СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ТУННЕЛЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ СИГНАЛОВ
SYSTEM FOR DETERMINING LOCATION OF OBJECT IN TUNNELS USING SATELLITE SIGNALS

Настоящее изобретение позволяет определить положение объекта внутри туннеля посредством спутниковых сигналов, обычно применяемых для определения наружного местоположения. Предложенная система позволяет определить положение объекта и его скорость в туннеле с "погрешностью измерения порядка десятков метров. Предложенная система состоит из двух отдельных и взаимодействующих частей, называемых в дальнейшем подсистемами, характерные особенности которых теперь рассмотрим подробно.
1. Первая подсистема имеет все необходимые функции, необходимые для излучения спутниковых сигналов внутри туннеля.
2. Вторая подсистема - это встроенный в базовый приемник спутниковой связи для определения местоположения процессор, который выполняет все действия, необходимые для расчета местоположения объекта в туннеле исходя из информации, содержащейся в спутниковых сигналах, ретранслируемых в туннеле подсистемой, описанной в предыдущем пункте 1.
В зависимости от конкретного применения, подсистема, используемая для излучения спутниковых сигналов внутри туннеля, может работать в соответствии с двумя различными режимами: прямого излучения и канализируемого излучения. Для каждого рабочего режима могут быть различные варианты осуществления подсистемы излучения.
Схема подсистемы прямого излучения, применяемая для излучения внутри туннеля, показана на фиг.1. Сигналы, передаваемые видимыми спутниками, принимают посредством надлежащим образом направленной антенны, расположенной снаружи туннеля, в непосредственной близости от входа в туннель. Затем эти сигналы усиливают в подсистеме УСИЛ и посылают по линии передачи ЛП на электромагнитный излучатель ИЗЛ, расположенный на входе или внутри туннеля.
На фиг.2 показана являющаяся предметом заявленного изобретения схема подсистемы канализируемого излучения, применяемая для излучения внутри туннеля. Передаваемые видимыми спутниками сигналы принимает антенна, расположенная снаружи туннеля в непосредственной близости от входа в туннель. Затем данные сигналы усиливаются в подсистеме УСИЛ, показанной на фиг.2, и передаются на вход по линии передачи ЛП на электрооптический преобразователь Э/O, показанный на фиг.2, основной задачей которого является их ретрансляция на один или более волоконных световодов ВС различной длины. На конце каждого волоконного световода ВС установлен оптико-электрический преобразователь O/Э, а восстановленный электрический сигнал используется в качестве входного для электромагнитного излучателя ИЗЛ. Излучатели ИЗЛ размещаются произвольно или могут располагаться на равном расстоянии друг от друга вдоль линии туннеля с дистанционным шагом d. Волоконные световоды ВС проходят по всей длины туннеля.
Спутниковые сигналы, ретранслированные в туннеле в режиме прямого или канализируемого излучения, имеют одинаковую задержку распространения в туннеле. Значение этой дополнительной задержки непосредственно зависит от расстояния между входом в туннель и приемником спутниковой связи, расположенным внутри туннеля. Дополнительная задержка, возникающая из-за распространения в туннеле, непосредственно прибавляется к задержкам распространения, связанным с каждым путем прохождения сигнала от спутника до входа в туннель.
Из этого следует, что весь путь от спутника до приемника в туннеле может быть удобно разбит на две части:
1) путь от спутника до антенны, расположенной снаружи туннеля, в непосредственной близости от входа в туннель;
2) путь в туннеле, от приемной антенны до приемника спутниковой связи внутри туннеля.
Дополнительная задержка, возникающая из-за распространения внутри туннеля, вносит дополнительную погрешность в измерение расстояния между базовым спутником и приемником, называемого псевдодальностью. Эта дополнительная погрешность может быть учтена в уравнениях псевдодальности за счет введения новой неизвестной криволинейной координаты, представляющей расстояние, покрываемое ретранслированными в туннеле сигналами. Обозначив криволинейную координату буквой s, уравнение псевдодальности для базового спутника можно переписано следующим образом:
к
к
к
s
s
b
где (x, y, z) - координаты входа в туннель; (х, у, z) k=1, 2,…, N - координаты N видимых спутников; s - расстояние от входа в туннель до приемника спутниковой связи и С - смещение часов, характер изменения которого во времени можно определить заранее с помощью известных и очень точных математических моделей. Когда приемник спутниковой связи находится вне туннеля, s=0.
b
Традиционные приемники спутниковой связи, используемые для определения местоположения объекта, не оборудованы обрабатывающими подсистемами аппаратных средств / программного обеспечения, способными выделить значение s, содержащееся в суммарной погрешности смещения часов, т.е. s+С. Как следствие, s проявляется в традиционных приемниках спутниковой связи в виде дополнительного шума, который вводит значительные погрешности в оценку местоположения и приводит к блокированию работы приемника, когда его значение превышает пороговое значение.
Чтобы избежать этого неудобства, необходимо в традиционный или современный приемник спутниковой связи встроить, как показано на фиг.3, новый процессор П, являющийся предметом заявленного изобретения
b
В представленной на фиг.3 схеме показано, что переданные спутниками сигналы, ретранслированные в туннеле, принимаются спутниковой приемной антенной AHT-RIC. Затем сигналы демодулируются и обрабатываются традиционной подсистемой RCS с целью получения результатов измерения псевдодальности и фазы. Эти данные далее в качестве входных передаются на обрабатывающую подсистему ELAB, основная задача которой состоит в определении значений псевдодальности и/или фазы и суммарного смещения часов С+s.
b
С выхода подсистемы ELAB данные о псевдодальности и суммарном смещении часов передаются в качестве входных на новый процессор Р, основной задачей которого является вычисление положения приемника внутри туннеля на основании измеренного суммарного смещения часов, т.е. С+s.
Процессор П может быть выполнен с использованием аппаратных, программных или аппаратных и программных технических средств. Функции процессора П можно проиллюстрировать с помощью двух отдельных подпроцессоров П1 и П2, представленных на фиг.4. Оба подпроцессора П1 и П2 связаны с подсистемами базового приемника спутниковой связи, как показано на фиг.4, и их задачи будут рассмотрены подробно.
Где находится приемник - внутри или снаружи туннеля - подпроцессор П1 определяет с помощью данных о суммарном смещении часов, измеренных подсистемой ELAB. Когда приемник находится снаружи туннеля, для расчета положения приемника и передачи этой информации конечному пользователю данные о псевдодальности и/или фазе поступают непосредственно в подсистему PRES, следуя по стрелке с надписью НЕТ.
Когда приемник находится внутри туннеля, данные из подсистемы ELAB поступают на вход подпроцессора П2, следуя по стрелке с надписью ДА. Задача П2 состоит в том, чтобы откорректировать данные псевдодальности и/или фазы в соответствии с вычисленной криволинейной координатой s, прямо пропорциональной расстоянию между антенной, расположенной на входе в туннель, и положением приемника внутри туннеля. Обновленные данные затем направляются в подсистему PRES для расчета положения приемника и предоставления этой информации конечному пользователю.
b
И подпроцессор П1 и подпроцессор П2 выполняют алгоритмы, основанные на информации о суммарном смещении часов s+С, предоставляемой подсистемой ELAB.