СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОЕЗДА ПО ИНФРАСТРУКТУРЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
METHOD FOR DETERMINING TRAIN LOCATION BY RAILWAY TRACK INFRASTRUCTURE IN REAL TIME

Изобретение относится к радиотехнике, точнее к радиолокации (РЛС) и может быть использовано на ж/д транспорте для точного измерения местоположения (координаты) головного вагона состава - локомотива.
Общей проблемой определения местоположения состава на ж/д является его большая погрешность, так на скоростях до 100 км/час она достигает в лучшем случае 20-50 м, что явно недостаточно, особенно для высокоскоростных поездов типа «Сапсан» и других, вновь разрабатываемых еще более скоростных. Это объясняется тем, что определение характеристик движения осуществляется в основном механическими средствами, например, датчики скорости на оси колес локомотива, а местоположение локомотива по счислению (интегрированию) скорости, при этом ошибка за время следования накапливается.
Радиотехническая, особенно радиолокационная, техника на ж/д РФ находится на недостаточной стадии развития и на локомотивах почти не применяется. РЛС довольно широко применяется в основном на сортировочных станциях, так называемых «горках», для подсчета вагонов при формировании составов для определения их скорости.
Также РЛС применяется на ж/д конечных остановочных пунктах для предотвращения столкновений во время тормозного пути, о приближении к тупиковой точке, причем РЛС находится на земле, а отражатель на локомотиве или около буфера на последнем вагоне, см. http://elval.com/products/a40104.
Недостаток: ограниченное применение, только на ж/д станциях - стационарно.
Известны датчики ELVA-1 для обнаружения препятствий, предотвращающие ж/д столкновения и работающие на частоте 94 ГГц, они могут эффективно использоваться в дыме, пыли, тумане или дожде, которые являются общими условиями для железных дорог, работающих над землей и под землей. Длина волны 3 миллиметра позволяет лучу радара проникать в длинный узкий дымовой туннель, и он все еще работает точно с пылью, прилипающей к передней части антенны.
Чрезвычайно узкий луч обнаружения (менее 1 градуса) не отражает непреднамеренные объекты, такие как земля, рельсы, перекрестные ворота или стенки туннелей, а для определения местоположения состава (локомотива) его применение по инфраструктуре ж/д пути вообще проблематично.
Недостатки: работа только по прямой видимости, около рельсового пути влево-вправо, вверх-вниз пространство не просматривается, вообще очень ограниченная зона просмотра, по существу точечная.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения местоположения локомотива поезда по инфраструктуре ж/д пути, особенно для высокоскоростных поездов.
Технический результат достигается за счет применения РЛС с ЛЧМ и широкой ДН, устанавливаемой на кабине машиниста, которая определяет ориентиры ж/д пути такие, как трансформаторные будки, ж/д переезды, стрелки, светофоры, опоры контактной сети и пр., вычисляет дальность до них и углы азимута и сверяет с цифровой дорожной картой.
Для решения поставленной задачи предлагается способ определения местоположения поезда по инфраструктуре железнодорожного пути в режиме реального времени, основанный на использовании ориентиров вдоль ж/д пути в качестве информационных отражающих меток, характеризующийся тем, что для их обнаружения применяется РЛС на основе MIMO системы, расположенная в передней части локомотива, и содержащая передающий зондирующий канал и два приемных отраженных канала со следующей последовательностью действий: отраженные сигналы по приемным каналам обрабатываются по алгоритму решения прямой геодезической задачи.
Система решается с двух позиций: как это решается в целом и как конкретно с точки зрения геодезии:
- измерение расстояния;
- измерение углов;
- определение местонахождения заданной точки.
Эта геодезическая задача может быть решена радиотехническим способом, а именно с точки зрения радиолокации. Это фазовый или амплитудный или фазово-амплитудный дальномер для определения дальности до цели и ее пеленг.
На фиг. 1 показана структурная электрическая схема для практического решения предлагаемого способа, на фиг. 2 - диаграммы направленности передающей и приемных частей способа, на фиг. 3 - пример хода лучей этих частей, на которых показано:
На фиг. 1
1 - антенный блок
2 и 3 - первый и второй приемники соответственно
4 и 5 - первый и второй усилители соответственно
6 и 7 - первый и второй смесители соответственно
8 и 9 - первый и второй полосовые фильтры соответственно
10 и 11 - первый и второй АРУ соответственно
12 и 13 - первый и второй АЦП соответственно
14 - микроконтроллер (МК)
15 - цифровой синтезатор
16 - третий смеситель
17 - третий полосовой фильтр
18 - делитель мощности
19 - передатчик
20 - программное обеспечение (ПО) + цифровая дорожная карта
21 - генератор несущей частоты
На фиг. 2
22 - диаграмма направленности (ДН) первой приемной антенны А1
23 - ДН второй приемной антенны А2
24 - 1 - результирующая ДН антенн А1 и А2
24 - 2 - мертвая зона пеленгования
25 - направление движения
26 - рельсовый путь
27 - передающая ДН
d - расстояние между приемными антеннами А1 и А2
L - максимальная дальность обзора зондирующего пространства (≈1 км)
На фиг. 3
точка В - ориентир - метка вдоль ж/д пути
линия О-В - линия биссектрисы треугольника
А1 - В - А2 - треугольник измерения координаты метки В
1
D - дальность до точки В, измеряемая первым приемным каналом
2
D - дальность до точки В, измеряемая вторым приемным каналом
D - истинная дальность до метки (вычисленная)
θ - угол азимута, измеряемый схемой
Схема на фиг. 1 имеет следующие крупные модули: антенный блок, передающий канал и два идентичных приемных канала, которыми управляет МК 14, первый управляющий выход которого через цифровой синтезатор 15 соединен с первым входом третьего смесителя 16, со вторым выходом которого соединен выход СВЧ-генератора 21, выход смесителя 16 через полосовой фильтр 17 соединен с делителем мощности 18, основной выход его через передатчик 19 соединен параллельно с передающими антеннами A3 и А4, которые зондирующими сигналами направлены в контролируемое пространство вдоль ж/д пути впереди локомотива.
Отраженные сигналы от ориентиров-меток вдоль ж/д пути через антенный блок 1 (антенны А1 и А2) соединены с приемниками 2 и 3 первого и второго каналов соответственно, выходы которых через второй и третий усилители соединены с первыми входами первого и второго усилителей 4 и 5 также соответственно; выходы их соединены с первыми входами первого и второго смесителей 6 и 7, с вторыми входами которых соединены дополнительные выходы делителя мощности 18, выходы смесителей через первый и второй полосовой фильтры 8 и 9 соединены с сигнальными входами первого и второго АРУ 10 и 11 соответственно, с управляющими входами этих АРУ соединены выходы 2 и 3 МК 14 также соответственно; выходы этих АРУ через первый и второй АЦП 12 и 13 соединены с сигнальными входами МК 14, который выходами синхронизации соединен с соответствующими входами обоих АЦП, МК 14 двунаправленной шиной соединен с ПО и цифровой дорожной картой 20, а выход шиной USB МК 14 является выходом системы.
Схема на фиг. 2 имеет следующие соединения. Передающие антенны A3 и А4 соединены зондирующими сигналами с окружающим пространством широкой ДН 27, отраженные от ориентира - метки 24 с более узкими ДН 22 и 23 соединены с приемными антеннами А1 и А2, образуя вдоль ж/д колеи 25 совместное контролируемое пространство 24, а расстояние d между приемными антеннами А1 и А2 образует измерительную базу, направление движения локомотива показано поз. 25.
Схема на фиг. 3 имеет следующие обозначения.
d - расстояние (база) между двумя приемными антеннами А1 и А2.
1
D - дальность до метки В, измеренная по первому приемному каналу
2
D - дальность до метки В, измеренная по второму приемному каналу
D - вычисленная дальность до метки В
θ - угол пеленга метки В от линии движения локомотива (условный угол азимута)
С - проекция точки В на линию движения локомотива
Схема на фиг. 1 построена по классическому принципу определения координат локомотива по однобазовой схеме с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ), которая основана на определении направления прихода отраженных от объекта радиоволн, измерения расстояния до него путем сравнения частот зондирующего и отраженных сигналов в точках приема антенной системы 1. Передающий канал по сигналам МК 14 формирует ЛЧМ на схемах 15, 21 и 16, отфильтровывает его на схеме 17, усиливает по мощности на схеме 18 и через передатчик 18 и антенны A3 и А4 излучают электромагнитные волны по ходу локомотива. Отраженный от метки сигнал принимается на две антенны А1 и А2, разнесенные на расстояние (базу) = d, при этом частоты будут приниматься с задержкой, пропорциональной дальности до пеленгуемой метки.
Принятые сигналы усиливаются на усилителях 4 и 5, поступают на смесители 6 и 7, где смешиваются с сигналом (уменьшенным) усилителя мощности 18, после чего отфильтровываются на полосовых фильтрах 8 и 9, затем нормируются на АРУ 10 и 11 и поступают на АЦП 12 и 13, а с них на МК 14, где по простейшим формулам определяется дальность до метки, а по разностям этих дальностей и базовому расстоянию определяется пеленг метки.
По изменению вычисленной дальности и пеленгу также вычисляется скорость локомотива и его координаты, которые сравниваются с цифровой дорожной картой и результаты сравнения и текущие координаты передаются по шине USB потребителям.
Формирование зондирующих сигналов и обработка отраженных сигналов и вычисление пеленга проводится по укрупненному алгоритму, см. фиг. 3.
1
2
Известны базовая величина d, вычисленные дальности до метки D, D и D, по ним вычисляются углы треугольника А1-В-А2, назовем их α, β, γ.
Тогда
1
2
γ=180°-(D-D)
2
Отсюда пеленг угла θ равен [90° - угол ВОА]
Далее также сравнение с цифровой дорожной картой и т.д.
На фиг. 4 показана укрупненная электрическая схема однобазового способа, на фиг. 5 временные диаграммы его работы, на которых дополнительно изображено:
2 - первый приемник
3 - второй приемник
12 - передатчик ЛЧМ
14 - МК
21 - генератор ВЧ (несущей частоты)
28 - схема вычитания внутри МК
29 - метка
1
D - расстояние от метки до первого приемника
2
D - расстояние от метки до второго приемника
D - расстояние от передающих антенн до метки В (истинное расстояние)
θ - угол азимута
β - угол места
А1 - первая приемная антенна
А2 - вторая приемная антенна
A3, А4 - передающие антенны
б1
б2
w, w - частоты биений
Схема по фиг. 4 работает следующим образом.
п
Передатчик 12 излучает ЛЧМ сигналы с несущей частотой w, определяемой выражением  (см. фиг. 4)
0
где w - начальная частота
θ
w - конечная частота
g
T - период ЛЧМ
t - текущее время,
пр1
пр2
этот сигнал отражается от метки и принимается на две антенны А1 и А2, разнесенные на расстояние (базу) A1-А2=d с задержкой, пропорциональной удвоенной дальности до метки. При этом частоты w, w принятых первым и вторым приемными каналами будут изменяться по закону диаграммы 2 (см. фиг. 5), описываемому выражениями
Принятые сигналы после их усиления приемниками 2 и 3 поступают на первый и второй смесители 6 и 7 соответственно, где смешиваются с сигналами генератора несущей частоты 21. Частоты биений на выходах смесителей 6 и 7 определяются выражениями:
θ
На выходе схемы выделения разностной частоты 28 формируется сигнал с частотой w, соответствующей пеленгу θ цели (угол азимута)
В то же время как видно из фиг. 3
учитывая, что D»d это уравнение можно переписать в виде:
Из него можно получить выражение пеленга цели
Подставляя выражение (4) в (5) получим
g
g
где  - фиксированный коэффициент, определяемый параметрами частотной модуляции T, w передатчика и базой d антенн.
Таким образом, измерив частоту биений сигналов, принятых на разнесенные антенны, можно определить дальность до метки и угол азимута, а решение выражения (6) это просто табличное определение угла из таблицы arcsin-ов, записанных в программном обеспечении (ПО).
В первых двух вариантах могут быть использованы РЛС с любыми зондирующими сигналами: непрерывными, импульсными и пр., а в третьем варианте только ЛЧМ. Этот вариант наиболее точный и помехоустойчивый, его элементная база может быть выбрана на СБИС фирмы AD (analog devices) или на отечественных заказных СБИС г. Зеленограда или фирмы «Интеграл» г. Минск.
В качестве приемо-передающих антенн подходят элементарные изотропные излучатели, причем имеющие вертикальную и горизонтальную поляризацию для определения меток как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Наличие двух излучающих антенн позволяет при минимальных аппаратурных затратах (габаритно-массовых характеристиках - ГМХ) повысить энергетику системы в целом, т.е. увеличить ее разрешающую способность определения координатной цели, в данном случае координаты меток.