СПОСОБ И СИСТЕМА РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
METHOD AND SYSTEM FOR RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION AND LOCATION OF RAILWAY TRANSPORT

Изобретение относится к области организации и управления движением на железных дорогах и предназначено для идентификации радиочастотных меток, размещенных на пути следования железнодорожного транспорта.
Известны способы и системы радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта (авт. св. СССР №№457.030, 498.197, 931.515, 977.251; патенты РФ №№2.054.694, 2.189.599, 2.191.127, 2.203.821, 2.222.030, 2.314.956, 2.314.957, 2.346. 840, 2.380.261, 2.397.094, 2.408.026, 2.499.714; патенты США №№3.771.119, 4.551.725, 4.739.328, 6.903.656, 7.072.747; патенты Великобритании №№1.024.735, 2.093.593; патенты ЕР №№0.593.910, 1.112.207 и др.).
Из известных способов и систем наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ и система радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта» (патент РФ №2.499.714, B61L 25/02, 2012), которые выбраны в качестве прототипа.
Способ радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта состоит в том, что на каждом участке пути располагают, как минимум, две радиочастотные метки. Первую метку размещают на подъезде к участку остановки, а вторую размещают в месте остановки. Также по обеим сторонам пути устанавливают дополнительные радиочастотные метки со сдвигом относительно друг друга.
Система для реализации способа содержит две радиочастотные метки на каждом участке пути, устройство управления и считыватель. Система снабжена дополнительными радиочастотными метками и пунктом сбора и обработки информации.
Радиочастотный считыватель 6 содержит первый 12.1, второй 12.2 и третий 12.3 приемники, в состав которых входят фазовые детекторы 22.1, 22.2, 22.3 соответственно. Фазовый детектор 59 входит также в пункт 42 сбора и обработки информации.
Следует отметить, что необходимым условием работы указанных фазовых детекторов является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМН сигнала. В указанных блоках опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемых ФМН сигналов, выделяется непосредственно из самих принимаемых ФМН сигналов. Рассмотрим эту процедуру на примере второго приемника 12.2.
Например, ФМН сигнал (фиг. 10, б):
4
4
2
K2
2
u(t)=U·Cos[(wt+φ(t)+φ],
k2
1
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг. 10, а), который отражает внутреннюю структуру ВШП и является идентификационным номером радиочастотной метки 61.j (фиг. 7), w с выхода полосового фильтра 18.2 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 22.2 и на вход удвоителя 19.2 фазы, на входе которого образуется гармоническое колебание (фиг. 10, в)
6
6
2
2
1
u(t)=U·Cos(2wt+2φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>6</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
К2
где
; 2φ(t)={0, 2π}.
Это колебание поступает на вход делителя 20.2 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое колебание (фиг. 10)
8
6
2
2
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
которое выделяется узкополосным фильтром 21.2 и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 22.2. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 22.2 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 10, и)
H2
H2
K2
1, 1
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub></mrow>
где
;
2
пропорциональное модулирующему коду М(t) (фиг. 10, а).
Описанная выше работа фазового детектора 22.2 соответствует идеальному случаю, когда отсутствуют помехи и явление «обратной работы».
K2
2
8
2
8
2
2
Под действием помех и других дестабилизирующих факторов возникает явление «обратной работы», которое объясняется неустойчивой работой делителя 20.2 фазы на два. При равновероятных значениях манипулируемой фазы сигнала φ(t)={0, π} отсутствует признак, который позволял бы привязать фазу φ опорного напряжения U(t) к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза φ опорного напряжения U(t) всегда имеет два устойчивых состояния φ и φ+π. Это легко показать аналитически.
Если провести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π
Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность объясняется неустойчивой работой делителя 20.02 фазы на два.
8
2
2
1
2
H2
2
Явление «обратной работы» обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения u(t) (фиг. 10, г) из одного состояния φ в другое φ+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов. Эти переходы за время приема ФМН сигнала происходят в случайные моменты времени, например t, t. При этом на выходе фазового детектора 22.2 выделяется искаженное низкочастотное напряжение u(t) (фиг. 10, а), не пропорциональное модулирующему коду М(t) (фиг. 10, а), что приводит к снижению надежности дистанционного мониторинга железнодорожного транспорта.
up
c
з
Кроме того, пункт 42 сбора и обработки информации построен по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω и ω и т.п.
up
c
г
up
г
з
ω=ω-ω и ω=ω-ω.
с
з
с
up
r
пр
Следовательно, если частоту настройки ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω которого отличается от частоты ω на 2ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω гетеродина (фиг. 9). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость панорамного приемника.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
,
Ki
где ω - частота i-го комбинационного канала;
ω, n, i - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность панорамного приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
K1
г
up
K2
г
up
ω=2ω-ω и ω=2ω+ω.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и надежности мониторинга железнодорожного транспорта.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и надежности дистанционного мониторинга железнодорожного транспорта путем устранения явления «обратной работы» и ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
1
2
3
1
2
3
1
1
2
2
1
2
1
2
c
Поставленная задача решается тем, что способ радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, состоящий в том, что на каждом участке железнодорожного пути при подъезде к месту остановки, по каждому направлению движения, располагают, как минимум, две радиочастотные метки, при этом первую метку размещают на подъезде к участку остановки, а вторую размещают в месте остановки, а устройством управления, расположенным на железнодорожном транспортном средстве, обрабатывают информацию, поступающую с устройства измерения скорости и через радиочастотный считыватель с первой радиочастотной метки, расположенной на участке железнодорожного пути при подъезде к месту остановки на известном расстоянии от второй радиочастотной метки на данном участке пути, и вырабатывают управляющий сигнал для тормозной системы железнодорожного транспортного средства, которая осуществляет по заранее заданному закону процесс торможения таким образом, чтобы к моменту достижения железнодорожным транспортным средством второй радиочастотной метки скорость железнодорожного транспортного средства была бы близка к нулевой, а остановку железнодорожного транспортного средства осуществляют сигналом, полученным радиочастотным считывателем со второй радиочастотной метки, при этом характеристики участка пути до места остановки кодируют в первой радиочастотной метке, а информацию второй радиочастотной метки логически связывают с информацией первой метки, при этом на пути следования железнодорожного транспортного средства по обеим сторонам железнодорожного пути устанавливают дополнительные радиочастотные метки со сдвигом относительно друг друга, в радиочастотном считывателе формируют три гармонические колебания с частотами w, w и w соответственно, усиливают их по мощности и излучают в эфир тремя приемопередающими антеннами соответственно, при этом гармоническим колебанием с частотой w облучают первую и вторую радиочастотные метки при подъезде железнодорожного транспортного средства к месту остановки, а двумя другими гармоническими колебаниями с частотами w и w облучают дополнительные радиочастотные метки, расположенные слева и справа от железнодорожного пути соответственно, принимают указанные гармонические колебания радиочастотными метками, настроенными на соответствующие частоты, в каждой радиочастотной метке гармоническое колебание преобразуют в акустическую волну, обеспечивают ее распространение по поверхности пьезокристалла и обратное отражение, преобразуют отраженную акустическую волну в сложный сигнал с фазовой манипуляцией, внутренняя структура которого соответствует структуре встречно-штыревого преобразователя, переизлучают его в эфир, улавливают приемником считывателя, умножают и делят фазу принятого сложного сигнала с фазовой манипуляцией на два, выделяют гармоническое колебание и используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принятого сложного сигнала с фазовой манипуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, соответствующее структуре встречно-штыревого преобразователя, сложный сигнал с фазовой манипуляцией, принятый третьим приемником, перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией, принятым вторым приемником и пропущенным через первый блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым первую взаимно корреляционную функцию R(τ), где τ - текущая временная задержка, изменением задержки τ поддерживают первую взаимно корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ между сигналами, принятыми вторым и третьим приемниками, сложный сигнал с фазовой манипуляцией, принятый вторым приемником, перемножают со сложным сигналом с фазовой манипуляцией, принятым третьим приемником и пропущенным через второй блок регулируемой задержки, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым вторую взаимно корреляционную функцию R(τ), изменением задержки τ поддерживают вторую взаимно корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку τ между сигналами, принятыми третьим и вторым приемниками, по полученным значениям τ и τ определяют значения скоростей V, V, пройденного пути S и направление движения железнодорожного транспортного средства, измеренные значения преобразуют в цифровые коды, формируют из них модулирующий код M(t), манипулируют им высокочастотное колебание с частотой w, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают пунктом сбора и обработки информации, преобразуют по частоте с использованием гетеродина, который перестраивают по частоте в заданном диапазоне частот, выделяют напряжение промежуточной частоты, измеряют ширину спектра сложного сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте и ширину спектра его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае их значительного различия фиксируют факт обнаружения сложного сигнала с фазовой манипуляцией, прекращают перестройку частоты гетеродина и осуществляют синхронное детектирование обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду M(t), фиксируют и анализируют его, причем первую приемопередающую антенну считывателя устанавливают на днище железнодорожного транспортного средства, вторую и третью приемопередающие антенны устанавливают слева и справа на кабине машиниста соответственно, а передающую антенну устанавливают сверху на кабине машиниста, отличается от ближайшего аналога тем, что выделенное в каждом приемнике считывателя гармоническое колебание подвергают частотному детектированию и в случае скачкообразных изменений фазы гармонического колебания под воздействием помех и других дестабилизирующих факторов выделяют короткие разнополярные импульсы, формируют с их помощью положительный прямоугольный импульс, длительность которого равна длительности искаженного отрезка гармонического колебания, воздействуют им на фазу искаженного отрезка гармонического колебания, возвращая ее в исходное состояние и обеспечивая стабильность фазы гармонического колебания, полученное гармоническое колебание со стабильной фазой используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принятого сложного сигнала с фазовой манипуляцией, на пункте сбора и обработки информации одновременно с напряжением промежуточной частоты
up
c
г
ω=ω-ω,
выделяют напряжение суммарной частоты
Σ
c
г
ω=ω+ω,
с
г
up
up
up
up
up
up
где ω - частота основного канала приема, ω - частота гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки напряжения промежуточной частоты, для синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией умножают и делят его фазу на два, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω и используют его в качестве опорного напряжения, гармоническое колебание на промежуточной частоте ω подвергают частотному детектированию и в случае скачкообразных изменений фазы гармонического колебания под воздействием помех и других дестабилизирующих факторов выделяют короткие разнополярные импульсы, формируют с их помощью положительный прямоугольный импульс, длительность которого равна длительности искаженного отрезка гармонического колебания промежуточной частоты ω, воздействуют им на фазу искаженного отрезка гармонического колебания промежуточной частоты ω, возвращая ее в исходное состояние и обеспечивая стабильность фазы гармонического колебания, полученное гармоническое колебание со стабильной фазой на промежуточной частоте ω используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принятого сложного сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте ω.
Поставленная задача решается тем, что система радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, содержащая, по меньшей мере, две радиочастотные метки на каждом участке пути, где необходима остановка, установленные на известных местах железнодорожного пути, и расположенные на железнодорожном транспортном средстве последовательно включенные устройство измерения скорости железнодорожного транспортного средства, устройство управления, второй вход которого соединен с выходом радиочастотного считывателя, и устройство регулирования скорости железнодорожного транспортного средства, дополнительные радиочастотные метки, установленные по пути следования железнодорожного транспортного средства по обеим сторонам железнодорожного пути со сдвигом относительно друг друга, и пункт сбора и обработки информации, при этом радиочастотный считыватель выполнен в виде последовательно включенных устройства управления радиочастотным считывателем, задающего генератора, первого усилителя мощности, первого циркулятора, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, первого полосового фильтра, первого удвоителя фазы, первого делителя фазы на два и первого узкополосного фильтра, а также первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход подключен к входу устройства управления радиочастотным считывателем, последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого преобразователя частоты, второго усилителя мощности, второго циркулятора, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, второго полосового фильтра, второго удвоителя фазы, второго делителя фазы на два и второго узкополосного фильтра, а также второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра, сумматора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокочастотных колебаний, четвертого усилителя мощности и передающей антенны, последовательно подключенных к выходу задающего генератора второго преобразователя частоты, третьего усилителя мощности, третьего циркулятора, вход-выход которого связан с третьей приемопередающей антенной, третьего полосового фильтра, третьего удвоителя фазы, третьего делителя фазы на два и третьего узкополосного фильтра, а также третьего фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего полосового фильтра, а выход подключен к второму входу сумматора, последовательно подключенных к выходу второго полосового фильтра первого блока регулируемой задержки, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом третьего полосового фильтра, первого фильтра нижних частот, первого экстремального регулятора, первого блока регулируемой задержки, блока определения направления движения, первого аналого-цифрового преобразователя и первой линии задержки, выход которой подключен к третьему входу сумматора, последовательно подключенных к выходу третьего полосового фильтра второго блока регулируемой задержки, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра, второго фильтра нижних частот, второго экстремального регулятора, второго блока регулируемой задержки, блока расчета текущей скорости, второй вход которого соединен с выходом первого блока регулируемой задержки, второго аналого-цифрового преобразователя и второй линии задержки, выход которой соединен с четвертым входом сумматора, последовательно подключенных к выходу блока расчета текущей скорости интегратора, третьего аналого-цифрового преобразователя и третьей линии задержки, выход которой соединен с пятым входом сумматора, второй вход блока определения направления движения соединен с выходом второго блока регулируемой задержки, причем первая приемопередающая антенна считывателя установлена на днище железнодорожного транспортного средства, вторая и третья приемопередающие антенны установлены слева и справа на кабине машиниста соответственно, а передающая антенна установлена сверху на кабине машиниста, пункт сбора и обработки информации выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска и усилителя промежуточной частоты, последовательно включенных удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого анализатора спектра, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, первого ключа, фазового детектора и компьютера, последовательно подключенных к выходу удвоителя фазы делителя фазы на два и узкополосного фильтра, при этом вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, каждая радиочастотная метка выполнена в виде пьезокристалла с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, при этом встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена четырьмя частотными детекторами, четырьмя триггерами, четырьмя двойными балансными переключателями, усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором и вторым ключом, причем к выходу узкополосного фильтра каждого приемника радиочастотного считывателя и пункта сбора и обработки информации последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора, к выходу смесителя последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам удвоителя фазы и первого анализатора спектра и к второму входу первого ключа.
На фиг. 1 показан пример расположения радиочастотных меток 1 и 2 около платформы 3. На фиг. 2 показан пример расположения первой приемопередающей антенны 14.1 на днище железнодорожного транспортного средства. На фиг. 3 показан вариант части системы, находящейся на железнодорожном транспортном средстве. На фиг. 5 показан пример реализации пункта 42 сбора и обработки информации. На фиг. 6 показан пример расположения радиочастотных меток 61j. и 62j слева и справа от железнодорожного пути. На фиг. 7 и 8 показан пример реализации радиочастотных меток 61j и 62.j (j=1, 2, …, m, где m - количество дополнительных радиочастотных меток). Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, изображена на фиг. 9. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, изображены на фиг. 10.
Первая радиочастотная метка 1 располагается на участке железнодорожного пути при подъезде к месту остановки, например к платформе 3, на известном расстоянии от второй радиочастотной метки 2, которая располагается в месте остановки, таким образом, чтобы начало железнодорожного транспортного средства располагалось на линии остановки 4 (фиг. 1).
Устройство 7 управления, расположенное на железнодорожном транспортном средстве, обрабатывает информацию, поступающую с устройства 8 измерения скорости и через радиочастотный считыватель 6 с первой радиочастотной метки 1. Устройство 7 управления на основании полученной информации вырабатывает управляющий сигнал на устройство 9 регулирования скорости железнодорожного транспортного средства, которое осуществляет процесс торможения по заранее заданному закону (фиг. 3). Торможение осуществляется таким образом, чтобы к моменту достижения железнодорожным транспортным средством 5 второй радиочастотной метки 2 скорость железнодорожного транспортного средства 5 была бы близка к нулевой, а остановка железнодорожного транспортного средства осуществляется сигналом, полученным радиочастотным считывателем 6 со второй радиочастотной метки 2 (фиг. 2).
Радиочастотный считыватель 6 содержит последовательно включенные устройство 10 управления, задающий генератор 15, первый усилитель 17.1 мощности, первый циркулятор 13.1, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 14.1, первый полосовой фильтр 18.1, первый удвоитель 19.1 фазы, первый делитель 20.1 фазы на два, первый узкополосный фильтр 21.1 первый частотный детектор 73.1, первый триггер 74.1, первый двойной балансный переключатель 75.1, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 21.1, и первый фазовый детектор 22.1, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 18.1, а выход подключен к входу устройства 10 управления радиочастотным считывателем 6. К выходу задающего генератора 15 последовательно подключены первый преобразователь 16.1 частоты, второй усилитель 17.2 мощности, второй циркулятор 13.2, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 14.2, второй полосовой фильтр 18.2, второй удвоитель 19.2 фазы, второй делитель 20.2 фазы на два, второй узкополосный фильтр 21.2, второй частотный детектор 73.2, второй триггер 74.2, второй двойной балансный переключатель 75.2, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 21.2, второй фазовый детектор 22.2, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 18.2, сумматор 37, фазовый манипулятор 39, второй вход которого соединен с выходом генератора 38 высокочастотных колебаний, четвертый усилитель 40 мощности и передающая антенна 41. К выходу задающего генератора 15 последовательно подключены второй преобразователь 16.2 частоты, третий усилитель 17.3 мощности, третий циркулятор 13.3, вход-выход которого связан с третьей приемопередающей антенной 14.3, третий полосовой фильтр 18.3, третий удвоитель 19.3 фазы, третий делитель 20.3 фазы на два, третий узкополосный фильтр 21.3, третий частотный детектор 73.3, третий двойной балансный переключатель 75.3, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 21.3 и третий фазовый детектор 22.3, второй вход которого соединен с выходом третьего полосового фильтра 18.3, а выход подключен к второму входу сумматора 37. К выходу второго полосового фильтра 18.2 последовательно подключены первый блок 24.1 регулируемой задержки, первый перемножитель 25.1, второй вход которого соединен с выходом третьего полосового фильтра 18.3, первый фильтр 26.1 нижних частот, первый экстремальный регулятор 27.1, первый блок 24.1 регулируемой задержки, блок 29 определения направления движения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 24.2 регулируемой задержки, первый аналого-цифровой преобразователь 31 и первая линия 34 задержки, выход которого соединен с третьим входом сумматора 37. К выходу третьего полосового фильтра 18.3 последовательно подключены второй блок 24.2 регулируемой задержки, второй перемножитель 25.2, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 18.2, второй фильтр 26.2 нижних частот, второй экстремальный регулятор 27.2, второй блок 24.2 регулируемой задержки, блок 28 расчета текущей скорости, второй вход которого соединен с выходом первого блока 24.1 регулируемой задержки, второй аналого-цифровой преобразователь 32 и вторая линия 35 задержки, выход которого подключен к четвертому входу сумматора 37. К выходу блока 28 расчета текущей скорости последовательно подключены интегратор 30, третий аналого-цифровой преобразователь 33 и третья линия 36 задержки, выход которой соединен с пятым входом сумматора 37.
Задающий генератор 15, первый 16.1 и второй 16.2 преобразователи частоты, первый 17.1, второй 17.2 и третий 17.3 усилители мощности образуют формирователь 11 запросных сигналов. Полосовой фильтр 18.1 (18.2, 18.3), удвоитель 19.1 (19.2, 19.3) фазы, делитель 20.1 (20.2, 20.3) фазы на два, узкополосный фильтр 21.1 (21.2, 21.3) и фазовый детектор 22.1 (22.2, 22.3) образуют первый 12.1 (второй 12.2, третий 12.3) приемник. Первый блок 24.1 регулируемой задержки, первый перемножитель 25.1, первый фильтр 26.1 нижних частот и первый экстремальный регулятор 27.1 образуют первый коррелятор 23.1. Второй блок 24.2 регулируемой задержки, второй перемножитель 25.2, второй фильтр 26.2 нижних частот и второй экстремальный регулятор 27.2 образуют второй коррелятор 23.2.
Первая приемопередающая антенна 14.1 считывателя 6 установлена на днище железнодорожного транспортного средства 5, вторая 14.2 и третья 14.3 приемопередающие антенны установлены слева и справа на кабине машиниста соответственно, а передающая антенна 41 установлена сверху на кабине машиниста.
Пункт 42 сбора и обработки информации (концентратор) содержит последовательно включенные приемную антенну 43, усилитель 44 высокой частоты, смеситель 47, второй вход которого через гетеродин 46 соединен с выходом блока 45 поиска, усилитель 76 суммарной частоты, амплитудный детектор 77, второй ключ 78, второй вход которого через усилитель 48 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя 48, удвоитель 51 фазы, второй анализатор 52 спектра, блок 53 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 50 спектра соединен с выходом второго ключа 78, пороговый блок 54, второй вход которого через линию 55 задержки соединен с его выходом, первый ключ 56, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 78, фазовый детектор 59 и компьютер 60. К выходу удвоителя 51 фазы последовательно подключены делитель 57 фазы на два, узкополосный фильтр 58, частотный детектор 73, триггер 74 и двойной балансный переключатель 75, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 58, а вход подключен к второму входу фазового детектора 59.
Первый 50 и второй 52 анализаторы спектра, удвоитель 51 фазы, блок 53 сравнения, пороговый блок 54 и линия задержки 55 образуют обнаружитель (селектор) 49 ФМН - сигналов.
Каждая радиочастотная метка 61.j (62.j) выполнена в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной 63.j (64.j), и набором отражателей 71.j (72.j). При этом встречно-штыревой преобразователь (ВШП) содержит две гребенчатые системы электродов 65.j (66.j), электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 67.j (68.j) и 69.j (70.j), связанными с микрополосковой антенной 63.j (64.j) (j=1, 2, …, m, где m - количество дополнительных радиочастотных меток).
Система, реализующая предлагаемый способ радиочастотной идентификации и позиционирования железнодорожного транспорта, работает следующим образом.
При приближении железнодорожного транспортного средства 5 к месту остановки, например к платформе 3, радиочастотный считыватель 6, работающий постоянно или включающийся по командам устройства 7 управления в соответствии с заложенной в нем картой пути, через первую приемопередающую антенну 14.1 считывает информацию с первой радиочастотной метки 1, декодирует ее в первом приемнике 12.1 ответного сигнала, выделяет необходимые данные в устройстве 10 управления радиочастотным считывателем 6 и передает ее в устройство 7 управления. Первая радиочастотная метка 1 содержит и передает в устройство 7 управления всю необходимую информацию в том или ином виде о расстоянии до второй радиочастотной метки 2. Устройство 7 управления на основе заложенного в него алгоритма и на основании данных о скорости железнодорожного транспортного средства, полученных с устройства 8 измерения скорости, вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на устройство 9 регулирования скорости железнодорожного транспортного средства 5, которое осуществляет процесс торможения по заранее заданному закону таким образом, чтобы при подъезде к второй радиочастотной метке 2 иметь скорость порядка 2-5 км/ч. При подъезде ко второй радиочастотной метке 2 она попадает в диаграмму направленности 15 первой приемопередающей антенны 14.1 радиочастотного считывателя 6. Считанная информация обрабатывается и проверяется устройством 7 управления, что эта радиочастотная метка является местом остановки и при выполнении определенного критерия, например, максимума мощности ответного сигнала, выдает управляющий сигнал на устройство 9 регулирования скорости на полную остановку железнодорожного транспортного средства 5. При этом радиочастотные метки 1 и 2 устанавливаются на железнодорожном пути, в частности могут крепиться к шпалам, а первая приемопередающая антенна 14.1 радиочастотного считывателя 6 устанавливается на днище железнодорожного транспортного средства 5, при этом ее диаграмма направленности направлена вниз (фиг. 2). Остальные элементы радиочастотного считывателя 6 могут быть установлены в кабине машиниста.
В качестве устройства 8 измерения скорости и устройства 9 регулирования скорости могут быть использованы штатные устройства железнодорожного транспортного средства 5. Устройство 7 управления может быть выполнено на базе стандартного микропроцессорного блока. Ширина диаграммы направленности 15 будет определять точность остановки железнодорожного транспортного средства 5 относительно линии остановки 4.
Для дистанционного контроля железнодорожного транспортного средства при его следовании по заданному маршруту дополнительные радиочастотные метки 61.j и 62.j размещаются по обеим сторонам железнодорожного пути со сдвигом друг относительно друга (фиг. 6). При этом каждая метка 61.j (62.j) представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП), связанным с микрополосковой антенной 63.j (64.j), и набором отражателей 71.j (72.j). Встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов 65.j (66.j), электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 67.j (68j) и 69.j (70.j), связанными с микрополосковой антенной 63.j (64.j) 0=1, 2, …, m, где m - количество дополнительных радиочастотных меток, i - расстояние между соседними смежными радиочастотными метками, i=1, 2, …, n.
2
3
Радиочастотные метки 61.j, расположенные слева от железнодорожного пути, настроены на частоту w, а радиочастотные метки 62.j, расположенные справа от железнодорожного пути, настроены на частоту w. Резонансная частота радиочастотной метки определяется расстоянием между электродами, а порядок расположения электродов определяет идентификационный номер радиочастотной метки (фиг. 7, 8).
Задающий генератор 15 считывателя 6 формирует гармоническое колебание
1
1
1
1
1
u(t)=UCos(wt+φ), 0≤t≤T,
1
1
1
1
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которое поступает на входы первого 16.1 и второго 16.2 преобразователей частоты. Последние формируют гармонические колебания:
2
2
2
2
u(t)=UCos(wt+φ),
3
3
3
3
1
u(t)=UCos(wt+φ), 0≤t≤T.
<mrow><msub><mi>w</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>m</mi></mfrac><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
где
<mrow><msub><mi>w</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>m</mi></mfrac><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
1
1
2
2
При этом отношения частот n/m и n/m выбираются дробно-рациональными для исключения связи на гармониках. Для этого в преобразователях 16.1 и 16.2 используются регенеративные делители (Основы радионавигационных измерений. /Под ред. Н.Ф. Клюева. - МО СССР, 1987, с. 269).
1
2
3
1
Гармонические колебания u(t), u(t) и u(t) усиливаются в усилителях 17.1, 17.2 и 17.3 и через циркуляторы 13.1, 13.2 и 13.3 поступают в приемопередающие антенны 14.1, 14.2 и 14.3 соответственно и излучаются ими в эфир. Первая приемопередающая антенна 14.1 установлена на днище железнодорожного транспортного средства 5, при этом ее диаграмма направленности направлена вниз, считывает она информацию с радиочастотных меток 1 и 2, которые настроены на частоту w и устанавливаются на железнодорожном пути, в частности могут крепиться к шпалам.
2
3
Вторая 14.2 и третья 14.3 приемопередающие антенны установлены слева и справа на кабине машиниста соответственно, при этом их диаграммы направленности освещают радиочастотные метки 61.j и 62.j (j=1, 2, …, m), установленные слева и справа от железнодорожного пути и настроенные на частоты w и w соответственно (фиг. 6).
2
3
Гармонические колебания u(t) и u(t) улавливаются приемопередающими антеннами 63.j и 64.j, преобразуются ВШП в акустические волны, которые распространяются по поверхности пьезокристаллов, отражаются от набора отражателей 71.j и 72.j и опять преобразуются в сложные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМН):
4
4
2
k2
2
u(t)=UCos[(wt+φ(t)+φ],
5
5
3
k3
3
1
u(t)=UCos[(wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k2
3
где φ(t)={0; π},φk(t)={0; π} - манипулируемые составляющие фазы, отображающие закон фазовой манипуляции в соответствии внутренней структурой ВШП, которые являются идентификационными номерами дополнительных радиочастотных меток (фиг. 7, 8).
4
5
н2
2
н3
3
4
5
Сформированные сложные ФМн-сигналы u(t) и u(t) излучаются микрополосковыми антеннами 63.j и 64.j в эфир, принимаются антеннами 14.2 и 14.3 считывателя 6 и через циркуляторы 13.2 и 13.3 поступают на входы полосовых фильтров 18.2 и 18.3, частоты настройки которых выбираются следующим образом: w=w, w=w. Сложные ФМН-сигналы u(t) и u(t) выделяются полосовыми фильтрами 18.2 и 18.3, поступают на первые (информационные) входы фазовых детекторов 22.2 и 22.3 и на входы удвоителей 19.2 и 19.3 фазы соответственно. На выходе последних образуются гармонические колебания:
6
6
2
2
u(t)=UCos(2wt+2φ)
7
7
3
2
1
u(t)=UCos(2wt+2φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>6</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mn>4</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
где
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>7</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mn>5</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
k2
k3
6
7
Так как φ(t)={0; π} и φ(t)={0; π}, то в указанных колебаниях манипуляция фазы уже отсутствует. Гармонические колебания u(t) и u(t) поступают на входы делителей 20.1 и 20.2 фазы на два, на выходе которых образуются гармонические колебания:
8
8
2
2
u(t)=UCos(wt+φ)
9
9
3
3
1
u(t)=UCos(wt+φ), 0≤t≤T,
которые выделяются узкополосными фильтрами 21.1 и 21.2 соответственно, используются в качестве опорных напряжений и поступают на вторые (опорные) входы фазовых детекторов 22.2 и 22.3 через переключатели 75.2 и 75.3 соответственно.
В результате синхронного детектирования на выходе фазовых детекторов 22.2 и 22.3 выделяются низкочастотные напряжения:
H2
H2
k2
u(t)=UCosφ(t),
H3
H3
k3
1
u(t)=UCosφ(t), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>H</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub></mrow>
где
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>H</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>5</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mn>9</mn></msub></mrow>
,
н2
н3
пропорциональные идентификационным номерам дополнительных радиочастотных меток 61.j и 62.j. Низкочастотные напряжения u(t) и u(t) поступают на два входа сумматора 37.
Описанная выше работа приемников 12.2 и 12.3 соответствует случаю отсутствия помех и следовательно явления «обратной работы».
<mrow><msubsup><mi>u</mi><mn>8</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
2
1
2
1
2
Под действием помех и других дестабилизирующих факторов возникает явление «обратной работы», которое сопровождается скачкообразными переходами фазы, например, опорного напряжения
(фиг. 10, г) из одного состояния φ в другое φ+π. Эти переходы за время приема ФМН сигнала происходят в случайные моменты времени, например t, t. Для обнаружения указанных переходов предназначен частотный детектор 73.2. При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180° в момент времени t на выходе частотного детектора 73.2 появляется короткий положительный импульс, а при скачке фазы на -180° в момент времени t (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) отрицательный короткий импульс (фиг. 10, е). Знакочередующие импульсы с выхода частотного детектора 73.2 управляют работой триггера 74.2, выходное напряжение которого (фиг. 10, ж), в свою очередь, управляет работой двойного балансного переключателя 75.2.
8
Н
8
В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения u(t) (фиг. 10, з) совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМН сигнала u(t) (фиг. 10, б) на выходе триггера 74.2 образуется отрицательное напряжение (фиг. 10, ж) и балансный переключатель 75.2 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение u(t) (фиг. 10, з) поступает с выхода узкополосного фильтра 21.2 на опорный вход фазового детектора 22.2 без изменения.
8
1
2
8
При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения u(t) (фиг. 10, г) на +180°, обусловленным, например, неустойчивой работой делителя 20.2 фазы на два под воздействием помех, триггер положительным коротким импульсом с выхода частотного детектора 73.2 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 74.2 (фиг. 10, ж) в момент времени t становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t, который возвращает фазу опорного напряжения u(t) (фиг. 10, г) в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 74.2 (фиг. 10, ж) переводит балансный переключатель 75.2 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выходом узкополосного фильтра 21.2 поступает на опорный вход фазового детектора 22.2 с изменением фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех, и связанную с ней «обратную работу».
Следовательно, частотный детектор 73.2 обеспечивает обнаружение момента возникновения «обратной работы», а триггер 74.2 и двойной балансный переключатель 75.2 устраняет ее.
Аналогичным образом работают частотный детектор 73.1, триггер 74.1 и двойной балансный переключатель 75.1 в первом приемнике 12.1, частотный детектор 73.3, триггер 74.3 и двойной балансный переключатель 75.3 в третьем приемнике 12.3, частотный детектор 73, триггер 74 и двойной балансный переключатель 75 в пункте 42 сбора и обработки информации.
1
Аналогичным образом работает и первая приемопередающая антенна 14.1, которая считывает информацию с первой 1 и второй 2 радиочастотных меток при торможении железнодорожного транспортного средства 5. В этом случае работает первый приемник 12.1, информация с которого поступает в устройство 7 управления. При этом используется частота w.
4
5
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
Сложные ФМн-сигналы u(t) и u(t) одновременно поступают на входы двух корреляторов 23.1 и 23.2. Полученные на выходе перемножителей 25.1 и 25.2 напряжения пропускаются через фильтры 26.1 и 26.2 нижних частот соответственно, на выходах которых формируются взаимно корреляционные функции R(τ) и R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальные регуляторы 27.1 и 27.2, предназначенные для поддержания максимального значения взаимно корреляционных функций R(τ), R(τ), и подключенные к выходу фильтров 26.1, 26.2 нижних частот, воздействуют на управляющие входы блоков 24.1, 24.2 регулируемой задержки и поддерживают вводимую ими задержку τ равной τ и τ (τ=τ, τ=τ), что соответствует максимальному значению взаимно корреляционных функций R(τ) и R(τ). Значения τ и τ с соответствующих выходов блоков 24.1 и 24.2 регулируемой задержки поступают на входы блока 28 расчета текущей скорости, где определяются текущие скорости:
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
где l - расстояние между соседними смежными радиочастотными метками 61.j и 62.j, расположенными слева и справа от железнодорожного пути;
2
l - расстояние между соседними смежными радиочастотными метками 62.j и 61.j, расположенными справа и слева от железнодорожного пути.
1
2
Значения скорости V и V поступают на вход интегратора 30, на выходе которого формируется значение пройденного пути S.
4
5
1
2
1
2
з1
з2
з3
Корреляционно-экстремальная обработка сложных ФМН-сигналов u(t) и u(t) позволяет определить направление движения железнодорожного транспортного движения путем поиска экстремума в зоне положительных и отрицательных аргументов взаимно корреляционных функций R(τ) и R(τ). Наличие экстремума в зоне положительного аргумента свидетельствует о движении железнодорожного транспортного средства в прямом направлении и наоборот. Информация о знаке аргумента взаимно корреляционных функций R(τ) и R(τ) поступает со знаковых выходов блоков 24.1 и 24.2 регулируемой задержки на входы блока 29 определения направления движения железнодорожного транспортного средства. Информация с выходов блоков 28, 29 и 30 поступает на входы аналого-цифровых преобразователей 31, 32 и 33, где преобразуется в цифровые коды, которые через линии задержки 34, 35 и 36 поступают на соответствующие входы сумматора 37. Время задержки τ, τ и τ линией задержки 34, 35 и 36 выбираются таким образом, чтобы образованные цифровые коды просуммировать, в сумматоре 37 без перекрытия, т.е. чтобы разместить их последовательно на временной оси. На выходе сумматора 37 образуется модулирующий код M(t), содержащий сведения об идентификационных номерах дополнительных радиочастотных меток, скорости движения, пройденном пути и направлении движения железнодорожного транспортного средства.
Сформированный модулирующий код M(t) поступает на второй вход фазового манипулятора 39, на первый вход которого подается высокочастотное напряжение с выхода генератора 38
c
c
c
c
c
u(t)=UCos(wt+φ), 0≤t≤T,
c
c
с
c
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного напряжения.
На выходе фазового манипулятора 39 образуется сложный ФМН-сигнал
<mrow><msubsup><mi>u</mi><mi>c</mi><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>w</mi><mi>c</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
c
, 0≤t≤T,
k
k
э
э
τэ
где φ(t)={0; π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при Kτ<t<(K+1)τ и может изменяться скачком при t=K, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, …, N); (K=1, 2, …, N);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N·τ),
который после усиления в усилителе 40 мощности поступает в передающую антенну 41, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 43 пункта 42 сбора и обработки информации (концентратора) и через усилитель 44 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 47, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 46 линейно-изменяющейся частоты
г
г
г
г
п
2
u(t)=UCos(wt+πγt+φ), 0≤t≤T,
г
г
г
п
где U, w, φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и период повторения напряжения гетеродина;
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Д</mi><mi>Т</mi></mfrac></mrow>
f
- скорость перестройки частоты гетеродина в заданном диапазоне частот Д.
Передающая антенна 41 размещается сверху на кабине машиниста.
f
п
Поиск сложных ФМН-сигналов, излучаемых железнодорожными транспортными средствами, в заданном диапазоне частот Д осуществляется блоком 45 поиска, который линейно по периодическому закону с периодом Т перестраивает частоту гетеродина 46. В качестве блока 45 поиска может быть использован генератор пилообразного напряжения.
На выходе смесителя 47 образуются напряжения комбинационных частот. Усилители 48 и 76 выделяются напряжением промежуточной (разностной) и суммарной частот соответственно:
up
up
up
k
up
2
U(t)=UCos[wt+φ(t)-πγt+φ],
Σ
up
Σ
k
Σ
c
2
U(t)=UCos[(wt+φ(t)+πγt+φ], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>u</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub><mo>;</mo></mrow>
где
up
c
г
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
Σ
c
г
ω=ω+ω - суммарная частота (фиг. 9).
∑
Напряжение суммарной частоты U(t) поступает на вход амплитудного детектора 77, который выделяет ее огибающую. Последняя поступает на управляющий вход ключа 78, открывая его. В исходном состоянии ключ 78 всегда закрыт.
up
При этом напряжение U(t) промежуточной частоты, которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМН-ЛЧМ), с выхода усилителя 48 промежуточной частоты через открытый ключ 78 поступает на вход обнаружителя (селектора) 49 ФМН-сигналов, состоящего из первого 50 и второго 52 анализаторов спектра, удвоителя 51 фазы, блока 53 сравнения, порогового блока 54 и линии 55 задержки.
На выходе удвоителя 51 фазы образуется напряжение
10
10
up
up
c
2
u(t)=UCos(2wt-2πγt+2φ), 0≤t≤T,
в котором фазовая манипуляция уже отсутствует.
2
c
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью T сигнала
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
c
э
тогда как ширина спектра Δf входного ФМН-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок.
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
c
т.е. ширина спектра Δf второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf входного сигнала
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>N</mi></mrow>
Следовательно, при удвоении фазы сложного ФМ-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМН-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.
c
2
I
II
c
2
I
II
пор
пор
пор
Ширина спектра Δf входного ФМН-сигнала измеряется с помощью первого анализатора 50 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала - с помощью второго анализатора 52 спектра. Напряжения U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 50 и 52 поступают на два входа блока 53 сравнения. На выходе последнего образуется напряжение только тогда, когда напряжения, поступающие на его входы, значительно различаются по амплитуде. Так как U>>U, то на выходе блока 53 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 54. Пороговое напряжение U выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 54 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 45 поиска, выключая его, на вход линии 55 задержки и на управляющий вход ключа 56, открывая его. В исходном состоянии ключ 56 всегда закрыт.
При прекращении перестройки гетеродина 46 принудительная линейная частотная модуляция (ЛЧМ) исчезает и усилителем 48 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение
up1
up
up
k
up
U(t)=UCos[wt+φ(t)+φ],
которое через открытый ключ 56 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 59. В этом случае на выходе удвоителя 51 фазы образуется напряжение
11
10
up
up
c
u(t)UCos(2wt+2φ), 0≤t≤T,
которое поступает на вход делителя 57 фазы на два. На выходе последнего образуется напряжение
12
12
up
up
c
u(t)=UCos(wt+φ), 0≤t≤T,
которое выделяется узкополосным фильтром 58, используется в качестве опорного напряжения и подается через частотный детектор 73, триггер 74 и балансный переключатель 75 на второй (опорный) вход фазового детектора 59. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 59 образуется низкочастотное напряжение
H
H
k
c
u(t)=UCosφ(t), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>u</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow>
где
,
з
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на вход компьютера 60, где анализируется передвижение железнодорожного транспортного средства и может наблюдаться визуально оператором на экране его монитора. Время задержки τ линии задержки 55 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать и проанализировать обнаруженный сложный ФМН-сигнал. По истечении этого времени напряжение с выхода порогового блока 54 поступает на управляющий вход порогового блока 54 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. С этого момента блок 45 поиска включается, а ключ 56 закрывается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. При обнаружении очередного ФМН-сигнала, излучаемого другим железнодорожным транспортным средством на другой несущей частоте, работа пункта 42 сбора и обработки информации происходит аналогичным образом, как это описано выше.
с
Описанная выше работа системы соответствует случаю приема полезных ФМН сигналов по основному каналу на частоте ω (фиг. 9)
Если ложный сигнал (помеха)
з
з
з
U(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
поступает на вход пункта 42 сбора и обработки информации, то усилители 48 и 76 выделяются следующие напряжения соответственно:
up2
up2
up
up1
2
U(t)=UCos[wt+πγt+φ],
Σ2
up2
Σ1
Σ1
2
U(t)=UCos[(wt+πγt+φ], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>u</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub><mo>;</mo></mrow>
где
up
г
з
ω=ω-ω - промежуточная частота;
∑1
з
г
ω=ω-ω - суммарная частота;
up1
г
з
Σ1
з
г
φ=φ-φ, φ=φ-φ.
∑2
∑
∑1
∑
z1
up
з
При этом суммарное напряжение U(t) не попадает в полосу пропускания усилителя 76 суммарной частоты. Это объясняется тем, что частота настройки ω отличается от частоты ω на удвоенное значение промежуточной частоты w-w=2w. Ключ 78 в этом случае не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте w, подавляется.
k1
k2
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому w и второму w комбинированным каналам.
Предлагаемые технические решения обеспечивают не только прицельную остановку железнодорожных транспортных средств, но и позволяют определить направление, скорость, пройденный путь и местоположение железнодорожных транспортных средств. Это достигается использованием дополнительных радиочастотных меток, размещаемых на пути следования железнодорожного транспортного средства по обеим сторонам железнодорожного пути со сдвигом друг относительно друга, пункта сбора и обработки информации и радиоканала с применением сложных ФМН-сигналов.
Указанные меры обеспечивают дистанционный мониторинг за движением железнодорожных транспортных средств, выполнением ими заданного графика движения, увеличивают интенсивность и безопасность железнодорожного движения, что особенно важно для скоростных железнодорожных транспортных средств.
Сложные ФМН-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМН-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМН-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМН-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМН-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные ФМН-сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений с железнодорожных транспортных средств на пункт сбора и обработки информации. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
Таким образом, предлагаемые способ и система по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и надежности дистанционного мониторинга железнодорожного транспорта. Это достигается устранением явлении «обратной работы» и ложных сигналов (помех) принимаемых по дополнительным (зеркальному и комбинационным) каналам. Причем для обнаружения момента возникновения «обратной работы» используются частотные детекторы, а для ее устранения применяются триггеры и двойные балансные переключатели. Для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых дополнительными каналами, используются усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и второй ключ, реализующие метод узкополосной фильтрации.