Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников земли

Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников земли

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое устройство относится к устройствам железнодорожной автоматики, телемеханики и связи и может быть использовано для управления движением поездов при повышении пропускной способности железнодорожных перегонов, повышения уровня безопасности движения и разгрузки каналов спутниковой связи.

Известны устройства для управления движения поездов (авт. свид. СССР №1267257; патенты РФ №№2049693, 2092355, 2108252, 2115140, 2.264.034, 2.305.044; Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли» (патент РФ №2305044, B61L 25/02 (2005), которое и выбрано в качестве прототипа.

Указанное устройство обеспечивает повышение надежности дуплексной связи между диспетчерским пунктом и локомотивом путем использования ложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Однако в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн надежный обмен информацией между диспетчерским пунктом и локомотивом поезда вызывает значительные трудности.

В определенной мере проблема обеспечения высокой достоверности обмена информацией между диспетчерским пунктом и локомотивом поезда может быть решена применением метода расширения спектра используемых ФМн-сигналов путем псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, достоверности и скрытности обмена информацией между диспетчерским пунктом и локомотивом поезда в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн путем псевдослучайной перестройки рабочей частоты используемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли, содержащее, в соответствии с ближайшим прототипом, установленные на каждом локомотиве приемники передаваемых с искусственных спутников Земли сигналов, выход каждого из которых связан с входом соответствующего дальномера, выходами подключенного к входам блока формирования сигналов местоположения поезда путем решения навигационных управлений, подключенного к выходу рельсового локатора и связанного выходами с входом блока контроля и регулирования скорости движения поезда, входом блока памяти, входом локомотивного дисплея и через цифроаналоговый преобразователь - с входом радиостанции, выполненной с возможностью передачи сигналов через спутник связи на диспетчерский пункт, на котором установлен блок обработки информации, связанный с радиостанцией и дисплеем, при этом каждая радиостанция выполнена в виде последовательно включенных формирователя дискретных сообщений фазового манипулятора, первого смесителя, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, полосового фильтра и фазового детектора, выход которого является выходом радиостанции, отличается от ближайшего аналога тем, что каждая радиостанция снабжена синхронизатором, генератором псевдослучайной последовательности, синтезатором несущих частот, синтезатором частот первого гетеродина и синтезатором частот второго гетеродина, причем к выходу синхронизатора последовательно подключены генератор псевдослучайной последовательности и синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, второй вход первого смесителя через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, второй вход второго смесителя через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, второй вход перемножителя соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, второй вход фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Структурные схемы радиостанций, установленных на локомотиве 2 и диспетчерском пункте 13, представлены на фиг.2 и 3 соответственно. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов по частоте, изображена на фиг.4. Фрагмент частотно-временной матрицы приведен на фиг.5.

Устройство содержит навигационные искусственные спутники Земли (ИСЗ) 1.1-1.3, локомотив 2, приемники 3.1-3.3, дальномеры 4.1-4.3, блок 5 формирования сигналов местоположения поезда, блок 6 памяти, рельсовый локатор 7, блок 8 контроля и регулирования скорости поезда, локомотивный дисплей 9, цифроаналоговый преобразователь 10, локомотивную радиостанцию 11, спутник связи 12, диспетчерский пункт 13, блок 14 обработки информации, радиостанцию 15 диспетчерского пункта и дисплей 16 диспетчерского пункта.

Радиостанция 11 (15) локомотива 2 (диспетчерского пункта 13) содержит последовательно включенные синхронизатор 33.1 (33.2), генератор 34.1 (34.2) псевдослучайной последовательности, синтезатор 17.1 (17.2) несущих частот, фазовый манипулятор 18.1 (18.2), второй вход которого соединен с выходом формирователя 19.1 (19.2) дискретных сообщений, первый смеситель 20.1 (20.2), второй вход которого через синтезатор 21.1 (21.2) частот первого гетеродина соединен с выходом генератора 34.1 (34.2) псевдослучайной последовательности, усилитель 22.1 (22.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 23.1 (23.2) мощности, дуплексер 24.1 (24.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 25.1 (25.2), второй усилитель 26.1 (26.2) мощности, второй смеситель 27.1 (27.2), второй вход которого через синтезатор 28.1 (28.2) частот второго гетеродина соединен с выходом генератора 34.1 (34.2) псевдослучайной последовательности, усилитель 29.1 (29.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 30.1 (30.2), второй вход которого соединен с выходом синтезатора 21.1 (21.2) частот первого гетеродина, полосовой фильтр 31.1 (31.2) и фазовый детектор 32.1 (32.2), второй вход которого соединен с выходом синтезатора 28.1 (28.2) частот второго гетеродина, а выход является выходом радиостанции 11 (15).

Устройство работает следующим образом.

Спутники 1.1-1.3 передают опорные сигналы и сигналы о своих эфемеридах, которые принимаются локомотивными приемниками 3.1-3.3, последние выдают опорные сигналы на дальномеры 4.1-4.3 для измерения расстояний от локомотива до навигационных спутников. Эта информация, а также данные об эфемеридах вводятся в блок 5 формирования сигналов местоположения поезда и блок 6 памяти, где предварительно записывается программа решения навигационных уравнений. Эта задача решается в блоке 5 формирования сигналов местоположения поезда. Рассчитанные таким образом координаты и составляющие вектора скорости поезда подаются на цифроаналоговый преобразователь 10 для передачи на диспетчерский пункт 13. Эта информация поступает на формирователь 19.1 дискретных сообщений, где формируется модулирующий код M₁(t).

Синхронизатор 33.1 включает генератор 34.1 псевдослучайной последовательности (ПСП), который управляет переключением несущих частот синтезатора 17.1 несущих частот. На выходе синтезатора 17.1 последовательно во времени формируется сетка высокочастотных колебаний различных рабочих частот:

где υ_i, ω_i, φ_i, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность i-го высокочастотного колебания i=1, …, М;

М - число частотных каналов;

Т_с - длительность сигнала;

τ_э - длительность элементарных посылок (символов) (фиг.5).

Временной интервал между переключениями частот образует длительность частотного элемента (или период) и характеризует собой время работы на одной несущей частоте t_c (фиг.5).

В зависимости от соотношения времени работы на одной несущей частоте t_c и длительности τ_э информационных посылок (символов) псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) может быть разделена на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную.

При межсимвольной ППРЧ и информационных символов (n≥2) передаются на одной несущей частоте, при этом t_c=n*τ_э. Каждый частотный канал занимает полосу Δω₁. Расширенный спектр Δω_с сигнала определяется величиной

Δω_c=M*Δω₁.

В качестве примера n выбрано равным 4. При этом квадратами с различной наклонной штриховкой обозначены различные информационные символы {+1, -1} с различными фазами {0, π} (фиг.5).

Указанные высокочастотные колебания на разных несущих частотах последовательно во времени поступают на первый вход фазового манипулятора 18.1, на второй вход которого подается модулирующий код M₁(t) с выхода формирователя 19.1 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 18.1 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

U_1i(t)=υ_1i*Cos[ω_it+φ_k1(t)+φ_i], 0≤t≤t_c,

где (φ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем φ_k1(t)=Const при k*τ_э<t<(к+1)*τ_э и может изменяться скачком при t=k*τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N₁);

τ_э, N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=N₁*τ_э),

который поступает на первый вход смесителя 20.1, на второй вход которого подаются напряжения синтезатора 21.1 частот первого гетеродина:

которые формируются последовательно во времени с помощью генератора 34.1 псевдослучайной последовательности.

На выходе смесителя 20.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

U_пр1i(t)=υ_пр1i*Cos[ω_пр1it+φ_k1(t)+φ_пр1i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_пр1i=1/2υ_1i*υ_г1i;

ω_пр1i=ω_i+ω_г1i - первая промежуточная (суммарная) частота;

φ_пр1i=φ_i+φ_г1i.

Это напряжение после усиления в усилителе 23.1 мощности через дуплексер 24.1 поступает в приемопередающую антенну 25.1, излучается ею в эфир на частоте ω_1i=ω_пр1i, улавливается приемопередающей антенной 25.2 диспетчерского пункта 13 и через усилитель 26.2 мощности поступает на первый вход смесителя 27.2. На второй вход смесителя 27.2 подаются напряжения U_г1i(t) синтезатора 28.2 частот второго гетеродина. На выходе смесителя 27.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты:

U_пр2i(t)=υ_пр2i*Cos[ω_пр2it+φ_k1(t)+φ_пр2i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_пр2i=1/2*υ_пр1i*υ_г1i;

ω_пр2i=ω_пр1i-ω_г1i - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр2i=φ_пр1i-φ_г1i,

которое поступает на первый вход перемножителя 30.2. На второй вход перемножителя 30.2 подаются напряжения синтезатора 21.2 частот первого гетеродина:

На выходе перемножителя 30.2 образуется напряжение

U_2i(t)=υ_2i*Cos[ω_г1it-φ_k1(t)+φ_г1i],

где υ_2i=1/2υ_пр2i*υ_г2i,

которое выделяется полосовым фильтром 31.2 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 32.2, на второй (опорный) вход которого подаются напряжения U_г1i(t) синтезатора 28.2 частот второго гетеродина. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.2 образуется низкочастотное напряжение

U_Н1i(t)=υ_н1i*Cosφ_k1(t), 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c1,

где υ_н1i=1/2υ_2i*υ_г1i,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t).

Это напряжение подается в блок 14 обработки информации, куда таким же образом передается информация со всех локомотивов. В результате ее обработки вырабатываются команды управления движением, которые по обратным каналам спутниковой связи передаются на локомотивы.

С этой целью на диспетчерском пункте 13 синтезатором 17.2 несущих частот, который управляется синхронизатором 33.2 через генератор 34.2 ПСП, формируется последовательно во времени сетка высокочастотных колебаний:

одно из которых в данный момент времени поступает на первый вход фазового манипулятора 18.2, на второй вход которого подается модулирующий код M₂(t) с выхода формирователя 19.2 дискретных сообщений. В качестве модулирующего кода M₂(t) используются команды управления движением локомотива. На выходе фазового манипулятора 18.2 образуется сложный ФМн-сигнал

U_Зi(t)=υ_зi*Cos[ω_it+φ_k2(t)+φ_i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где φ_k2(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₂(t),

который поступает на первый вход смесителя 20.2, на второй вход которого подаются напряжения U_г2i(t) синтезатора 21.2 частот первого гетеродина. На выходе смесителя 20.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.3 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты

U_ПР3i(t)=υ_пр3i*Cos[ω_пр3it-φ_k2(t)+φ_пр3i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_пр3i=1/2*υ_3i*υ_г2i;

ω_пр3i=ω_г2i-ω_i - третья промежуточная (разностная) частота;

φ_пр3i=φ_г2i-φ_i.

Это напряжение после усиления в усилителе 23.2 через дуплексер 24.2 поступает в приемопередающую антенну 25.2, излучается ею в эфир на частоте ω_2i, улавливается приемопередающей антенной 25.1 и через усилитель 26.1 мощности поступает на первый вход смесителя 27.1. На второй вход смесителя 27.1 подаются напряжения U_Г2i(t) синтезатора 28.1 частот второго гетеродина. На выходе смесителя 27.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

U_ПР4i(t)=υ_пр4i*Cos[ω_пр2it+φ_k2(t)+φ_пр4i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_пр4i=1/2*υ_пр3i*υ_г2i;

ω_пр2i=ω_г2i-ω_2i - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр4i=φ_г2i-φ_пр3i,

которое поступает на первый вход перемножителя 30.1, на второй вход которого подаются напряжения U_Г1i(t) синтезатора 21.1 частот первого гетеродина. На выходе перемножителя 30.1 образуется напряжение

U_4i(t)=υ_4i*Cos[ω_г2it+φ_k2(t)+φ_г2i], 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_4i=1/2*υ_пр4i*υ_г1i;

ω_г2i=ω_пр2i+ω_г1i,

которое выделяется полосовым фильтром 31.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 32.1. На второй (опорный) вход фазового детектора 32.1 подаются напряжение U_Г2i(t) синтезатора 28.1 частот второго гетеродина. На выходе фазового детектора 32.1 образуется низкочастотное напряжение

U_Н2i(t)=υ_н2i*Cosφ_k2(t), 0≤t≤t_c, 0≤t≤T_c,

где υ_н2i=1/2*υ_4i*υ_г2i,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t). Это напряжение поступает на исполнительные органы локомотива.

Так реализуется грубая шкала для диспетчерского контроля.

Точное измерение относительного расстояния и относительной скорости поездов производится рельсовым локатором 7 также с помощью блока 5 формирования сигналов местоположения поезда, где осуществляется операция дифференцирования относительного расстояния. Результаты относительных измерений по точной шкале поступают в блок 8 для контроля и регулирования скорость транспортного средства.

На дисплее 9 локомотива отображаются команды управления и точная шкала данного локомотива, а на дисплее 16 диспетчерского пункта - навигационная информация по грубым шкалам, поступающая от всех локомотивов.

Спутниковые навигационные системы предназначены для определения координат и скоростей любых транспортных средств и строятся таким образом, чтобы в каждой точке земного шара наблюдалось 3-4 ИСЗ. Эти навигационные спутники излучают опорные сигналы, принимаемые приемниками, расположенными на транспортных средствах. На каждом транспортном средстве размещают также дальномеры, измеряющие расстояние до спутников d_j, где j=1, 2, 3 номер ИСЗ, а также блок 5 формирования сигналов местоположения поезда и блок 6 памяти, с помощью которых решается навигационная задача вычисления координат и скоростей пользователя в геодезической системе координат |x, y, z| и |x°, y°, z°| путем определения корней системы уравнений:

где - координаты и скорости (составляющие ее вектора) навигационных спутников (эфемериды).

Они передаются пользователю вместе с опорным сигналом.

Для реализации навигационных измерений с точностью 45 м и 1,6 км/час в полученные данные нужно вводить поправки на нестабильность частоты опорных сигналов, которые также передаются пользователю и выделяются с помощью специальных дешифраторов на его борту.

Структура, в который производится решение системы, содержит алгебраические сумматоры, квадраторы, дифференциаторы, умножители, компараторы и узел решения систем уравнений.

Из приемников 3.1-3.3 поступают эфемериды навигационных спутников , дальномеры 4.1-4.3 выдают измеренные значения дальности d_j. Узел решения систем уравнений выдает решения указанных систем уравнений методом интеграции (для него команды поступают из блока 6 памяти).

Алгебраические сумматоры определяют разности , , , квадраторы возводят эти разности в квадрат, дифференциаторы вычисляют произведение

, , .

Другие алгебраические сумматоры определяют суммы, стоящие в левых частях уравнений (1) и (2). Компараторы (разновидность алгебраических сумматоров) приравнивают левые и правые части этих уравнений, причем для получения правой части уравнения (2), т.е. d_j*d^°, используются соответствующие дифференциатор и умножитель. Результаты решения уравнений вводятся в блок 6 памяти, где хранятся до востребования промежуточных и конечных результатов расчетов.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости, достоверности и скрытности обмена информацией между диспетчерским пунктом и локомотивом поезда в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн. Это достигается псевдослучайной перестройкой рабочей частоты используемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Стратегия борьбы с непреднамеренными и организованными помехами в предлагаемом устройстве заключается в «уходе» от воздействия помех за счет псевдослучайной перестройки рабочей частоты и в «противоборстве» с ними за счет фазовой манипуляции несущей частоты псевдослучайной последовательностью (ПСП). Поэтому в предлагаемом устройстве при защите от помех важной характеристикой является фактическое время работы на одной несущей частоте t_c. Чем меньше это время, тем выше вероятность того, что сложные ФМн-сигналы с ППРЧ не будут подвержены воздействию непреднамеренных и организованных помех.

Помехоустойчивость устройства зависит не только от времени работы на одной несущей частоте t_c, но и от вида помехи и ее мощности, мощности полезного сигнала, структуры приемника.

Защита передаваемой информации от несанкционированного доступа имеет пять уровней: энергетический, структурный, информационный, временной и пространственный.

Энергетический и структурный уровни обеспечиваются применением сложных сигналов с фазовой манипуляцией с ППРЧ, которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов с ППРЧ обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствии этого сложный ФМн-сигнал с ППРЧ в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала с ППРЧ отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощности сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность данных сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов с ППРЧ априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн-сигналы с ППРЧ открывают новые возможности в технике передачи дискретных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять перспективный вид селекции - структурную селекцию. Это значить, что появляется возможность выделять сложные ФМн-сигналы с ППРЧ среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМн-сигналов с ППРЧ.

Информационная скрытность определяется способностью устройства противостоять мерам коммерческой радиотехнической разведки, направленным на раскрытие смысла передаваемой информации.

Временная скрытность устройства определяется возможностью коммерческой радиотехнической разведки по сбору необходимой информации об устройстве за определенное время и зависит от условий, в которых используется система, ее временных режимов работы на излучение.

Пространственная скрытность устройства характеризует способность препятствовать станции коммерческой радиотехнической разведки с необходимой точностью определять направление прихода сигналов (или местоположение устройства).

Пространственная скрытность устройства, как и другие виды скрытности, кроме энергетической, является условным событием и зависит от ряда параметров системы дуплексной радиосвязи, например мощности сигналов, вида и параметров диаграммы направленности антенн.

Устройство для управления движением поездов с помощью искусственных спутников Земли, содержащее установленные на каждом локомотиве приемники передаваемых с искусственных спутников Земли сигналов, выход каждого из которых связан с входом соответствующего дальномера, выходами подключенного к входам блока формирования сигналов местоположения поезда путем решения навигационных уравнений, подключенного к выходу рельсового локатора и связанного выходами с входом блока контроля и регулирования скорости движения поезда, входом блока памяти, входом локомотивного дисплея и через цифроаналоговый преобразователь - с входом радиостанции, выполненной с возможностью передачи сигналов через спутник связи на диспетчерский пункт, на котором установлен блок обработки информации, связанный с радиостанцией и дисплеем, при этом каждая радиостанция выполнена в виде последовательно включенных формирователя дискретных сообщений, фазового манипулятора, первого смесителя, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, полосового фильтра и фазового детектора, выход которого является выходом радиостанции, отличающееся тем, что каждая радиостанция снабжена синхронизатором, генератором псевдослучайной последовательности, синтезатором несущих частот, синтезатором частот первого гетеродина и синтезатором частот второго гетеродина, причем к выходу синхронизатора последовательно подключены генератор псевдослучайной последовательности и синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, второй вход первого смесителя через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, второй вход второго смесителя через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, второй вход перемножителя соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, второй вход фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина.