устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников земли

Формула изобретения

Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли, содержащее установленные на каждом локомотиве приемники передаваемых с искусственных спутников Земли сигналов, выход каждого из которых связан с входом соответствующего из дальномеров, выходами подключенных к входам блока формирования сигналов местоположения поезда путем решения навигационных уравнений, подключенного к выходу рельсового локатора и связанного выходами с входом блока контроля и регулирования скорости движения поезда, входом блока памяти, входом локомотивного дисплея и через цифроаналоговый преобразователь - с входом радиостанции, выполненной с возможностью передачи сигналов через спутник связи на диспетчерский пункт, на котором установлен блок обработки информации, связанный с радиостанцией и дисплеем, отличающееся тем, что каждая радиостанция выполнена в виде последовательно включенных генератора высокочастотных колебаний, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом формирователя дискретных сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом радиостанции, причем радиостанция, установленная на локомотиве, излучает сложный сигнал с фазовой манипуляцией на несущей частоте ₁, а принимает - на несущей частоте ₂, а радиостанция, установленная на диспетчерском пункте, излучает сложный сигнал с фазовой манипуляцией на несущей частоте ₂, а принимает - на несущей частоте ₁.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к устройствам железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.

Известны устройство для управления движением поездов (авт. свид. СССР №1267257; патенты РФ №№2049693, 2092355, 2108252; Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1997 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли" (патент РФ №2092355, В61L 25/02, 1997), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обеспечивает упрощение и существенное удешевление аппаратуры железнодорожной космической системы управления движением поездов при повышении пропускной способности железнодорожных перегонов, повышение уровня безопасности движения и разгрузки каналов спутниковой связи. Локомотивы снабжены рельсовыми локаторами, что позволяет значительно повысить точность определения координат поездов и снизить требования по точности к системе космической навигации путем двуканального построения устройства управления движением поездов, где функцию "грубой" шкалы для диспетчерского контроля выполняет система космической навигации, а функцию "точной" шкалы для безопасного движения - рельсовый локатор.

Технической задачей изобретения является повышение надежности дуплексной связи между диспетчерским пунктом и локомотивами путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и двух частот ₁ и ₂.

Поставленная задача решается тем, что устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли, содержащие установленные на каждом локомотиве приемники передаваемых с искусственных спутников Земли сигналов, выход каждого из которых связан с входом соответствующего из дальномеров, выходами подключенных к входам блока формирователя сигналов местоположения поезда путем решения навигационных уравнений, подключенным к выходам рельсового локатора и связанного выходами с входом блока контроля и регулирования скорости движения поезда, входом блока памяти, входом локомотивного дисплея и через цифроаналоговый преобразователь с входом радиостанции, выполненной с возможностью передачи сигналов через спутник связи на диспетчерский пункт, на котором установлен блок обработки информации, связанный с радиостанцией и дисплеем, каждая радиостанция выполнена в виде последовательно включенных генератора высокочастотных колебаний, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом формирователя дискретных сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом радиостанции, причем радиостанция, установленная на локомотиве излучает сложный сигнал с фазовой манипуляцией на несущей частоте ₁, а принимает - на несущей частоте ₂, а радиостанция, установленная на диспетчерском пункте, излучает сложный сигнал с фазовой манипуляцией на несущей частоте ₂, а принимает - на несущей частоте ₁.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Структурные схемы радиостанций 11 и 15, установленных на локомотиве 2 и диспетчерском пункте 13, представлены на фиг.2 и фиг.3 соответственно. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие работу радиостанций 11 и 15, представлены на фиг.5.

Устройство содержит навигационные искусственные спутниковые Земли (ИСЗ) 1.1-1.3, локомотив 2, приемники 3.1-3.3, дальномеры 4.1-4.3, блок 5 формирования сигналов местоположения поезда, блок 6 памяти, рельсовый локатор 7, блок 8 контроля и регулирования скорости поезда, локомотивный дисплей 9, цифроаналоговый преобразователь 10, локомотивную радиостанцию 11, спутник связи 12, диспетчерский пункт 13, блок 14 обработки информации, радиостанцию 15 диспетчерского пункта и дисплей 16 диспетчерского пункта.

Радиостанция 11 (15) локомотива 2 (диспетчерского пункта 13) содержит последовательно включенные генератор 17.1 (17.2) высокочастотных колебаний, фазовый манипулятор 18.1 (18.2), второй вход которого соединен с выходом формирователя 19.1 (19.2) дискретных сообщений, первый смеситель 20.1 (20.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 21.1 (21.2), усилитель 22.1 (22.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 23.1 (23.2) мощности, дуплексер 24.1 (24.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 25.1 (25.2), второй усилитель 26.1 (26.2) мощности, второй смеситель 27.1 (27.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 28.1 (28.2), усилитель 29.1 (29.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 30.1 (30.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 21.1 (21.2), полосовой фильтр 31.1 (31.2) и фазовый детектор 32.1 (32.2), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 28.1 (28.2), а выход является выходом радиостанции 11 (15).

Устройство работает следующим образом.

Спутники 1.1-1.3 передают опорные сигналы и сигналы о своих эфемеридах, которые принимаются локомотивными приемниками 3.1-3.3, последние выдают опорные сигналы на дальномеры 4.1-4.3 для измерения расстояний от локомотива до навигационных спутников. Эта информация, а также данные об эфемеридах вводятся в блок 5 формирования сигналов местоположения поезда и блок 6 памяти, где предварительно записывается программа решения навигационных уравнений.

Эта задача решается в блоке 5 формирования сигналов местоположения поезда. Рассчитанные таким образом координаты и составляющие вектора скорости поезда подаются на цифроаналоговый преобразователь 10 для передачи на диспетчерский пункт 13. Эта информация поступает на формирователь 19.1 дискретных сообщений, где формируется модулирующий код М₁ (t) (фиг.5, б).

Генератор 17.1 высокочастотных колебаний формирует гармоническое колебание (фиг.5, а)

U_c1 (t)=V_c1cos( _ct+ _c1), 0 t T_c1,

где

V _c1, _c, _c1, T_c1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания;

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 18.1, на второй вход которого подается модулирующий код М ₁(t) (фиг.5, б) с выхода формирователя 19.1 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 18.1 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.5, в)

U ₁(t)=V_c1cos( _ct+ _k1(t)+ _c1), 0 t T_c1,

где

_k1(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовый манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M ₁(t) (фиг.5, б), причем _k1(t)=const при k _э<t<(k+1) _э и может изменяться скачком при t=k _э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,...,N₁);

_э, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c1 (T_c1 =N_{1 э}),

который поступает на первый вход первого смесителя 20.1, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 21.1

U_Г1 (t)=V_Г1cos( _Г1t+ _Г1).

На выходе смесителя 20.1 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилителем 22.1 выделяется напряжение первой (суммарной) частоты

U _np1(t)=V_np1cos( _np1t+ _k1(t)+ _np1),

где

V _np1= K₁V_c1V _Г1, 0 t T_c1;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

_np1= _c+ _Г1 - первая промежуточная частота;

_np1= _c1+ _Г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 23.1 мощности через дуплексер 24.1 излучается приемопередающей антенной 25.1 в эфир на частоте, ₁= _np1 улавливается приемопередающей антенной 25.2 диспетчерского пункта 13 и через усилитель 26.2 мощности поступает на первый вход смесителя 27.2. На второй вход смесителя 27.2 подается напряжение U_Г1 (t) гетеродина 28.2. На выходе смесителя 27.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

U _np2(t)=V_np2cos( _np2t+ _k1(t)+ _np2), 0 t T_c1,

где

_np2= _пр1- _Г1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

_np2= _пр1- _Г1,

которое поступает на первый вход перемножителя 30.2. На второй вход перемножителя 31.2 подается напряжение гетеродина 21.2

U_Г2(t)=V _Г2cos( _Г2t+ _Г2).

На выходе перемножителя 30.2 образуется напряжение (фиг.5, г)

U ₂(t)=V₂cos( _г1t- _k1(t)+ _Г1), 0 t T_c1,

где

V ₂= K₂V_np2V _Г2;

K₂ - коэффициент передачи множителя;

которое выделяется полосовым фильтром 31.2 и поступает на информационный вход фазового детектора 32.2, на опорный вход которого подается напряжение U_Г1 (t) гетеродина 28.2. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.2 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, д)

U_H1(t)=V _H1cos _k1(t), 0 t T_c1,

где

V _H1= K₃V₂V _Г1;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M₁{t) (фиг.5, б).

Это напряжение подается на блок 14 обработки информации, куда таким же образом передается информация со всех локомотивов. В результате ее обработки вырабатываются команды управления движением, которые по обратным каналам спутниковой связи передаются на локомотивы.

С этой целью на диспетчерском пункте 13 генератором 17 высокочастотных колебаний формируется гармоническое колебание (фиг.5, е)

U_c2(t)=V_c2cos( _ct+ _c2), 0 t T_c2,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 18.2, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) (фиг.5, ж) с выхода формирователя 19.2 дискретных сообщений. В качестве модулирующего кода М₂(t) используются команды управления движением локомотива. На выходе фазового манипулятора 18.2 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.5, з)

U₃(t)=V_c2cos( _ct+ _k2(t)+ _c2), 0 t T_c2,

который поступает на первый вход смесителя 20.2, на второй вход которого подается напряжение U_Г2(t) гетеродина 21.2. На выходе смесителя 20.2 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 22.2 выделяется напряжение промежуточной частоты

U _np(t)=V_npcos( _npt+ _k2(t)+ _np2), 0 t T_c2

где

V _np= K₁V_c1V _Г2;

_np= _Г2- _c= ₂= _Г1 - промежуточная частота;

_np= _Г2- _c2.

Это напряжение после усиления в усилителе 23.2 мощности через дуплексер 24.2 излучается приемопередающей антенной 25.2 на частоте ₂ в эфир, улавливается приемопередающей антенной 25.1 и через усилитель 26.1 мощности поступает на первый вход смесителя 27.1. На второй вход смесителя 27.1 подается напряжение U_Г2(t) гетеродина 28.1. На выходе смесителя 27.1 образуются напряжения комбинационных частот, усилителем 29.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

U_np3(t)=V _np3cos[ _np2t+ _k2(t)+ _np3], 0 t T_c2,

где

V _np3= K₁V_npV _Г2;

_np2= _Г2- ₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

_np3= _np- _Г2,

которое поступает на первый вход перемножителя 30.1, на второй вход которого подается напряжение U_Г1 (t) гетеродина 21.1. На выходе перемножителя 30.1 образуется напряжение (фиг.5, и)

U ₄(t)=V₄cos( _Г2t+ _k2(t)+ _Г2), 0 t T_c2,

где

V ₄= K₂V_np3V _Г1;

которое выделяется полосовым фильтром 31.1 и поступает на информационный вход фазового детектора 32.1, на опорный вход которого подается напряжение U_г2 (t) гетеродина 27.1. На выходе фазового детектора 32.1 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, к)

U_H2 (t)=V_H2cos _k2(t), 0 t T_c2,

где

V _H2= K₃V₄V _Г2;

пропорциональное модулирующему коду M ₂(t) (фиг.5, ж).

Это напряжение поступает на исполнительные органы локомотива.

Таким образом, реализуется грубая шкала для диспетчерского контроля.

Точное измерение относительного расстояния и относительной скорости поездов производится рельсовым локатором 7 также с помощью блока 5 формирования сигналов местоположения поезда, где осуществляется операция дифференцирования относительного расстояния. Результаты относительных измерений по точной шкале поступают в блок 8 для контроля и регулирования скорости транспортного средства.

На дисплее 9 локомотива отображаются команды управления и точная шкала данного локомотива, а на дисплее 16 диспетчерского пункта - навигационная информация по грубым шкалам, поступающая от всех локомотивов.

Спутниковые навигационные системы предназначены для определения координат и скоростей любых транспортных средств и строятся таким образом, чтобы в каждой точке Земного шара наблюдалось минимум 3-4 ИСЗ. Эти навигационные спутники излучают опорные сигналы, принимаемые приемниками, расположенными на транспортных средствах. На каждом транспортном средстве размещают также дальномеры, измеряющие расстояния до спутников d _i, где i=1, 2, 3 номер ИСЗ, а также блок 5 формирования сигналов местоположения поезда и блок 6 памяти, с помощью которых решается навигационная задача вычисления координат и скоростей пользователя в геодезической системе координат и путем определения корней системы управлений

где

х_i, y _i, z_i, - координаты и скорости (составляющие ее вектора) навигационных спутников (эфемериды). Они передаются пользователю вместе с опорным сигналом.

Для реализации навигационных измерений с точностью 45 м и 1.6 км/ч в полученные данные нужно вводить поправки на нестабильность частоты опорных сигналов, которые также передаются пользователю и выделяются с помощью специальных дешифраторов на его борту.

Спутниковая система связи состоит из нескольких ИСЗ с бортовыми ретрансляторами и предназначена для обеспечения дуплексной связи блока 5 формирования сигналов местоположения поезда.

Структура, в которой производится решение системы, содержит алгебраические сумматоры, квадратор, дифференциаторы, умножители, компараторы и узел решения систем управлений.

Из приемников 3.1-3.3 поступают эфемериды навигационных спутников х_i, y_i, z _i, дальномеры 4.1-4.3 выдают измеренные значения дальности d_i. Узел решения систем уравнений выдает решения указанных систем уравнений x_i, y_i, z_i, методом итераций (для него команды поступают из блока 6 памяти).

Алгебраические сумматоры определяют разности квадраторы возводят эти разности в квадрат, дифференциаторы вычисляют произведения

Другие алгебраические сумматоры определяют суммы, определяют суммы, стоящие в левых частях уравнений (1) и (2). Компараторы (разновидность алгебраических сумматоров) приравнивают левые и правые части этих уравнений, причем для получения правой части уравнения (2), т.е. используются соответствующие дифференциатор и умножитель. Результаты решения уравнений вводятся в блок памяти, где хранятся до востребования промежуточных и конечных результатов расчетов.

Дополнительный дифференциатор вычисляет разности скоростей поездов V путем дифференцирования текущего расстояния между локомотивом и хвостовым вагоном впереди идущего поезда вдоль криволинейного в общем случае железнодорожного пути. Эта информация снимается с выхода измерителя рельсового локатора 7.

Супергетеродинные приемники 3.1-3.3 работают в диапазоне единицы гигагерц. Дальномеры 4.1-4.3 корреляционного типа, поскольку в системе используется ФМн-сигналы.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности дуплексной связи между диспетчерским пунктом и локомотивами. Это достигается путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и двух частот ₁ и ₂. Указанные сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью и позволяют применять структурную селекцию.

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 замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного 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.

Сложные ФМн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений между локомотивами и диспетчерским пунктом, указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиостанциями и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждой радиостанции во всем диапазоне частот сигналами со сложной структурой с выделением радиоприемным устройством необходимой радиостанции посредством его структурной селекции.