СИСТЕМА ДЛЯ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ В ТУННЕЛЯХ
SYSTEM FOR SATELLITE COMMUNICATION IN TUNNELS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится в целом к системе, которая дает возможность связи со спутником даже вне зоны видимости спутника, и, в частности, к системе, которая распространяет широкополосный сигнал, приходящий со спутника, в туннелях любой длины, дает возможность двусторонней радиосвязи между спутником и движущимся транспортным средством, которое проезжает упомянутые туннели, и, таким образом, гарантирует непрерывность передачи и приема даже в отсутствие видимости спутника.
В целом, настоящее изобретение может преимущественно применяться для гарантирования возможности широкополосной связи для железнодорожного подвижного состава в железнодорожных туннелях.
В частности, настоящее изобретение находит полезное, хотя и не исключительное, применение в области услуг широкополосной связи, основанных на протоколе сети Интернет (IP) и предоставляемых на высокоскоростных поездах.
В любом случае, настоящее изобретение может преимущественно применяться, чтобы также гарантировать эксплуатацию других типов услуг, например, таких как услуги спутниковой навигации, или услуги, связанные с безопасностью в железнодорожном секторе, также решая для упомянутого типа услуг проблемы, связанные с нарушением непрерывности обслуживания, обусловленным наличием туннелей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих странах, например, таких как Италия, Франция и Германия, в настоящее время существует различная деятельность по развитию услуг широкополосной спутниковой связи, основанных на IP, для высокоскоростных поездов. Фактически, ожидается, что эти услуги в скором времени должны соответствовать специфичным характеристикам как высокоскоростных поездов, так и обычных.
Примерами услуг, которые могут эксплуатироваться посредством системы спутниковой связи поезда, могут быть:
• услуги, основанные на технологии передачи голоса по протоколу IP (VoIP);
• услуги видеонаблюдения;
• использование потокового видео, например, по запросу;
• цифровое телевидение, например, согласно стандартному спутниковому цифровому видеовещанию или цифровому видеовещанию для карманных устройств (DVB-S или DVB-H);
• сетевой серфинг по сети Интернет;
• консультирование по электронной почте;
• услуги мгновенного обмена сообщениями (IM);
• справочная служба электронных файлов и/или баз данных; и
• услуги, основанные на протоколе передачи файлов (FTP).
Как известно, в современных железнодорожных сетях многих стран, например, таких как Италия, могут встречаться различные препятствия, которые затрудняют видимость спутников и, следовательно, могут вызывать нарушение непрерывности услуг спутниковой связи, предоставляемых в вагонах поездов.
В частности, когда поезд проезжает железнодорожный туннель, имеет место полное прерывание прямого соединения поезд-спутник.
Для того чтобы решить вышеприведенную проблему, известно, что следует использовать системы, которые распространяют спутниковые сигналы по железнодорожным туннелям.
Система вышеупомянутого типа описана в JP2001230718.
В частности, JP2001230718 предлагает систему спутниковой связи для зон, в которых прием спутникового сигнала является недостаточным, причем система основана на использовании устройства спутникового приемника и устройства передатчика, которые соединены посредством коаксиального кабеля. Упомянутая система спутниковой связи поддерживает только однонаправленную связь, то есть основанную на сигналах широковещательного типа, и не дает решений в отношении проблемы конфигурирования мобильных терминалов, которые должны работать в этом контексте. Кроме того, JP2001230718 не предлагает решений для переключения между спутниковым радиоканалом и радиоканалом, передаваемым системой спутниковой связи.
Подобные соображения также могут быть выработаны в отношении патентной заявки JP2001308765, которая предлагает решение для распространения спутникового сигнала широковещательного типа в туннеле посредством системы связи, образованной антенной спутникового приемника, расположенной вне туннеля, и множеством радиопередающих блоков внутри туннеля, соединенных оптоволокном.
Дополнительное решение для ретрансляции сигналов, приходящих со спутника на мобильные терминалы, которые расположены вне зон видимости спутника, описано в WO2007113861.
В частности, WO2007113861 описывает систему, которая содержит стационарный терминал для подсветки туннеля, присоединенный к стационарной спутниковой станции, и мобильный терминал, установленный на поезде и присоединенный к мобильному спутниковому терминалу. В линии связи от спутника на поезд внешняя стационарная спутниковая станция принимает спутниковый сигнал, переданный спутником и направленный на поезд, и ретранслирует его в туннель через стационарный терминал. В линии связи от поезда на спутник стационарный терминал принимает сигнал, переданный поездом и направленный на спутник, и ретранслирует его из туннеля посредством внешней стационарной спутниковой станции.
Более того, вновь согласно изобретению, описанному в WO2007113861, поезд оборудован приемопередающим устройством, присоединенным к мобильному спутниковому терминалу, которое дает возможность обмена сигналами непосредственно со спутником в периоды времени, когда есть видимость между поездом и спутником, то есть когда поезд перемещается на открытых пространствах, в которых не присутствует никаких препятствий. Когда поезд выходит из зоны видимости спутника и входит в туннель, система автоматически выполняет переключение между спутниковым каналом и радиоканалом, доступным в туннеле, который передает тот же самый спутниковый сигнал, но на другой несущей частоте. Подобным образом, когда поезд выходит из туннеля и входит в зону видимости спутника, система автоматически выполняет переключение между радиоканалом, доступным в туннеле, и спутниковым каналом. Переключение между каналами выполняется в соответствии с логикой, которая обрабатывает информацию о качестве каналов и принимает решение, какой из двух каналов использовать.
В системе, предложенной в WO2007113861, несущие частоты спутникового канала и радиоканала в туннеле в направлении спутник-поезд, то есть в нисходящей линии связи, обоюдно связаны первой определенной зависимостью преобразования частоты. Подобным образом, несущие частоты спутникового канала и радиоканала в туннеле в направлении поезд-спутник, то есть в восходящей линии связи, обоюдно связаны второй определенной зависимостью преобразования частоты.
Преобразования несущей частоты, которым подвергаются спутниковые сигналы как в нисходящей линии связи, так и в восходящей линии связи, делают систему, предложенную в WO2007113861, до некоторой степени сложной и, следовательно, довольно дорогостоящей для реализации.
В заключение, европейская патентная заявка EP1861530, поданная от имени заявителя, описывает систему для распространения в железнодорожных туннелях навигационных спутниковых сигналов, например, таких как сигналы GPS (глобальной системы определения местоположения), GLONASS или Galileo. Упомянутая система содержит антенну, расположенную вне туннеля, сконфигурированную для приема навигационных спутниковых сигналов и присоединенную к множеству ретрансляторов, установленных внутри туннеля. Внешняя антенна принимает навигационные спутниковые сигналы и подает их на ретрансляторы, которые передают их внутри туннеля.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявитель провел углубленное исследование, нацеленное на изучение возможностей усовершенствования системы, описанной в EP1861530, для того чтобы позволить эксплуатировать ее также в контексте услуг широкополосной двунаправленной связи, предоставляемых в поездах, и к тому же одновременно, для того чтобы разработать систему для распространения сигнала, приходящего со спутника в зоны невидимости спутника, которая будет способна преодолеть недостатки известных систем.
Следовательно, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить систему спутниковой связи для расширения связи между транспортным средством и спутником в зоне невидимости спутника, которая будет способна устранить недостатки, описанные ранее.
Вышеупомянутая цель достигается настоящим изобретением по той причине, что оно относится к системе спутниковой связи для расширения связи между транспортным средством и спутником в зоне невидимости спутника, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, система спутниковой связи согласно настоящему изобретению содержит стационарную приемопередающую систему и мобильную приемопередающую систему. Стационарная приемопередающая система содержит первую антенну, предназначенную для расположения вне зоны невидимости спутника, и, по меньшей мере, одну вторую антенну, связанную с первой антенной и предназначенную для расположения в зоне невидимости спутника. Стационарная приемопередающая система сконфигурирована для:
• приема через первую антенну сигналов нисходящей линии связи, переданных спутником на, по меньшей мере, одной несущей частоте нисходящей линии связи; и
• передачи принятых сигналов нисходящей линии связи на, по меньшей мере, одной несущей частоте нисходящей линии связи в зоне невидимости спутника через, по меньшей мере, одну вторую антенну.
Мобильная приемопередающая система предназначена для установки на транспортном средстве, содержит третью антенну и четвертую антенну и сконфигурирована для:
• приема через третью антенну сигналов нисходящей линии связи, переданных стационарной приемопередающей системой на, по меньшей мере, одной несущей частоте нисходящей линии связи;
• приема через четвертую антенну сигналов нисходящей линии связи, переданных спутником на, по меньшей мере, одной несущей частоте нисходящей линии связи;
• определения, находится ли транспортное средство в зоне невидимости спутника или в зоне видимости спутника; и
• передачи сигналов восходящей линии связи на, по меньшей мере, одной несущей частоте восходящей линии связи через третью антенну, если транспортное средство находится в зоне невидимости спутника, или через четвертую антенну, если транспортное средство находится в зоне видимости спутника.
Стационарная приемопередающая система дополнительно сконфигурирована для:
• приема через, по меньшей мере, одну вторую антенну сигналов восходящей линии связи, переданных мобильной приемопередающей системой на, по меньшей мере, одной несущей частоте восходящей линии связи; и
• передачи принятых сигналов восходящей линии связи на спутник на, по меньшей мере, одной несущей частоте через первую антенну.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения некоторые предпочтительные варианты осуществления, предоставленные сугубо в качестве пояснительного и неограничивающего примера, далее будут проиллюстрированы со ссылкой на прилагаемые чертежи (которые не в масштабе), на которых:
- Фиг. 1 - схематическая иллюстрация первой примерной ситуации, в которой работает система спутниковой связи согласно настоящему изобретению;
- Фиг. 2 более подробно иллюстрирует систему спутниковой связи, показанной на Фиг. 1;
- Фиг. 3 - схематическая иллюстрация первой подсистемы системы спутниковой связи, показанной на Фиг. 1 и 2, согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
- Фиг. 4 более подробно иллюстрирует первую подсистему, показанную на Фиг. 3;
- Фиг. 5 подробно иллюстрирует первые компоненты первой подсистемы, показанной на Фиг. 4;
- Фиг. 6 подробно иллюстрирует вторые компоненты первой подсистемы, показанной на Фиг. 4;
- Фиг. 7 подробно иллюстрирует вторую подсистему системы спутниковой связи, показанной на Фиг. 1 и 2;
- Фиг. 8 - схематическая иллюстрация логики работы второй подсистемы, показанной на Фиг. 7;
- Фиг. 9 - схематическая иллюстрация первой подсистемы системы спутниковой связи, показанной на Фиг. 1 и 2, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения; и
- Фиг. 10 - схематическая иллюстрация второй примерной ситуации, в которой работает система спутниковой связи согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее описание приведено для предоставления возможности любому специалисту в данной области техники воспроизвести и использовать изобретение. Различные модификации в отношении представленных вариантов осуществления будут незамедлительно очевидны специалистам в данной области техники, и общие принципы, раскрытые в материалах настоящей заявки, могли бы быть применены к другим вариантам осуществления и применениям, однако без того, чтобы это подразумевало какое бы то ни было отступление от объема защиты настоящего изобретения.
Следовательно, настоящее изобретение не должно пониматься в качестве являющегося ограниченным только вариантами осуществления, описанными и показанными, но изобретению должен быть предоставлен широчайший объем защиты в соответствии с принципами и характеристиками, представленными в материалах настоящей заявки и определенными в прилагаемой формуле изобретения.
Настоящее изобретение имеет отношение к системе спутниковой связи для расширения связи между транспортным средством и спутником в зоне невидимости спутника, в частности, в туннеле любой длины.
Следовательно, настоящее изобретение решает проблемы, связанные с нарушениями непрерывности услуг спутниковой связи, обусловленными отсутствием видимости спутников.
Вообще говоря, система спутниковой связи содержит:
• стационарную приемопередающую систему, которая способна гарантировать «непрерываемое» обслуживание и может быть установлена в зонах невидимости спутников; в частности, она может быть привязана к железнодорожным туннелям любой длины; и
• мобильную приемопередающую систему, непосредственно объединенную со спутниковыми приемопередающими устройствами, уже установленными на движущихся транспортных средствах, в частности поездах, и сконфигурированную автоматически переключаться между одним или более спутниковыми каналами, доступными в зонах видимости спутников, и одним или более радиоканалами, предоставляемыми стационарной приемопередающей системой в зонах невидимости спутников, в частности внутри железнодорожных туннелей.
Предпочтительно, стационарная приемопередающая система сконфигурирована для автоматического включения или автоматического выключения, когда поезд приближается к соответствующему туннелю, к которому она привязана.
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация ситуации, предоставленной в качестве примера, в которой работает система спутниковой связи согласно настоящему изобретению.
В частности, Фиг. 1 - схематическая иллюстрация поезда 1, который передвигается в железнодорожном туннеле 2, в котором установлена упомянутая система спутниковой связи, которая содержит:
• стационарную спутниковую антенну 11, расположенную вне железнодорожного туннеля 2 и сконфигурированную для приема сигналов нисходящей линии связи, переданных спутником (не показан на Фиг. 1) на одной или более несущих частотах нисходящей линии связи;
• множество стационарных наземных антенн 12, расположенных внутри железнодорожного туннеля 2 таким образом, чтобы покрывать полную длину железнодорожного туннеля 2, связанных со стационарной спутниковой антенной 11 предпочтительно посредством волоконно-оптических соединений и сконфигурированных для ретрансляции внутри железнодорожного туннеля 2 на несущих частотах нисходящей линии связи, сигналов нисходящей линии связи, принятых стационарной спутниковой антенной 11; и
• мобильную наземную антенну 13, установленную на крыше поезда 1, сконфигурированную для приема, когда поезд 1 находится в железнодорожном туннеле 2, сигналов нисходящей линии связи, ретранслированных внутри железнодорожного туннеля 2 стационарными наземными антеннами 12, и для передачи на одной или более несущих частот восходящей линии связи сигналов восходящей линии связи для связи по восходящей линии связи пользователей, присутствующих в поезде 1; причем упомянутые стационарные наземные антенны 12 дополнительно сконфигурированы для приема сигналов восходящей линии связи, переданных мобильной наземной антенной 13; причем упомянутая стационарная спутниковая антенна 11 дополнительно сконфигурирована для передачи на спутник на несущих частотах восходящей линии связи сигналов восходящей линии связи, принятых стационарными наземными антеннами 12; при этом на крыше поезда 1 также установлена мобильная спутниковая антенна (не показана на Фиг. 1), сконфигурированная для приема сигналов нисходящей линии связи непосредственно со спутника и для передачи сигналов восходящей линии связи непосредственно на спутник в зонах, в которых спутник является видимым.
Кроме того, поезд 1 будет подходящим образом оснащен сетью внутренней связи (не показанной на Фиг. 1) типа LAN (локальной сети), предпочтительно беспроводной, связанной с мобильной наземной антенной 13 и с мобильной спутниковой антенной и предназначенной для предоставления пользователям, присутствующим в поезде 1 и снаряженным электронными устройствами, такими как смартфоны, дорожные компьютеры и т.д., возможности использовать услуги связи, основанные на сигналах нисходящей линии связи и восходящей линии связи.
Стационарная спутниковая антенна 11, стационарные наземные антенны 12 и волоконно-оптические соединения, которые соединяют их, составляют стационарную приемопередающую систему системы спутниковой связи. Упомянутая стационарная приемопередающая система может рассматриваться в качестве прозрачной станции ретрансляторного типа, которая распространяет спутниковый радиоканал/каналы в туннеле 2, давая пользователям, присутствующим в поезде 1, возможность также связываться однонаправленным и/или двунаправленным образом в туннеле, то есть в зоне, в которой спутник невидим.
Предпочтительно, упомянутая стационарная приемопередающая система оборудована системой автоматического включения/выключения, которая служит для ограничения воздействия на окружающую среду, обусловленную передачей внутри туннеля 2, когда в нем нет никаких поездов, и для увеличения срока службы самой стационарной приемопередающей системы.
Кроме того, мобильная наземная антенна 13 сконфигурирована для приема сигналов нисходящей линии связи, ретранслированных внутри железнодорожного туннеля 2 стационарными наземными антеннами 12, в направлениях, иных, чем таковые у нормального наведения мобильной спутниковой антенны, которая, напротив, должна быть непрерывно ориентирована на спутник.
Другими словами, мобильная наземная антенна 13 является ненаправленной антенной, тогда как мобильная спутниковая антенна является направленной антенной, установленной на крыше поезда 1 таким образом, чтобы быть непрерывно ориентированной на спутник.
Подобным образом, стационарная спутниковая антенна 11 является направленной антенной, установленной вне железнодорожного туннеля 2 таким образом, чтобы быть непрерывно ориентированной на спутник, тогда как каждая стационарная наземная антенна 12 является ненаправленной антенной.
Автоматическое переключение управляется на поезде между спутниковым радиоканалом/каналами, доступными в зонах видимости спутника/спутников, и наземным радиоканалом/каналами, доступными в зонах невидимости спутника/спутников, например, в туннеле 2, посредством мобильной приемопередающей системы, установленной на поезде 1, которая содержит мобильную наземную антенну 13 и мобильную спутниковую антенну и которая будет более подробно описана в дальнейшем.
Фиг. 2 более подробно иллюстрирует систему спутниковой связи, показанную на Фиг. 1 и описанную ранее.
В частности, компоненты системы спутниковой связи, показанной на Фиг. 1, и описанной ранее, обозначены на Фиг. 2 такими же номерами ссылок, какие были использованы на Фиг. 1, и вновь подробно не описаны.
Более подробно, Фиг. 2 показывает:
• поезд 1 внутри туннеля 2;
• стационарную спутниковую антенну 11, расположенную вне железнодорожного туннеля 2 в безупречной видимости спутника (также не показан на Фиг. 2), предназначенную для приема/передачи сигналов нисходящей линии связи/восходящей линии связи с/на спутник на несущих частотах нисходящей линии связи/восходящей линии связи и поэтому ориентированную на спутник, то есть имеющую такую диаграмму направленности, чтобы гарантировать ориентацию на спутник, то есть наведение на спутник;
• стационарные наземные антенны 12, расположенные внутри железнодорожного туннеля 2, связанные со стационарной спутниковой антенной 11 и предназначенные для приема/передачи сигналов восходящей линии связи/нисходящей линии связи на несущих частотах восходящей линии связи/нисходящей линии связи с/на поезда, которые находятся внутри туннеля 2, например, такие как поезд 1;
• мобильную наземную антенну 13 с низкой направленностью, установленную на крыше поезда 1 и предназначенную для приема/передачи сигналов нисходящей линии связи/восходящей линии связи на несущих частотах нисходящей линии связи/восходящей линии связи, когда поезд 1 находится в зонах, где спутник невидим, например, когда поезд 1 находится в туннеле 2; и
• мобильную спутниковую антенну, установленную на крыше поезда 1, предназначенную для приема/передачи сигналов нисходящей линии связи/восходящей линии связи с/на спутник на несущих частотах нисходящей линии связи/восходящей линии связи, когда поезд 1 находится в зонах, где спутник является видимым, и, следовательно, ориентированную на спутник, то есть имеющую такую диаграмму направленности, чтобы гарантировать непрерывную ориентацию на спутник, то есть непрерывное наведение на спутник, причем мобильная спутниковая антенна обозначена, как 14 на Фиг. 2.
Стационарная спутниковая антенна 11 может рассматриваться в качестве шлюзовой антенны на спутник стационарной приемопередающей системы, которой оборудован туннель 2.
Стационарные наземные антенны 12 могут рассматриваться в качестве ретрансляторов внутри туннеля 2 сигналов, приходящих со спутника и принятых стационарной шлюзовой спутниковой антенной 11.
Количество стационарных наземных антенн 12, установленных в туннеле 2, зависит от размерной настройки по энергетическому потенциалу линии связи каждой отдельной стационарной наземной антенны 12 с мобильной наземной антенной 13 и от длины туннеля 2.
Фиг. 3 более подробно иллюстрирует стационарную приемопередающую систему, которая содержит стационарную спутниковую антенну 11 и стационарные наземные антенны 12.
В частности, как показано на Фиг. 3, стационарная спутниковая антенна 11 связана с первой электрооптической системой 15 распределения/обнаружения сигналов, которая, в свою очередь, связана посредством волоконно-оптических соединений с множеством вторых электрооптических систем 16 распределения/обнаружения сигналов, каждая из которых связана с соответствующей стационарной наземной антенной 12.
Кроме того, Фиг. 4 показывает структурную схему, которая представляет в еще более подробном виде стационарную приемопередающую систему, показанную на Фиг. 3, в частности, первую электрооптическую систему 15 распределения/обнаружения сигналов и вторые электрооптические системы 16 распределения/обнаружения сигналов. Фиг. 5 показывает увеличенное изображение первой электрооптической системы 15 распределения/обнаружения сигналов, показанной на Фиг. 4, а Фиг. 6 показывает увеличенное изображение одной из вторых электрооптических систем распределения/обнаружения сигналов, проиллюстрированных на Фиг. 4.
В частности, как показано на Фиг. 4 и 5, первая электрооптическая система 15 распределения/обнаружения сигналов содержит:
• первый дуплексор 151 (R/T), связанный со стационарной спутниковой антенной 11;
• первый малошумящий усилитель 152 (LNA), присоединенный посредством коаксиального кабеля к первому дуплексору 151 (R/T);
• первый усилитель 153 мощности (PA), присоединенный посредством коаксиального кабеля к первому дуплексору 151 (R/T);
• первый двунаправленный электрооптический преобразователь 154 (E/O), присоединенный посредством коаксиального кабеля к первому малошумящему усилителю 152 (LNA) и к первому усилителю 153 мощности (PA);
• оптический объединитель 155 (1<-N), присоединенный оптоволокном к первому электрооптическому преобразователю 154 (E/O); и
• оптический разветвитель 156 (1->N), присоединенный оптоволокном к первому электрооптическому преобразователю 154 (E/O).
Альтернативно, как показано на Фиг. 4 и 6, каждая вторая электрооптическая система 16 распределения/обнаружения сигналов содержит:
• соответствующий второй дуплексор 161 (R/T), связанный с соответствующей стационарной наземной антенной 12;
• соответствующий второй малошумящий усилитель 162 (LNA), присоединенный посредством коаксиального кабеля к соответствующему второму дуплексору 161 (R/T);
• соответствующий второй усилитель 163 мощности (PA), присоединенный посредством коаксиального кабеля к соответствующему второму дуплексору 161 (R/T); и
• соответствующий второй двунаправленный электрооптический преобразователь 164 (E/O), присоединенный посредством коаксиального кабеля к соответствующему второму малошумящему усилителю 162 (LNA) и к соответствующему второму усилителю 163 мощности (PA).
Первый дуплексор 151 (R/T) сконфигурирован для маршрутизации сигналов нисходящей линии связи, то есть сигналов для связи в направлении спутник-поезд, со стационарной спутниковой антенны 11 на первый малошумящий усилитель 152 (LNA), и сигналов восходящей линии связи, то есть сигналов для связи в направлении поезд-спутник, с первого усилителя 153 мощности (PA) на стационарную спутниковую антенну 11.
N
N
N
Во время нормальной работы стационарной приемопередающей системы сигнал, принятый стационарной спутниковой антенной 11, сначала маршрутизируется первым дуплексором 151 (R/T) на первый малошумящий усилитель 152 (LNA), затем усиливается упомянутым первым малошумящим усилителем 152 (LNA), а затем преобразуется из радиочастоты (РЧ) в оптическую частоту первым электрооптическим преобразователем 154 (E/O). Сигнал, преобразованный в оптическую частоту, проходя по оптоволокну, достигает оптического разветвителя 156 (1->N) с выходами, где равно количеству стационарных наземных антенн 12, установленных в туннеле 2, который разделяет принимаемый сигнал оптической частоты на  сигналов оптической частоты, каждый из которых подается на соответствующий выход оптического разветвителя 156 (1->N).
N
Кроме того, каждый из сигналов оптической частоты, подаваемый на выход из оптического разветвителя 156 (1->N), проходя по оптоволокну, достигает соответствующего второго электрооптического преобразователя 164 (E/O), который преобразует его из оптической частоты в радиочастоту (РЧ). Сигнал, преобразованный в радиочастоту (РЧ), сначала усиливается соответствующим вторым усилителем 163 мощности (PA), а затем маршрутизируется соответствующим вторым дуплексором 161 (R/T) на соответственную стационарную наземную антенну 12, которая передает его в туннеле 2.
N
N
Подобным образом, сигнал, принятый стационарной спутниковой антенной 12, сначала маршрутизируется соответствующим вторым дуплексором 161 (R/T) на соответствующий второй малошумящий усилитель 162 (LNA), затем усиливается упомянутым соответствующим вторым малошумящим усилителем 162 (LNA), а потом преобразуется из радиочастоты (РЧ) в оптическую частоту соответствующим вторым электрооптическим преобразователем 164 (E/O). Сигнал, преобразованный в оптическую частоту, проходя по оптоволокну, достигает оптического объединителя 155 (1<-N) с  входами, который объединяет  сигналов оптической частоты, которые он принимает на входе, в одиночный объединенный сигнал оптической частоты, который подается на выход. Упомянутый объединенный сигнал оптической частоты, проходя по оптоволокну, достигает первого электрооптического преобразователя 154 (E/O), который преобразует его из оптической частоты в радиочастоту (РЧ). Объединенный сигнал, преобразованный в радиочастоту (РЧ), сначала усиливается первым усилителем 153 мощности (PA), а затем маршрутизируется первым дуплексором 151 (R/T) на стационарную спутниковую антенну 11, которая передает его на спутник.
В дополнение, Фиг. 7 показывает структурную схему, которая подробно иллюстрирует мобильную приемопередающую систему, установленную на поезде 1.
В частности, как показано на Фиг. 7, упомянутая мобильная приемопередающая система содержит:
• спутниковую подсистему 21;
• наземную подсистему 22;
• спутниковую навигационную подсистему 23; и
• автоматический переключатель 24 подсистем, соединенный со спутниковой подсистемой 21, с наземной подсистемой 22, со спутниковой навигационной подсистемой 23 и с сетью внутренней связи (LAN) поезда 1 (на Фиг. 7 обозначенной посредством 25) и сконфигурированный для автоматического переключения между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22 связи из/в сеть 25 внутренней связи (LAN).
Более подробно, вновь как показано на Фиг. 7, спутниковая подсистема 21 содержит:
• мобильную спутниковую антенну 14;
• первый преобразователь 211 (RF/BB), соединенный с мобильной спутниковой антенной 14 и сконфигурированный для понижения до основной полосы (BB) сигналов нисходящей линии связи, принятых на радиочастоте (РЧ) мобильной спутниковой антенной 14, и приведения к радиочастоте (РЧ) сигналов восходящей линии связи на основанной полосе (BB), которые должны передаваться мобильной спутниковой антенной 14;
• первый модем 212, соединенный с первым преобразователем 211 (RF/BB) и с автоматическим переключателем 24 подсистем и сконфигурированный для модуляции/демодуляции сигналов восходящей линии связи/нисходящей линии связи на основной полосе (BB); и
• первый модуль 213 анализа, соединенный с первым модемом 212 и с автоматическим переключателем 24 подсистем и сконфигурированный для анализа качества спутникового радиоканала/каналов нисходящей линии связи.
В дополнение, вновь, как показано на Фиг. 7, наземная подсистема 22 содержит:
• мобильную наземную антенну 13;
• второй преобразователь 221 (RF/BB), соединенный с мобильной наземной антенной 13 и сконфигурированный для понижения до основной полосы (BB) сигналов нисходящей линии связи, принятых на радиочастоте (РЧ) мобильной наземной антенной 13, и для приведения на радиочастоту (РЧ) сигналов восходящей линии связи на основной полосе (BB), которые должны передаваться мобильной наземной антенной 13;
• второй модем 222, соединенный со вторым преобразователем 221 (RF/BB) и с автоматическим переключателем 24 подсистем и сконфигурированный для модуляции/демодуляции сигналов восходящей линии связи/нисходящей линии связи на основной полосе (BB); и
• второй модуль 223 анализа, соединенный со вторым модемом 222 и с автоматическим переключателем 24 подсистем и сконфигурированный для анализа качества наземного радиоканала/каналов нисходящей линии связи.
В заключение, вновь, как показано на Фиг. 7, спутниковая навигационная подсистема 23 содержит:
• мобильную GPS-антенну 231, сконфигурированную для приема навигационных спутниковых сигналов, передаваемых системой GPS.
• GPS-приемник 232, соединенный с мобильной GPS-антенной 231 и сконфигурированный для вычисления местоположения поезда 1 на основании сигналов, принятых мобильной GPS-антенной 231; и
• третий модуль 233 анализа, связанный с GPS-приемником 232 и с автоматическим переключателем 24 подсистем и сконфигурированный для анализа принятых GPS-сигналов.
Как может быть легко понятно из Фиг. 7 для специалиста в данной области техники, сигналы нисходящей линии связи, принятые, соответственно, мобильной спутниковой антенной 14 и мобильной наземной антенной 13, сначала понижаются с радиочастоты (РЧ) до основной полосы (BB), соответственно, первым преобразователем 211 (RF/BB) и вторым преобразователем 221 (RF/BB), затем демодулируются, соответственно, первым модемом 212 и вторым модемом 222, а потом подаются на автоматический переключатель 24 подсистем и, соответственно, на первый модуль 213 анализа и на второй модуль 223 анализа.
E
/N
b
0
Первый модуль 213 анализа определяет качество спутникового радиоканала/каналов нисходящей линии связи на основе анализа отношения сигнал/шум или отношения энергии на бит к спектральной плотности мощности шума (), или иначе, частоты двоичных ошибок («Bit Error Rate»-BER), сигналов нисходящей линии связи, принятых мобильной спутниковой антенной 14, пониженных до основной полосы (BB) и демодулированных.
E
/N
b
0
Второй модуль 223 анализа определяет качество наземного радиоканала/каналов нисходящей линии связи на основе анализа отношения сигнал/шум или отношения  энергии на бит к спектральной плотности мощности шума, или иначе BER, сигналов нисходящей линии связи, принятых мобильной наземной антенной 13, пониженных до основной полосы (BB) и демодулированных.
Автоматический переключатель 24 подсистем сконфигурирован для предоставления возможности использования мобильной спутниковой антенны 14 или мобильной наземной антенны 13 согласно тому, находится или не находится поезд 1 в зоне видимости спутника, в частности, вне или внутри железнодорожного туннеля, например, такого как туннель 2.
В частности, когда поезд 1 находится в зоне видимости спутника, сигналы принимаются и передаются через мобильную спутниковую антенну 14, тогда как, когда поезд внутри железнодорожного туннеля, например, туннеля 2, сигналы принимаются и передаются через мобильную наземную антенну 13.
Подробно, автоматический переключатель 24 подсистем на основе результатов анализа, выполненного первым модулем 213 анализа и вторым модулем 223 анализа над демодулированными сигналами на основной полосе (BB) и третьим модулем 233 анализа над принятыми GPS-сигналами, автоматически делает выбор, какую приемопередающую подсистему использовать, т.е. делает выбор между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22. Следовательно, согласно тому, какая приемопередающая подсистема выбирается между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22, автоматический переключатель 24 подсистем маршрутизирует демодулированные сигналы нисходящей линии связи на основной полосе (BB), демодулированные в сети 25 внутренней связи (LAN) поезда 1.
Подобным образом, в восходящей линии связи автоматический переключатель 24 подсистем маршрутизирует сигналы восходящей линии связи, приходящие из сети 25 внутренней связи (LAN), в используемой приемопередающей подсистеме между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22, причем упомянутые сигналы сначала модулируются, соответственно, первым модемом 212 или вторым модемом 222, затем переводятся с основной полосы (BB) на радиочастоту (РЧ), соответственно, первым преобразователем 211 (RF/BB) или вторым преобразователем 221 (RF/BB), а потом передаются, соответственно, мобильной спутниковой антенной 14 или мобильной наземной антенной 13.
Подходящим образом, мобильная наземная антенна 13 может быть установлена под кабиной пассажирского отделения поезда 1 на предварительно установленном расстоянии от мобильной спутниковой антенны 14, так чтобы избежать цикла сигналов.
В частности, вновь чтобы избежать цикла сигналов, мобильная спутниковая антенна 14 и мобильная наземная антенна 13 могут быть подходящим образом изолированы электромагнитными ловушками, хорошо подогнанными по размеру на рабочих частотах спутникового сигнала и установленными обособленно на значительном расстоянии.
E
/N
b
0
Как упомянуто ранее, логика переключения между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22 основана на анализе качества спутниковых и наземных радиоканалов нисходящей линии связи, в частности отношения сигнал/шум или отношения , либо иначе, BER, и согласно информации, переданной третьим модулем 233 анализа, который способен обнаруживать, когда поезда 1 входит в туннель 2.
В этом отношении, на Фиг. 8 проиллюстрирована блок-схема последовательности операций способа, которая представляет логику для автоматического переключения между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22 согласно первому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
S
T
S
T
В частности, как показано на Фиг. 8, сигналы принимаются и передаются (TX вкл.-RX вкл.) через мобильную спутниковую антенну 14 и только принимаются (TX выкл.-RX вкл.) через мобильную наземную антенну 13 (первый блок 81), если первая частота двоичных ошибок, BER, рассчитанная первым модулем 213 анализа на основе сигналов нисходящей линии связи, принятых мобильной спутниковой антенной 14, пониженных до основной полосы и демодулированных, ниже, чем вторая частота двоичных ошибок, BER, рассчитанная вторым модулем 223 анализа на основе сигналов нисходящей линии связи, принятых мобильной наземной антенной 13, пониженных до основной полосы и демодулированных (условие, представленное во втором блоке 82), тогда как, если первая частота двоичных ошибок, BER, выше, чем вторая частота BER двоичных ошибок, и GPS-сигнал отсутствует (условие, представленное в третьем блоке 83), то есть третий модуль 233 анализа обнаруживает, что мобильная GPS-антенна 231 не принимает никакого GPS-сигнала, сигналы принимаются и передаются (TX вкл. -RX вкл.) через мобильную наземную антенну 13 и только принимаются (TX выкл.-RX вкл.) через мобильную спутниковую антенну 14.
Использование автоматического переключателя 24 подсистем дает возможность радикального устранения любых возможных помех.
Еще одним преимуществом, связанным с двухантенной конструкцией, является преимущество оптимизации приема сигнала посредством дублирования сигнала на обеих антеннах.
Мобильная наземная антенна 13 предпочтительно является небольшой антенной с низкой направленностью.
В качестве альтернативы, согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, логика автоматического переключения также может быть основана только на обработке GPS-сигналов, принятых мобильной GPS-антенной 231.
В этом отношении, в европейской патентной заявке № EP1861530, поданной от имени заявителя и включенной в материалы настоящей заявки посредством ссылки, описана система для распространения сигналов для спутниковой навигации, в частности, GPS-сигналов, в туннелях, которая, в числе своих различных функций, также способна определять, то есть обнаруживать, когда поезд входит в туннель. Упомянутая характеристика системы, описанной в документе № EP1861530, преимущественно также может использоваться настоящим изобретением.
В этой связи, на Фиг. 9 показана система для распространения GPS-сигнала в туннеле 2 типа, описанного в EP1861530.
Как показано на Фиг. 9, система для распространения GPS-сигнала в туннеле 2 содержит:
• стационарную GPS-антенну 31, расположенную вне туннеля 2 и сконфигурированную для приема GPS-сигналов; и
M
M
•  ретрансляторов 32, расположенных внутри туннеля, соединенных со стационарной GPS-антенной 31 и сконфигурированных для ретрансляции внутри туннеля 2 GPS-сигналов, принятых стационарной GPS-антенной 31, где - целое число и на Фиг. 9 равно единице; то есть только один ретранслятор 32 показан на Фиг. 9.
В дополнение, согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, мобильная приемопередающая система поезда 1 может не содержать модули 213, 223 и 233 анализа, в то время как GPS-приемник 232 непосредственно соединен с автоматическим переключателем 24 подсистем для извещения его, когда поезд 1 входит в туннель или выходит из туннеля, в частности, когда поезд 1 входит в туннель 2 или выходит из туннеля 2.
В дополнение, согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения, автоматический переключатель 24 подсистем переключает связь из/в сеть 25 внутренней связи (LAN) между спутниковой системой 21 и наземной подсистемой 22 при входе/выходе поезда 1 в/из туннеля 2.
В частности, GPS-приемник 232 сконфигурирован для:
• вычисления на основе GPS-сигналов, принятых мобильной GPS-антенной 231, данных фазы и псевдодальности и полной погрешности тактирования, которая включает в себя основную погрешность тактирования, и, когда поезд 1 находится внутри туннеля, в частности, внутри туннеля 2, дополнительную погрешность тактирования, которая зависит от положения мобильной GPS-антенны 231 по отношению к стационарной GPS-антенне 31;
• определения на основе вычисленной полной погрешности тактирования, когда поезд 1 входит в туннель, в частности, в туннель 2, и когда поезд 1 выходит из туннеля, в частности, из туннеля 2;
• если поезд 1 находится вне туннеля, в частности, вне туннеля 2, вычисления местоположения поезда 1 на основании вычисленных данных фазы и псевдодальности;
• если поезд 1 находится внутри туннеля, в частности, внутри туннеля 2, вычисления дополнительной погрешности тактирования в вычисленной полной погрешности тактирования, коррекции вычисленных данных фазы и псевдодальности на основе вычисленной дополнительной погрешности тактирования, и вычисления местоположения поезда 1 на основе скорректированных данных фазы и псевдодальности; и
• извещения автоматического переключателя 24 подсистем, когда поезд 1 входит в туннель, и когда поезд 1 выходит из туннеля, в частности, когда поезд 1 входит в туннель 2, и когда поезд 1 выходит из туннеля 2, причем упомянутый автоматический переключатель 24 подсистем соответственно переключает связь из/в сеть 25 внутренней связи (LAN) между спутниковой подсистемой 21 и наземной подсистемой 22.
Как упомянуто ранее, предпочтительно, стационарная приемопередающая система в дополнение может быть сконфигурирована для:
• автоматического включения, если она выключена, а поезд, например поезд 1, собирается войти в туннель 2; и
• автоматического выключения, если поезд, например поезд 1, выходит из туннеля 2, и в туннеле 2 нет другого поезда.
В частности, система спутниковой связи может содержать систему автоматического включения/выключения, связанную со стационарной приемопередающей системой и содержащую:
• по меньшей мере, один датчик, установленный вне туннеля 2 и сконфигурированный для обнаружения, собирается ли поезд, например поезд 1, войти в туннель 2, и для обнаружения, вышел ли поезд, например поезд 1, из туннеля 2; и
• блок управления включением/выключением, соединенный со стационарной приемопередающей системой и с датчиком и сконфигурированный для включения стационарной приемопередающей системы, если она выключена, а датчик обнаруживает, что поезд, например поезд 1, собирается войти в туннель 2, и для выключения стационарной приемопередающей системы, если датчик обнаруживает, что поезд, например поезд 1, вышел из туннеля 2, и в туннеле 2 нет другого поезда.
Подходящим образом система автоматического включения/выключения может содержать:
• один или более датчиков прохождения, установленных вдоль железнодорожного пути на предварительно установленном расстоянии от туннеля, оборудованного стационарной приемопередающей системой, например, туннеля 2, и сконфигурированных для обнаружения прохождения поезда и направления перемещения упомянутого поезда; и
• блок управления включением/выключением, который всегда активен и соединен со стационарной приемопередающей системой и с датчиками прохождения.
Когда датчики прохождения обнаруживают прохождение поезда, они сообщают об упомянутом прохождении в блок управления включением/выключением вместе с направлением перемещения поезда. Блок управления включением/выключением, отсюда, включает или выключает стационарную приемопередающую систему согласно тому, собирается ли поезд войти в туннель или, иначе, выходит ли он из туннеля.
В этой связи, Фиг. 10 - схематическая иллюстрация примерной ситуации, в которой:
• (верхнее изображение) поезд 1 приближается к туннелю 2, стационарная приемопередающая система, которой оборудован туннель 2, изначально выключена (ВЫКЛ), и вдоль железнодорожного пути установлены датчики 40 прохождения;
• (центральное изображение) датчики 40 прохождения обнаруживают прохождение поезда 1 и сообщают в блок включения/выключения (не показанный на Фиг. 10), соединенный со стационарной приемопередающей системой, о прохождении поезда 1 в направлении туннеля 2, и, следовательно, блок управления включением/выключением включает стационарную приемопередающую систему (ВКЛ); и
• (нижнее изображение) поезд 1 собирается войти в туннель 2, и стационарная приемопередающая система включена (ВКЛ).
В качестве альтернативы для или вместе с системой автоматического включения/выключения, стационарная приемопередающая система также может быть соединена с центром дистанционного управления, сконфигурированным для:
• контроля поездов, которые передвигаются по железнодорожной сети, и соответствующих местоположений поездов.
• хранения местоположений железнодорожных туннелей;
• определения, собирается ли контролируемый поезд, например, поезд 1, войти в железнодорожный туннель, например, туннель 2, на основе местоположений железнодорожных туннелей и местоположений контролируемых поездов;
• определения, вышел ли контролируемый поезд, например, поезд 1, из железнодорожного туннеля, например, туннеля 2, на основе местоположений железнодорожных туннелей и местоположений контролируемых поездов;
• определения, находится ли контролируемый поезд, например, поезд 1, внутри железнодорожного туннеля, например туннеля 2, на основе местоположений железнодорожных туннелей и местоположений контролируемых поездов;
• включения стационарной приемопередающей системы, если она выключена, а контролируемый поезд, например поезд 1, собирается войти в туннель 2; и
• выключения стационарной приемопередающей системы, если контролируемый поезд, например поезд 1, вышел из туннеля 2, и внутри туннеля 2 нет другого контролируемого поезда.
Отсюда, включение/выключение стационарной приемопередающей системы может обеспечиваться посредством асинхронной связи из центра дистанционного управления, который сравнивает местоположения поездов, которые перемещаются по железнодорожной сети, с местоположениями железнодорожных туннелей.
В заключение, заявитель настоящей заявки провел углубленные исследования касательно возможности передачи сигнала в железнодорожных туннелях, причем упомянутые исследования привели к выводу, что в присутствии поезда проблемы, связанные с многолучевым распространением, не являются серьезными и не приводят к значительным ухудшениям сигнала. Это особенно справедливо для широкополосных сигналов.
Из вышеизложенного описания могут быть незамедлительно понятны преимущества настоящего изобретения.
В частности, система, составляющая предмет настоящего изобретения, преимущественно может эксплуатироваться для выполнения любого типа спутниковой связи и/или спутниковой навигации, который требуется для передачи в туннелях или зонах невидимости спутников, и для предложения в отрасли железнодорожного транспорта очень большого количества потенциальных услуг, которые простираются от навигации до текущего контроля, и даже обеспечения безопасности.
В дополнение, система, составляющая предмет настоящего изобретения, дает возможность поставлять спутниковый сигнал в туннелях с одними и теми же несущими полос восходящей линии связи и нисходящей линии связи и с теми же самыми несущими частотами, используемыми в зонах видимости спутников.
Еще раз, система, составляющая предмет настоящего изобретения, дает спутниковым сигналам возможность передаваться в туннелях любой длины с использованием волоконно-оптических соединений и электрооптических устройств для преобразования из радиочастоты в оптическую частоту и обратно.
В частности, система, составляющая предмет настоящего изобретения, позволяет преодолевать физический предел в 8 км некоторых одноретрансляторных систем, известных в настоящее время; таким образом, она может быть установлена в туннелях любой длины.
В дополнение, использование автоматической системы для включения/выключения стационарной приемопередающей системы дает возможность энергосбережения, когда внутри туннелей не присутствуют поезда, ограничения воздействия на окружающую среду, связанного с передачей, когда поезда не присутствуют внутри туннелей, и увеличения срока службы стационарной приемопередающей системы.
С другой стороны, в отличие от системы, описанной в JP2001230718, система, составляющая предмет настоящего изобретения, способна поддерживать двухстороннюю связь, содержит многоретрансляторную стационарную приемопередающую систему, которая может быть установлена в туннелях любой длины, и автоматическую систему для включения/выключения стационарной приемопередающей системы, и реализует автоматическое переключение между спутниковым радиоканалом и наземным радиоканалом, ретранслируемым в туннеле, посредством использования модулей аппаратных средств/программного обеспечения, непосредственно интегрированных с мобильной приемопередающей системой, расположенной на поезде.
В дополнение, в отличие от системы, описанной в JP2001308765, система, составляющая предмет настоящего изобретения, способна поддерживать двунаправленную связь и содержит стационарную приемопередающую систему, которая может быть установлена в туннелях любой длины и множество ретрансляторов, соединенных оптоволокном, и автоматическую систему для включения/выключения стационарной приемопередающей системы, которая включает стационарную приемопередающую систему только в присутствии поезда. В дополнение, стационарные наземные антенны, используемые для ретрансляции спутникового радиоканала в туннеле, специально предназначены для обеспечения низкой направленности и низкого влияния с технологической точки зрения и в показателях препятствия в туннелях.
В заключение, по сравнению с системой, описанной в WO2007113861, настоящее изобретение отличается и дает специализированные решения на основании своих конкретных признаков, а именно:
• наличия стационарной приемопередающей системы, содержащей множество ретрансляторов внутри туннеля, соединенных оптоволокном, для двунаправленной передачи широкополосного спутникового сигнала;
• оптимизации направленности антенн как у стационарной приемопередающей системы внутри туннеля, так и у мобильной приемопередающей системы, установленной на поезде;
• использования одних и тех же несущих полос и одних и тех же несущих частот как в зонах видимости спутников, так и в зонах невидимости спутников, отсюда, без необходимости для какого бы то ни было преобразования несущих полос или преобразования несущих частот, используемых как в восходящей линии связи, так и в нисходящей линии связи, то есть давая мобильной приемопередающей системе, установленной на поезде, возможность использовать в туннеле тот же самый сигнал с теми же самыми несущими частотами, используемыми снаружи; и
• использования автоматической системы для включения/выключения стационарной приемопередающей системы, которая включает стационарную приемопередающую систему, только когда поезд присутствует в туннеле.
В заключение, ясно, что различные модификации могут быть произведены в отношении настоящего изобретения, все из которых подпадают под область защиты изобретения, определенную в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, здесь имеется намерение подчеркнуть, насколько в тех случаях, когда в описании изобретения была сделана прямая ссылка на антенны, приемники и сигналы для системы GPS, предполагается возможность, совершенно эквивалентная, использовать антенны, приемники и сигналы для других глобальных спутниковых навигационных систем (GNSS), например, таких как система Galileo.