СИСТЕМА ДЛЯ РАДИОТЕЛЕФОННЫХ СООБЩЕНИЙ НА АВТОМАГИСТРАЛЯХ
SYSTEM FOR RADIOTELEPHONE MESSAGES ON HIGHWAYS

Предлагаемая система относится к средствам обеспечения безопасности, защиты и спасения человека в условиях движения на крупных автомагистралях и на железнодорожных переездах.
Известны системы для автомагистралей и автоматического ограждения железнодорожного переезда (авт. свид. СССР №№1.342.796, 1.592.206, 1.796.521, 1.801.849; патенты РФ №№2.090.777, 2.137.644, 2.183.351, 2.319.212; патенты США №№4.753.895, 4.816.893 и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система для радиотелефонных сообщений на автомагистралях» (патент РФ №2.319.212, G08B 25/12, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система обеспечивает передачу сложных сигналов с фазовой манипуляцией с локомотива на железнодорожный переезд, где срабатывают звуковая и световая сигнализации, предупреждающие о приближении поезда, т.е. реализуется симплексная радиосвязь.
Большое количество железнодорожно-транспортных происшествий с тяжелыми последствиями происходят именно на железнодорожных переездах. Одной из основных причин - это недостаточно предупредить о том, что приближается поезд. Необходимо своевременно сообщить также машинисту поезда о чрезвычайной ситуации на железнодорожном переезде, чтобы избежать происшествия, т.е. необходима дуплексная радиосвязь.
1
2
Технической задачей изобретения является повышение безопасности на железнодорожных переездах путем установления дуплексной радиосвязи между локомотивом и железнодорожным переездом с использованием двух частот ω и ω и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
2
г1
г2
г2
г1
пр2
1
г2
2
г1
2
1
Поставленная задача решается тем, что система для радиотелефонных сообщений на автомагистралях, использующая солнечную энергию для электропитания первого радиопередатчика в дневное и ночное время и состоящая из многоячеистой панели солнечных параболоидных концентраторов, в фокусах которых расположены арсенид-галлиевые фотоприемники, имеющие возможность преобразовывать концентрированную солнечную энергию с КПД до 20% и с удельной мощностью 200 Вт/м, по бокам солнечной батареи установлены фотодиоды в цилиндрических отражателях, имеющие возможность ориентировать батарею на солнце с помощью сельсинов с точностью ±2°, а сама батарея размещается в герметичной прозрачной полусфере, на которой сверху установлена штыревая антенна, соединенная с коробкой, в которой размещены буферная щелочная батарея, первый радиопередатчик, микрофоны и кнопки вызова, при этом коробки крепятся к разделительному барьеру автомагистрали на расстоянии 0,8…1 км друг от друга, второй радиопередатчик, установленный на локомотиве, выполнен в виде последовательно включенных микропроцессора, первого генератора высокой частоты и многоотводной линии задержки, кодовые отводы которой через фазоинверторы, обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом, подключены к сумматору, первый вход которого соединен с выходом первого генератора высокой частоты, а к выходу подключен телеграфный ключ, второй вход которого соединен с вторым выходом микропроцесса, второй радиопередатчик содержит также первый усилитель мощности, первый радиоприемник, установленный в коробке, которая крепится к разделительному барьеру автомагистрали в непосредственной близости от железнодорожного переезда, выполнен в виде последовательно включенных первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, и первого усилителя второй промежуточной частоты, последовательно включенных первого фазового детектора и блока сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход подключен к первому и второму исполнительным блокам, звуковому и световому сигнализаторам, первый радиоприемник содержит также первый дуплексер, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена вторым дуплексером, второй приемопередающей антенной, вторым радиоприемником, установленными на локомотиве, второй радиопередатчик снабжен вторым гетеродином, вторым смесителем и усилителем первой промежуточной частоты, причем к выходу телеграфного ключа последовательно подключены второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты и первый усилитель мощности, выход которого подключен к входу второго дуплексера, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной, второй радиоприемник выполнен в виде последовательно подключенных к выходу второго дуплексера второго усилителя мощности, третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, второго усилителя второй промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первого полосового фильтра, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, и блока регистрации и анализа, первый радиопередатчик выполнен в виде последовательно включенных второго генератора высокой частоты, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом источника цифровых сообщений, четвертого смесителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина, усилителя третьей промежуточной частоты и четвертого усилителя мощности, выход которого соединен с входом первого дуплексера, первый радиоприемник снабжен третьим усилителем мощности, вторым перемножителем и вторым полосовым фильтром, причем выход первого дуплексера через третий усилитель мощности соединен с первым входом первого смесителя, к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина, и второй полосовой фильтр, выход которого соединен с первым входом первого фазового детектора, к второму входу которого подключен выход первого гетеродина, частоты гетеродинов ω и ω разнесены на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω, второй радиопередатчик, установленный на локомотиве, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω, а второй радиоприемник, установленный на локомотиве, принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω, первый радиопередатчик, установленный на железнодорожном переезде, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией, наоборот, на частоте ω, а первый радиоприемник, установленный на железнодорожном переезде, принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω.
Общий вид предлагаемой SOS-системы изображен на фиг.1. Структурная схема второго радиопередатчика 40 и второго радиоприемника 49, устанавливаемых на локомотиве, представлена на фиг.2. Структурная схема первого радиопередатчика 21 и первого радиоприемника 35, устанавливаемых в коробке на железнодорожном переезде, изображена на фиг.3. Частотная диаграмма, поясняющая преобразование сигналов, представлена на фиг.4.
1
Второй радиопередатчик 40 содержит последовательно включенные микропроцессор 13, первый генератор 14 высокой частоты и многоотводную линию задержки 15.i (i=1, 2, …, n), кодовые отводы которой через фазоинверторы 16.j (j=1, 2, …, m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом M(t), подключены к сумматору 17, первый вход которого соединен с выходом генератора 14 высокой частоты, а к выходу последовательно подключены телеграфный ключ 18, второй вход которого соединен со вторым выходом микропроцессора 13, второй смеситель 37, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 36, усилитель 38 первой промежуточной частоты и первый усилитель 19 мощности, выход которого подключен к входу второго дуплексера 39, вход-выход которого связан со второй приемопередающей антенной 20.
Второй радиоприемник 49 содержит последовательно подключенные к выходу второго дуплексера 39 второй усилитель 41 мощности, третий смеситель 43, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 42, второй усилитель 44 второй промежуточной частоты, первый перемножитель 45, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 36, первый полосовой фильтр 46, второй фазовый детектор 47, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 42, и блок 48 регистрации и анализа.
Первый радиопередатчик 21 содержит последовательно включенные второй генератор 53 высокой частоты, фазовый манипулятор 55, второй вход которого соединен с выходом источника 54 цифровых сообщений, четвертый смеситель 57, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина 56, усилитель 58 третьей промежуточной частоты и четвертый усилитель 59 мощности, выход которого подключен к входу первого дуплексера 22, вход-выход которого связан с первой приемопередающей антенной 11.
Первый радиоприемник 35 содержит последовательно подключенные к выходу первого дуплексера 22 третий усилитель 50 мощности, первый смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 23, первый усилитель 25 второй промежуточной частоты, второй перемножитель 51, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина 56, второй полосовой фильтр 52, первый фазовый детектор 27, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 23, и блок 29 сравнения кодов, второй вход которого соединен с выходом блока 28 памяти, а выход подключен к первому 30 и второму 31 исполнительным блокам, звуковому 33 и световому 34 сигнализаторам. Звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы размещаются на сигнальной панели 32, которая устанавливается на железнодорожном переезде так, чтобы приближающий участник движения мог в любое время заметить ее перед выездом на железнодорожные пути.
г1
г2
пр2
Частоты ω и ω гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты ω:
г2
г1
пр2
ω-ω=ω.
1
г2
2
г1
2
1
Второй радиопередатчик 40 излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω. Второй радиоприемник 49 принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω. Первый радиопередатчик 21 излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией, наоборот, на частоте ω. Первый радиоприемник 35 принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω.
Солнечная батарея 1 представляет собой набор солнечных параболоидных оптических концентраторов 2, сфокусированных на арсенид-галлиевые преобразователи, размещенные на тыловой стороне планок 3. Для азимутально-зенитальной ориентации по бокам батареи установлены фотодиоды 4 с отражателями 5, управляющие сельсинами 6.
Батарея установлена в герметичном прозрачном полусферическом колпаке 7 на герметичной коробке 8, внутри которой расположены буферная щелочная батарея, радиопередатчик 21, дуплексер 22 и радиоприемник 35, а на противоположных стенах коробки размещены микрофоны 9 и кнопки вызова 10. Штыревая приемопередающая радиоантенна 11 установлена в верхней части полусферы, а вся система закреплена на разделительном барьере 12 автомагистрали в непосредственной близости от железнодорожного переезда.
Система работает следующим образом.
При возникновении дорожно-транспортного происшествия его участники нажимают кнопку 10 и через микрофон 9 сообщают в дежурную часть о подробностях случившегося.
В течение дня солнечную батарею ориентируют на солнце (или на наиболее освещенную часть неба) при помощи фотодиодов 4 с отражателями 5, которые на основе достижения равносигнальной зоны управляют сельсинами 6. При этом подзаряжают буферную батарею для работы в ночное время.
1
При приближении локомотива к железнодорожному переезду на расстоянии R микропроцессор 13 включает радиопередатчик и генератор 14 высокой частоты, который формирует радиоимпульс:
C
c
c
c
N
U(t)=υ·Cos(ωt+φ), 0≤t≤τ,
c
c
с
N
где υ, ω, φ, τ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность радиоимпульса.
i
N
1
Сформированный импульс с выхода генератора 14 высокой частоты поступает на первый вход сумматора 17 и на вход многоотводной линии задержки 15.i (i=1, 2, …, n). В многоотводной линии задержки 15.i время задержки между ближайшими соседними отводами равно длительности радиоимпульса (τ=τ, i=1, 2, …, n). В некоторых отводах линии задержки включены фазоинверторы 16.j (j=1, 2, …, m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° в соответствии с идентификационным кодом M(t). На выходе сумматора 17 образуется сложный фазоманипулированный (ФМн) радиосигнал в виде алгебраической суммы радиоимпульсов со всех отводов линии задержки 15.i (i=1, 2, …, n) и с выхода генератора 14 высокой частоты:
1
c
c
k1
c
C1
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k1
1
k1
и
и
и
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при k·τ<t<(к+1)·τ и может изменяться скачком при t=k·τ, т.е. на границах между элементарными посылками (радиоимпульса) (k=1, 2, …, n);
и
C1
C1
и
τ, n - длительность и количество элементарных радиоимпульсов, из которых составлен сигнал длительностью T (T=τ·n).
Данный сигнал поступает на первый вход второго смесителя 37, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 36:
г1
г1
г1
г1
U(t)=υ·Cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 37 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 38 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты:
пр1
пр1
пр1
k1
пр1
C1
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр1
c1
г1
где υ=1/2υ·υ;
пр1
с
г1
ω=ω+ω - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с1
г1
ω=ω+ω.
1
пр1
Г1
Это напряжение после усиления в усилителе 19 мощности через дуплексер 39 поступает в приемопередающую антенну 20, излучается ею в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемопередающей антенной 11 и через дуплексер 22 и усилитель 50 мощности поступает на первый вход смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 23. На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты:
пр2
пр2
пр2
k1
пр2
C1
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр2
пр1
г1
где υ=1/2υ·υ;
пр2
пр1
г1
ω=ω+ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
которое поступает на первый вход перемножителя 51. На второй вход перемножителя 51 подается напряжение гетеродина 56:
г2
г2
г2
г2
U(t)=υ·Cos(ωt+φ).
На выходе перемножителя 52 образуется напряжение:
2
2
г1
k1
г1
C1
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
2
пр2
г2
где υ=1/2υ·υ;
г1
которое выделяется полосовым фильтром 52 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 27, на второй (опорный) вход подается напряжение U(t) гетеродина 23. На выходе фазового детектора 27 выделяется низкочастотное напряжение:
Н1
н1
k1
C1
U(t)=υ·Cosφ(t), 0≤t≤T,
н1
2
г1
где υ=1/2υ·υ;
1
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на первый вход блока 29 сравнения кодов, на второй вход которого подается модулирующий код M(t), заранее записанный в блок 28 памяти. Так как на два входа блока 29 сравнения кодов поступают идентичные коды, то на его выходе формируется постоянное управляющее напряжение, которое поступает на управляющие входы двух исполнительных блоков 30 и 31, звукового 33 и светового 34 сигнализаторов.
Исполнительные блоки 30 и 31 срабатывают и обеспечивают опускание двух шлагбаумов, препятствующих с двух сторон движению транспорта через железнодорожный переезд.
Звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы срабатывают и извещают о приближении к железнодорожному переезду локомотива.
СЛ
Для повышения достоверности приема ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 5 секунд. Это обеспечивается микропроцессором 13, который замыкает цепь телеграфного ключа 18 через тот же интервал времени. При этом звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы работают в проблесковом режиме с периодом следования Т=5 секунд.
2
При достижении локомотивом второго рубежа R (критического) микропроцессор 13 замыкает цепь телеграфного ключа 18 накоротко. При замкнутой накоротко цепи телеграфного ключа 18 звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы посылают в пространство непрерывные звуковой и световой сигналы.
При проследовании локомотива через железнодорожный переезд шлагбаумы поднимаются, а звуковой 33 и световой 34 сигнализаторы прекращают свою работу.
При приближении локомотива к очередному железнодорожному переезду работа системы происходит аналогичным образом.
Если на железнодорожном переезде возникает чрезвычайная ситуация, например заглох двигатель транспортного средства, пересекающего железнодорожный переезд, то включается генератор 53 высокой частоты, который формирует гармоническое колебание:
С2
с2
с
с2
C2
U(t)=υ·Cos(ωt+φ], 0≤t≤T,
2
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 55, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода источника 54 цифровых сообщений. Данный код содержит сведения о чрезвычайной ситуации, возникшей на железнодорожном переезде. На выходе фазового манипулятора 55 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией:
3
с2
с
k2
с2
с2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
k2
2
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t);
Г2
который поступает на первый вход смесителя 57, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 56. На выходе смесителя 57 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 58 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты:
пр3
пр3
пр3
k2
пр3
с2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр3
c2
г2
где υ=½·υ·υ;
пр3
г2
с
ω=ω-ω - третья промежуточная (суммарная) частота;
пр3
г2
с2
φ=φ+φ.
2
пр3
Г2
Это напряжение после усиления в усилителе 59 мощности через дуплексер 22 поступает в приемопередающую антенну 11, излучается ею в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемопередающей антенной 20 и через дуплексер 39 и усилитель 41 мощности поступает на первый вход смесителя 43. На второй вход смесителя 43 подается напряжение U(t) гетеродина 42. На выходе смесителя 43 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 44 выделяется напряжение второй промежуточной частоты:
пр4
пр4
пр2
k2
пр4
с2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр4
пр3
г2
где υ=½·υ·υ;
пр2
г2
пр3
ω=ω+ω - вторая промежуточная (суммарная) частота;
пр4
г2
пр3
φ=φ+φ,
Г1
которое поступает на первый вход перемножителя 45, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 36. На выходе перемножителя 45 образуется напряжение
4
4
г2
k2
г2
с2
U(t)=υ·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
4
пр4
г1
где υ=½·υ·υ;
г2
пр2
г1
ω=ω+ω;
Г2
которое выделяется полосовым фильтром 46 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 47. На второй (опорный) вход фазового детектора 47 подается напряжение U(t) гетеродина 42. На выходе фазового детектора 47 образуется низкочастотное напряжение:
Н2
н2
k2
с2
U(t)=υ·Cosφ(t), 0≤t≤T,
н2
4
г2
где υ=½·υ·υ;
2
пропорциональное модулирующему коду M(t), которое поступает на вход блока 48 регистрации и анализа. Тем самым машинист локомотива оперативно получает информацию о чрезвычайной ситуации на железнодорожном переезде и принимает меры для предотвращения катастрофы.
Предлагаемая система обеспечивает своевременное предупреждение о приближении поезда к железнодорожному переезду. Для предупреждения используется сигнальная панель 32 со звуковой и световой сигнализацией, которая монтируется на железнодорожном переезде так, чтобы приближающийся участник движения мог в любое время заметить ее перед въездом на железнодорожные пути.
1
2
г1
г2
г2
г1
пр2
1
г2
пр1
2
г1
пр3
2
1
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает повышение безопасности на железнодорожных переездах. Это достигается установлением дуплексной радиосвязи между локомотивом и железнодорожным переездом с использованием двух частот ω и ω и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. При этом частоты ω и ω разнесены на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω. Второй радиопередатчик 40, установленный на локомотиве, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω=ω, а второй радиоприемник 49, установленный на локомотиве, принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω=ω. А первый радиопередатчик 21, установленный на железнодорожном переезде, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией, наоборот, на частоте ω, а первый радиоприемник 35, установленный на железнодорожном переезде, принимает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω.