НЕЛИНЕЙНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОРМОЗАМИ ЛОКОМОТИВА
NONLINEAR RADAR SYSTEM FOR AUTOMATIC CONTROL OF LOCOMOTIVE BRAKES

Изобретение относится к радиотехнике, точнее к нелинейной радиолокации (НРЛС), и может быть использовано на ж/д для точного определения ординат пригородных поездов (электричек) и вообще всех видов пассажирских поездов, включая высокоскоростные для автоматизации управления тормозами на остановочных пунктах. Круг предложений НРЛС может быть отнесен к задаче установления границ маршрутов следования в условиях, когда невозможно их визуальное наблюдение, а также получение информации о параметрах движения его участников на трассе маршрутов, что значение маркировки границ особенно возрастает, когда длина остановочных путей соизмерима с длиной (размерами) транспортных средств.
Общей проблемой точной остановки пассажирских поездов на остановочном пункте являются погодные условия и время суток:
- ночь;
- туман;
- метель - пурга (снегопад);
- сильный дождь;
- вообще плохая видимость.
А также человеческий фактор: усталость, плохое самочувствие, неприятность в быту и на службе и пр. Машинисту нужно точно «засечь» начало платформы (маркер) и произвести нужные технические действия в ограниченное время (торможение) до полной остановки в строго назначенном месте.
В настоящее время эти действия производятся машинистом «на глазок», т.е. эмпирически, исходя из его опыта и навыков, а плохие погодные условия сильно влияют на конечный результат.
Исходя из этого крайне желательно иметь автоматическую систему управления обнаружения маркера начала платформы, а, значит, и начала процесса торможения, независимых от внешних неблагоприятных факторов, включая человеческий.
Известны попытки создания точного обнаружения начала платформы такие, как: акустические на использования ультразвукового маркера и приемника в кабине машиниста, лазерный на использовании лазерного маркера и приемника также в кабине машиниста, радиолокационный: РЛС малой мощности на маркере и приемник в кабине, также фотодатчик на маркере и фотоприемник в кабине и пр.
Их основные недостатки: или большая стоимость, или зависимость от погодных условий, т.е. в масштабах большого количества остановочных пунктов и плохих погодных условий (особенно в северных широтах РФ) эта проблема еще очень далека от оптимального решения и кроме опытных образцов на ж/д транспорте ничего не внедрено.
Известен «Комплекс информационного обеспечения системы автоматического управления торможением поездов», см. патент РФ №, в котором использована система расчета тормозных характеристик поезда в зависимости от местонахождения локомотива по сигналам спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.
Недостаток: GPS - предназначена в основном для экваториальных и южных широт, ГЛОНАСС - для более северных широт, т.е. совместное применение находится в достаточно узкой полосе широт, далее на время проведения военных действий (операций) GPS на какое-то время выдает заведомо неверную информацию (насчет ГЛОНАСС сведений нет), т.о. погрешность определения координат может достигать десять и более метров, что является недопустимым для выполнения качественного торможения по ординате ж/д пути и по времени.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения скорости локомотива и ординаты его положения относительно остановочных пунктов и точности остановки пассажирских поездов у платформы остановочных пунктов с приемлемой - минимальной себестоимостью системы для серийного производства.
Технический результат достигается за счет создания информационного канала, состоящего из нелинейной РЛС на локомотиве и нелинейного рассеивателя на маркере, расположенном в самом начале остановочной платформы в виде р-n перехода.
0
Для решения поставленной задачи предлагается новое название, содержащее собственно НРЛС и метку в виде нелинейно-рассеивающей цели HP - маркеры и микропроцессор, характеризующаяся тем, что имеет следующие соединения: выход сигналов НРЛС соединен с информационным входом микропроцессора, причем информационный выход микропроцессора соединен со схемой управления локомотива, а нелинейная РЛС содержит следующие узлы и блоки: задающий генератор, первый - четвертый умножители частоты, первый и второй передатчики, вычислитель, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй приемники, первая и вторая передающие антенны, первая и вторая приемные антенны со следующими соединениями: выход ЗГ частотой ƒсоединен с входами первого, второго, третьего и четвертого умножителей частоты, выход первого умножителя частоты соединен с первым передатчиком, выход второго умножителя частоты соединен со вторым передатчиком, выходы которых через первую и вторую передающие антенны соединены с приемопередающей антенной HP, выход этой антенны A3 соединен с антеннами А4 и А5 первого и второго приемника соответственно, выходы этих приемников соединены с сигнальными входами (ФД), с опорными входами которых соединены выходы третьего и четвертого умножителей, выходы первого и второго ФД соединены с первым и вторым информационными выходами вычислителя соответственно; выход вычислителя соединен с центральным процессором управления движением локомотива, с которым также соединен выход первой РЛС малой дальности.
На фиг. 1 показана модель канала взаимодействия НРЛС - HP.
На ней изображено, кроме обозначенных в прямоугольниках:
ЗС
f - частота зондирующего сигнала (ЗС);
1
R - расстояние от антенны ЗС до приемной антенны HP;
PC
f - частота отраженного сигнала от HP;
С
nf - гармоники зондирующего сигнала;
2
R - расстояние от излучающей антенны HP до приемной антенны НРЛС.
На фиг. 2 представлена структурная электрическая схема нелинейной РЛС, на фиг. 3-возможный конструктив пассивной антенны для работы с нелинейной РЛС, на фиг. 2 изображено:
1 - задающий генератор (ЗГ);
2, 3, 4 и 5 - умножители частоты;
6 - первый передатчик;
7 - второй передатчик;
8 - нелинейный рассеиватель - метка начала остановочной платформы;
9 - вычислитель;
10, 11 - первый и второй фазовые детекторы (ФД) соответственно;
12, 13 - первый и второй приемники соответственно;
А1 и А2 - первая и вторая передающие антенны соответственно;
A3 - приемопередающая антенна HP;
А4 и А5 - первая и вторая приемные антенны соответственно.
На фиг. 3 изображено:
14 - проводящий лист;
15 и 16 - щели;
17 - точка возбуждения р-n перехода для диода Шотки.
Узлы крепления и размеры не показаны, также не показан радиопрозрачный защитный экран.
Схема на фиг. 2 имеет следующие соединения.
0
Выход ЗГ 1 частотой ƒ соединен с входами первого, второго, третьего и четвертого умножителей частоты (блоки 2, 3, 4 и 5 соответственно), выход первого умножителя частоты соединен с первым передатчиком 6, выход второго умножителя частоты соединен со вторым передатчиком 7, выходы которых через первую и вторую передающие антенны соединены с приемо-передающей антенной HP 8, выход антенны A3 соединен с антеннами А4 и А5 первого и второго приемника 12 и 13 соответственно, выходы этих приемников соединены с сигнальными входами ФД 10 и ФД 11 также соответственно, с опорными входами которых соединены выходы третьего и четвертого умножителей 4 и 5 также соответственно, выходы первого и второго ФД соединены с первым и вторым информационными выходами вычислителя 9; выход вычислителя 9 соединен с центральным процессором управления движением локомотива.
Конструкция выполнена на одностороннем фольгированном стеклотекстолите, ИР 8 содержит проводящий лист 14, на котором вырезаны две ветви 15 и 16, образующие спиральную антенну с двухзаходными спиралями в виде плоской щели, а между этими спиралями в точке возбуждения расположен р-n переход 17 (диод Шотки).
Антенна может быть выполнена и в виде выпуклой плоской спирали также на диэлектрической подкладке. Любой из этих конструктивов в принципе равнозначен. Размер антенны зависит от выбранной частоты.
Схема на фиг. 2 работает следующим образом.
На пути следования локомотива у каждого канала остановочной платформы на специальной мачте расположен HP на высоте 2-3 метра, причем его диаграмма направленности ориентирована поперек ж/д пути, а на боку передней части у каины машиниста расположена НРЛС, причем блок его приемо-передающих антенн ориентирован перпендикулярно продольной оси локомотива от ж/д пути параллельно поверхности земли, образуя вместе с HP информационный канал определения ординаты локомотива: НРЛС - HP - НРЛС - МП, далее автоматическая система управления тормозами от ЦП.
В качестве нелинейного локатора для данной задачи выбран фазовый НЛРС с комбинационным преобразованием частоты на HP.
HP состоит из антенной системы, согласующего устройства и нелинейного преобразователя частоты зондирующего сигнала (р-n переход). Относительный уровень вторичных сигналов зависит от конструкции, геометрических размеров, электрических свойств HP, ее положения и расстояния относительно локатора. Преобразование частоты в HP осуществляется либо на активном элементе (используется нелинейная вольт-амперная характеристика высокочастотного диода), либо на реактивном элементе (используется нелинейная вольт-фарадная характеристика р-n перехода). В первом случае имеет место эффект нелинейного, а во втором - параметрического преобразования частоты.
Два основных требования к HP устанавливаемой на лоцируемом объекте, следующие:
н
- достаточно высокая энергетика преобразования зондирующих сигналов во вторичное излучение (большое значение НЭПР а);
- малые габаритные размеры, чтобы не вносить дополнительных погрешностей в результаты измерений.
НРЛС отмечает HP и передает команду на начало торможения в систему управления локомотива для автоматического исполнения.
1
0
2
0
1
0
2
0
Для получения двушкального отсчета дальности в НРЛ используются колебания двух зондирующих частот ƒ=ƒ и ƒ=mf. Прием сигналов от НРЦ ведется двухканальным приемником на к -х гармониках зондирующих частот: kƒ=kƒ и kƒ=kmƒ. Число k на практике следует выбирать равным двум или трем (при больших k ухудшается энергетика радиолинии, а при малых будет большой уровень СПП из-за внеполосного излучения передатчиков).
0
Для обеспечения когерентности сигналов в локаторе колебания всех частот следует формировать путем умножения частоты задающего генератора (ЗГ) ƒ в целое число раз. Таким же способом получаются и опорные колебания для фазовых дискриминаторов (ФД).
1
2
На выходах ФД и ФД действуют напряжения, пропорциональные разностям фаз принятых и опорных колебаний, которые с учетом использованных на рис. 2 обозначений равны
0
max
Как следует из фиг. 2, при проектировании фазового НРЛ-мера необходимо выбрать три параметра: ƒ, m и k, исходя из предъявляемых требований: максимальной дальности измерения R и требуемой точности δR.
max
Полагая, что максимальная разность фаз, однозначно измеряемая ФД, равна 2π÷Δϕ=2π, из уравнений (7) и (8) получим:
2
2
где δϕ - точность измерения разности фаз Фд.
Из (7) находим номинальную частоту ЗГ:
2
0
Полагая δϕ≈0,1 рад и подставляя в выражение (8) ƒ из (9), получим оценку точности:
откуда находим
где entier {…} - символ целой части числа, стоящего в скобках.
С точки зрения энергетики радиоканала коэффициент к следует выбирать равным двум или трем. Формулы (9) и (11) позволяют определить основные неэнергетические параметры НРЛС с фазовым измерением дальности, построенного по схеме рис. 2. При этом гарантируется согласование шкал грубого и точного отсчетов.
Алгоритм работы вычислителя для схемы фиг. 2 следующий.
В соответствии с формулами (5) и (6) определяются оценки дальности по шкале грубого отсчета  и по шкале точного отсчета :
2
0
2
где N - число полных периодов колебаний частоты kƒ=kmƒ (число полных длин волн на удвоенном расстоянии от НРЛС до HP), которое с помощью ФД не фиксируется.
1
1
0
Для определения величины N учтем, что фазовому запаздыванию Δϕ на частоте kƒ=kƒ соответствует временная задержка
1
где  - период колебаний частоты kƒ.
2
0
km
На этом интервале времени укладывается N полных периодов колебаний частоты kƒ=kmƒ, равных . Разделив (16) на T, получим
Фазовый НРЛС с комбинационным преобразованием частоты
1
2
На фиг. 2 изображена функциональная схема фазового НРЛС с комбинационным преобразованием частоты на HP, обеспечивающего точный и однозначный отсчет дальности. В локаторе применяются сигналы двух зондирующих частот ƒ и ƒ, а прием осуществляется на комбинационных частотах  и . В таком варианте построения схемы разностная частота  обеспечивает грубый, но однозначный отсчет дальности, а суммарная частота  - точный, но неоднозначный отсчет.
В схеме НРЛС, изображенной на фиг. 2 номинальные значения частот зондирующих и принимаемых сигналов следующие:
Двухчастотный прием позволяет реализовать высокоточное однозначное измерение дальности при условии согласования шкал грубого и точного отсчетов. Если же при двухчастотном приеме (двушкальном отсчете) согласовать требования по дальности и точности измерений не удается, то число шкал, определяемое числом принимаемых частот (числом каналов приема), может быть увеличено.
1
2
На выходах ФД и ФД действуют напряжения, пропорциональные разностям фаз принятых и опорных колебаний, которые с учетом использованных на фиг. 3 обозначений равны
Измеренные разности фаз подаются на вычислитель, вычисляющий оценку дальности  до HP.
НРЛС имеет следующие особенности:
- измеритель имеет двушкальный отсчет дальности;
- используются компоненты суммарной и разностной частот преобразованных на нелинейном элементе HP сигналов;
0
max
- для обеспечения когерентности использованных колебаний (принимаемых и опорных) формирование сигналов осуществляется умножением частоты ЗГ ƒ на целые числа: 2m+3; 2m+1; 4(m+1); 2m, что обеспечивает также согласование шкал грубого и точного отсчетов. Рассмотрим методику выбора неэнергетических параметров локатора при заданных максимальной дальности R и точности измерения дальности δR.
Примем, что погрешность измерения сдвига фаз может быть доведена до значения δϕ=0,1 рад.
Из выражения (2) имеем
Отсюда находим номинальную частоту ЗГ:
2
Для нахождения параметра m разрешим выражение (3) относительно R и запишем полученное соотношение в вариациях δR и δϕ:
2
0
Принимая δϕ≈0,1 рад и подставив ƒ из (5), получим
откуда находим
0
Таким образом, по формулам (5) и (10) можно определить два основных неэнергетических параметра НРЛС с фазовым методом измерения дальности: частоту ЗГ ƒ и параметр ь, через который выражаются коэффициенты умножения частоты в НРЛС-комб по схеме фиг. 1 [см. (1)]
Алгоритм работы вычислителя на фиг. 3 следующий.
Согласно формулам (2) и (3) с учетом (1) определяются оценки дальности по шкале грубого отсчета  и по шкале точного отсчета :
2
где N - число полных периодов колебаний частоты  (число полных длин волн на удвоенном расстоянии от НРЛС до HP), которое с помощью ФД не фиксируется.
1
Для определения величины N учтем, что фазовому запаздыванию Δϕ на частоте  соответствует временная задержка
Δ
где Т - период колебаний разностной частоты  равный
Σ
На этом интервале времени укладывается N полных периодов колебаний частоты , равных  Разделив (28) на Т, получим
1
Таким образом, вычислитель фазового НРЛС с комбинационным преобразованием частоты в HP в соответствии с (14) вычисляет число N по измеренному отсчету Δϕ а затем по формуле (12) дает оценку расстояния от НРЛС до HP, также фиксирует момент прохождения HP передней частью локомотива, что является сигналом начала торможения.
Кроме фазового метода измерения дальности, в НРЛС могут применяться импульсный и частотный методы. Однако они, обладая пространственным разрешением по дальности, для обеспечения тех же точностных характеристик, что и фазовый метод, требуют значительного усложнения аппаратуры, поскольку в импульсном методе для зондирования необходимы наносекундные импульсы, а в частотном методе - ЛЧМ-сигналы с девиацией частоты в несколько сотен мегагерц.
Таким образом, фазовый метод измерения дальности до HP и скорости локомотива в НРЛС имеет существенные преимущества по точности и простоте аппаратурной реализации по сравнению с импульсным и частотным методами.
На фиг. 4 изображен ход лучей для измерения ординат локомотива при приближении к остановочному пункту, на которой показано:
HP - нелинейный рассеиватель;
НРЛС - нелинейная радиолокационная станция;
l - расстояние между HP и серединой ж/д пути прохождения локомотива на высоте HP - НРЛС = const;
l' - измеренное расстояние между HP и РЛС в текущий момент времени равный var;
(а - б) - вычисленное расстояние от локомотива до начала остановочного пункта.
Работа системы при измерении ординат локомотива до остановочного пункта происходит следующим образом. С частотой запросного зондирующего сигнала с НРЛС происходит измерение дальности о HP. При каждом запросе и ответном отраженном сигнале вычисляется в ЦП расстояние от локомотива до начала остановочного пункта по теореме Пифагора равное
На фиг. 5 изображен ход лучей для измерения мгновенной скорости локомотива, на которой показано:
HP - нелинейный рассеиватель;
НРЛС - нелинейная радиолокационная станция;
А-Г - условные положения НРЛС по времени приближения к остановочному пункту;
l - расстояние между HP и серединой ж/д пути прохождения локомотива на высоте HP - НРЛС = const;
l1 - 1-3 - измеренные расстояния между НРЛС и HP в каждый момент времени равный var;
1
N
1
N
ΔS-ΔS, вычисленные расстояния прохождения локомотива за промежутки времени Δt-Δt.
1
1
2
Измерение мгновенной скорости происходит следующим образом. С частотой запросного зондирующего сигнала с НРЛС происходит измерение дальности до HP и засекается время между двумя запросами, тогда эта мгновенная скорость измеряется по формуле:  в нашем случае , причем ΔS вычисляется как на фиг. 4 путем вычитания расстояния от локомотива до остановочного пункта между двумя соседними запросами, т.е. ΔS=S-S и т.д.
Т.к. время между запросами составляет несколько миллисекунд, то скорость можно усреднить за несколько запросов.
Расположение маркеров на остановочной платформе следующее. При однопутном движении применяется два маркера по одному с каждого края остановочной платформы на самом срезе краев. При двухпутном движении (две посадочной платформы слева и справа от двухпутного пути) маркер устанавливается на каждой платформе справа и слева по ходу движения также на самом срезе платформы. Высоты установки маркеров и НРЛС на локомотиве равны между собой относительно уровня платформы.
Следует заметить, что, если на дистанции межу остановочными пунктами нужно точно контролировать скорость локомотива в определенном месте, там тоже можно установить мачту(ы) с нелинейным рассеивателем и с помощью НРЛС определить скорость.
В заключение следует заметить, что эту задачу: отыскание меток - маркеров и по ним определить скорость ординату локомотива можно и обыкновенным не нелинейным, но это технически очень сложно, т.к. такие локаторы не отличают сигнал от маркера от других целей на пути следования локомотива, как то: мачты электропередач и их провода, мачты сотовой связи, движущуюся технику около ж/д и вообще любые отражающие предметы, а их около остановочных платформ очень много, следовательно, будет много ложных целей, а, какая из них истинная, не выделяется. Только применение НРЛС однозначно решает эту задачу, причем с экономической точки зрения также очень успешен, т.к. мощность передатчика НРЛС лежит в пределах микроватт, что соизмеримо с мощностью сотового телефона.
Далее, в каждом маркере и в его ответном сигнале можно применить кодовую модуля ясно для однозначного определения номера маркера, причем для этого используется маломощная микросхема, получающая питание от запросных сигналов НРЛС. При раскодировании кодовой модуляции: порядковый номер маркера заносится на табло в кабине машиниста, который видит, около какого маркера, а, следовательно, и около какого остановочного пункта или около другой сигнальной отметки находится локомотив, несмотря, например, на плохую видимость: ночь, туман, снежные заряды и пр.