СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЕНИЯ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ, МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ПРОЙДЕННОГО ПУТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения ускорения движения, скорости, текущего местоположения и пройденного пути железнодорожных транспортных средств, например, магистральных и маневровых локомотивов, другого подвижного состава с возможностью последующей передачи этих параметров в систему управления движением.
Известны контактные локомотивные системы определения скорости движения и пройденного пути, определяющие параметры движения на основе измерения параметров вращения колесной пары при ее движении вдоль пути [Датчик угла поворота типа Л178/1.2 (Л178СК). Каталог продукции ОАО «Электромеханика», ]. Недостатком подобных систем является их невысокая точность: погрешности измерения пройденного пути с использованием контактного метода по вращению колесной пары достигают сотен метров, что явно недостаточно для целей позиционирования подвижного состава не только на перегоне, но тем более на тупиковых путях станции, где достигаемая точность должна быть в пределах ±5 метров.
1
2
2
1
Известно автономное бортовое устройство для определения положения и скорости рельсового экипажа (вариант с двумя регистраторами) (RU 2282197, МПК: G01P 3/64 (2006.01). Устройство содержит два идентичных регистратора (приемно-излучающих устройства), установленные под днищем транспортного средства на расстоянии 0,2-0,5 м (база регистрации L) один за другим в направлении движения. Регистратор состоит из блока управления, соединенного с передающей антенной, являющейся источником СВЧ излучения, и приемной антенны, являющейся приемником отраженного СВЧ излучения, соединенной со стробирующим усилителем. При перемещении устройства над железнодорожным полотном регистраторы воспринимают сигналы, имеющие периодический характер, обусловленный расположением шпал в рельсошпальной решетке. Программируемое микропроцессорное устройство фиксирует моменты времени t, когда сигналы, принятые первым и вторым регистраторами, достигают своих максимумов. Момент t фиксации максимума сигнала, принятого первым регистратором при прохождении очередной шпалы, отличается от момента t фиксации максимума сигнала, принятого вторым регистратором при прохождении той же шпалы, на промежуток времени Δt, а именно t=t+Δt.
Скорость движения определяется как отношение длины базы регистрации L к указанному промежутку времени Δt.
Недостатками устройства являются:
- отсутствие средств непосредственной координатной привязки текущего местоположения подвижного состава, что позволяет определять текущую скорость и пройденный путь, но не дает текущей координаты, ошибка определения которой по исходной (отправной) точке начала движения таким образом постоянно нарастает;
- низкая точность определения скорости вследствие использования для определения параметра t только моментов фиксации максимумов отраженных от одной и той же шпалы сигналов, не используя большой объем оставшейся информации о подстилающей поверхности, содержащейся в отраженных сигналах;
- ненадежность метода подсчета шпал вследствие сбоев, обусловленных проездом над покрытыми сплошь слоем щебня участками пути, над стрелочными переводами, над сдвоенными шпалами или над посторонними предметами внутри колеи;
- необходимость в информации об эпюрах укладки шпал на данном участке пути (2000 шпал/км, 1840 шпал/км и т.д.), в том числе и при работе в кривых;
- высокая вероятность пропуска очередного максимума сигнала вследствие уменьшения его амплитуды в силу различных причин (например, маскировки его в массе других сигналов от подстилающей поверхности);
- необходимость в повышенной мощности облучения для повышения устойчивости идентификации максимума сигнала с отраженным от очередной шпалы сигналом;
- невозможность автономного определения направления движения;
- при заданном периоде определения значения скорости минимальная измеряемая скорость движения транспортного средства определяется и ограничивается минимальной базой регистрации, что препятствует работе устройства на пониженных скоростях.
Известен способ комплексирования инерциальных навигационных систем и построенная на его основе комбинированная навигационная система (RU 2082098, МПК 6: G01C 23/00), сущность которой заключается в дополнительной коррекции горизонтальных каналов инерциальных навигационных систем физическим воздействием на гироскопы разностным сигналом с горизонтальных акселерометров и датчиков базовой скорости, в качестве которых используются приемники спутниковой навигационной системы.
Основным недостатком данного технического решения является низкая точность позиционирования, составляющая несколько десятков метров, так как обеспечена только средствами спутниковой навигации.
Навигационная система железнодорожных транспортных средств (RU 2280579, МПК: B61L 25/00 (2006.01) - прототип) содержит бортовое вычислительное устройство и подключенные к нему спутниковый навигационный приемник и средство активации и регистрации откликов пассивных маркеров, установленных на рельсовом пути с возможностью однозначного определения их места установки по базе данных маркеров, размещенной на борту или стационарно и связанной с вычислительным устройством.
Недостатком системы является дискретный характер позиционирования подвижного состава, осуществляемый в моменты прохождения маркера, в то время как в промежутках между этими событиями требуется дополнительное средство измерения пройденного пути. Использование в этом случае приемника спутниковой навигации ухудшает точность определения координатной привязки до нескольких десятков метров.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности измерения параметров движения и определения текущего местоположения подвижного состава.
Решение указанной задачи достигается тем, что в системе для определения ускорения и скорости движения, местоположения и пройденного пути подвижного состава, содержащей связанные с вычислительным устройством базу данных, приемник спутниковой навигации и считыватель путевых напольных маркеров, в отличие от прототипа маркеры установлены на пути в точках с известными путевыми координатами с занесением их значений в базу данных, кроме того, система дополнительно снабжена установленным по продольной оси подвижного состава акселерометром, связанным с вычислительным устройством через аналого-цифровой преобразователь для корректировки или восполнения текущих значений параметров движения, поступивших в вычислительное устройство.
Решение указанной задачи достигается также тем, что:
- активация бортового считывателя согласована с ожидаемой зоной местонахождения путевых напольных маркеров;
- координатный выход приемника спутниковой навигации подключен к соответствующему входу вычислительного устройства, а в базу данных включена дополнительная информация о географических координатах путевых напольных маркеров;
- акселерометр, аналого-цифровой преобразователь, приемник спутниковой навигации, база данных и считыватель синхронизированы во времени по тактовой частоте вычислительного устройства.
На чертеже представлена структурная схема системы для определения ускорения и скорости движения, местоположения и пройденного пути подвижного состава.
1
2
i
Система включает бортовую и напольную части. Бортовая часть системы содержит вычислительное устройство 4, на входы которого через АЦП 2 поступает цифровая информация с выходов акселерометра 1, установленного по оси подвижного состава, приемника спутниковой навигационной системы 3, например, приемника GPS или ГЛОНАСС, и бортового считывателя 6. Кроме того, в состав бортовой части системы входит база данных 5, содержащая информацию об идентификационных номерах и путевых координатах напольных маркеров 7 (x) и 8 (x), установленных на расстоянии S друг от друга. Путевые напольные маркеры с идентификационными номерами закреплены вдоль пути следования локомотива в точках с соответствующими путевыми координатами, заносимыми в базу данных 5. Число напольных маркеров N и интервалы их размещения на пути S (i=1, …, N-1) определяются общей протяженностью маршрута следования подвижного состава и требуемой точностью и надежностью его координатной привязки на отдельных участках маршрута. База данных 5 осуществляет обмен информацией с вычислительным устройством 4 таким образом, что по идентификационному номеру путевого напольного маркера, поступающему в базу данных из вычислительного устройства, база данных направляет в вычислительное устройство значение его путевой координаты.
Работа системы осуществляется следующим образом.
снс
a
снс
a
a
снс
a
снс
a
снс
a скорр
a
a скорр
a
Работа бортового оборудования системы - акселерометра 1, АЦП 2, приемника 3, базы данных 5 и считывателя 6 - синхронизирована в едином времени по тактовой частоте вычислительного устройства 4. Точная координатная привязка (позиционирование) подвижного состава, например, локомотива, осуществляется в моменты прохождения бортового считывателя 6 над соответствующим напольным маркером. При этом электромагнитное излучение считывателя 6 активирует путевой напольный маркер, который в активированном состоянии излучает сигнал (отклик), содержащий информацию об идентификационном номере путевого напольного маркера и регистрируемый затем приемным трактом считывателя. Информация об идентификационном номере путевого напольного маркера и времени считывания с выхода считывателя поступает на вход вычислительного устройства 4, которое в соответствии с идентификационным номером путевого напольного маркера формирует запрос и получает из базы данных 5 соответствующую координате местоположения подвижного состава путевую координату напольного маркера, привязывая ее ко времени момента считывания. Координатно-временная информация, получаемая с путевых напольных маркеров, бортового считывателя 6 и базы данных 5 носит дискретный характер (с дискретностью S расстояния между маркерами). При применении приемника 3 спутниковой навигационной системы и акселерометра 1 эта информация используется для внесения корректирующих поправок в текущие значения координаты и скорости движения подвижного состава, полученных в промежутках времени между прохождением маркеров. При этом с выхода приемника 3 в вычислительное устройство 4 поступают цифровые значения текущей скорости движения подвижного состава V. С выхода блока акселерометра 1 через АЦП 2 в вычислительное устройство 4 поступает цифровой сигнал, соответствующей текущему, с учетом знака, значению ускорения  по оси движения подвижного состава, интегрирование которого с помощью вычислительного устройства дает текущее значение скорости движения V. Текущие значения скорости движения, измеренные с помощью навигационной системы - V, обладают достаточно высокой точностью, составляющей не менее 0,1 км/час, но из-за специфики работы спутниковых навигационных систем имеют дискретный характер, так как поступают с выхода приемника с временной задержкой до нескольких секунд и имеют свойство пропадать на десятки секунд при потере связи со спутниками, например, при нахождении объекта контроля в тоннели. С другой стороны, текущие значения ускорения по оси движения подвижного состава, измеряемые акселерометром, являются непрерывными и не имеют существенного времени задержки сигнала, однако при их интегрировании и вычислении V возникает постоянная ошибка, требующая коррекции. Поэтому в вычислительном устройстве 4 производится постоянное, с дискретностью вычислений, сравнение значений V и V. При наличии резких изменений этих значений через известное время задержки спутникового сигнала корректируется совмещение скачков значений V и V по временной шкале. Текущее значение скорости V корректируется по мгновенным значениям V с учетом времени задержки спутникового сигнала с получением V, при этом корректирующая поправка для V сохраняется на время задержки спутникового сигнала и уточняется при его появлении. Интегрирование значений V дает значения текущих путевых координат, которые корректируются путем внесения поправок при прохождении напольных маркеров. Таким образом, на выходе вычислительного устройства 4 формируются текущие значения путевой координаты, текущей скорости движения, а также мгновенные значения ускорения движения, то есть полная и высокоточная информация о параметрах движения подвижного состава, получаемая тремя независимыми датчиками при взаимной коррекции результатов их измерений, что обеспечивает высокую эффективность работы предлагаемой системы.
Через базу данных 5 обеспечивается непрерывное отслеживание значений путевой координаты движения, что позволяет определять расстояние до очередного маркера по пути следования подвижного состава, включать бортовой считыватель при приближении к нему и выключать по его прохождении, что увеличивает ресурс бортового считывателя. В случае несчитывания очередного путевого напольного маркера по какой-либо причине для повышения надежности работы системы и корректировки текущей путевой координаты в области ожидаемого местонахождения несчитанного маркера может использоваться значение соответствующей географической координаты, получаемое от приемника 3 спутниковой навигационной системы, после перевода географической координаты в систему путевых координат.
Реализация заявляемой полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи - повышение точности измерения линейного ускорения и скорости движения, а также пройденного пути, определение текущих координат и направления движения подвижного состава за счет взаимной коррекции параметров движения, измеряемых независимо датчиками различной физической природы в условиях периодического пропадания сигнала спутниковой навигации.