t+ _г2).

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, е)

U _пр2(t)= _пр2*Cos[ _пр2(t- )+ _k(t- )+ _пр2], 0 t T_c,

где _пр2= K₁* ₂* _г2;

_пp2= _г2- ₂ - вторая промежуточная частота;

_пр2= _г2- ₂.

Это напряжение представляет собой ФМн-сигнал на второй промежуточной частоте и поступает на первый вход перемножителя 21, на второй вход которого подается напряжение U_г2 (t) второго гетеродина 18. На выходе перемножителя 21 образуется напряжение (фиг.4, ж)

U₃(t)= ₃*Cos[ ₂t- _k(t- )+ ₂+ ₀], 0 t T_c,

где ₃= K₂* _пр2* _г2;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя;

₂= _г1,

которое представляет собой ФМн-сигнал на частоте _г1 первого гетеродина 5. Это напряжение поступает на первый вход фазового детектора 23, на второй вход которого подается напряжение U_г1(t) первого гетеродина 5. На выходе фазового детектора образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, з)

U_н(t)= _н*Cos[ _k(t- )+ ₀], 0 t T_c,

где ₃= K₃* ₃* _г1;

K₂ - коэффициент передачи фазового детектора,

которое представляет собой аналог модулирующего кода M(t) (фиг.4, б), задержанный на время .

Модулирующий код M(t) (фиг.4, б) и его аналог U _н(t) (фиг.4, з) запоминаются в буферных блоках 24 и 25 соответственно, а затем поступают на два входа блока 26 корреляционной обработки, где определяется время задержки ретранслированного приемопередатчиком локомотива ответного сигнала и соответствующая ей частота интерференции F, которая определяет производную этой задержки

где

Измеренные значения и поступают в блок 27 регистрации и анализа.

Если в качестве измерителя дальности от диспетчерского пункта до локомотива и скорости последнего используется электронно-лучевой индикатор секторного или кругового обзора, то вследствие задержки ретранслированного приемопередатчиком локомотива ответного сигнала на время на экране такого индикатора вычерчивается развертываемым лучом дуга (фиг.2), радиус которой в определенном масштабе отображает дальность от диспетчерского пункта до локомотива, равную

d=c* /2,

где с - скорость распространения радиоволн.

Если на экран нанести в том же масштабе линию магистрали, которой движется поезд, то пересечение этой линии с указанной выше дугой даст координату поезда, а его скорость можно определить как разность двух его координат в единицу времени.

Для автоматизации определения параметров движения поезда в качестве измерителя можно использовать контроллер, решающий систему двух уравнений: окружности и апроксимирующего линию магистрали:

где (х, y) - координаты поезда;

(x ₀, y₀) - координаты диспетчерского пункта (центр окружности);

t - текущее время.

При наличии в линии связи промежуточного ретранслятора, например спутникового, определяется расстояние от него до локомотива. В этом случае также необходимо решать систему двух уравнений, подобную предыдущей, но первое из этих уравнений в трехмерном пространстве должно быть уравнением сферы:

Скорость поезда (локомотива) определяется путем дифференцирования в контроллере текущей координаты локомотива.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности определения параметров движения поезда. Это достигается за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией, их корреляционной обработки, передачи и приема на двух частотах.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью. Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.

Псевдослучайные последовательности имеют корреляционную функцию, обладающую хорошими свойствами: она имеет один главный лепесток, значительной величины, и низкий уровень боковых лепестков. Это обстоятельство позволяет с высокой точностью измерять временную задержку , а следовательно, и дальность от диспетчерского пункта до локомотива.