Лекция 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА С      ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ

11.1 Назначение и принцип действия спутниковых  навигационных систем

Для отслеживания перемещения подвижных объектов возможно применение спутниковых систем. Развитие отечественной глобальной радионавигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС) имеет сорокалетнюю историю, начало которой положено, как чаще всего считают, запуском 4 октября 1957 г. в Советском Союзе первого в истории человечества искусственного спутника Земли (ИСЗ). Измерения доплеровского сдвига частоты передатчика этого ИСЗ на пункте наблюдения с известными координатами позволили определить параметры движения этого спутника.

Обратная задача была очевидной: по измерениям того же доплеровского сдвига при известных координатах ИСЗ найти координаты пункта наблюдения. Эффект Доплера (по имени австрийского физика К. Доплера) состоит в изменении регистрируемой приемником частоты колебаний или длины волны при относительном движении приемника и источника этих колебаний.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к опытно-конструкторским работам над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившее в дальнейшем название «Цикада». В 1979 г.  была сдана в эксплуатацию навигационная система 1-го поколения «Цикада» в составе 4-х навигационных спутников (НС), выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83° и равномерным распределением плоскостей орбит вдоль экватора. Она позволяет потребителю в среднем через каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из НС и определять плановые координаты своего места при продолжительности навигационного сеанса до 5…6 мин.

В ходе испытаний было установлено, что основной вклад в погрешность навигационных определений вносят погрешности передаваемых спутниками собственных эфемерид, которые определяются и закладываются на спутники средствами наземного комплекса управления. Поэтому наряду с совершенствованием бортовых систем спутника и бортовой приемоиндикаторной аппаратуры, разработчиками системы серьезное внимание было уделено вопросам повышения точности определения и прогнозирования параметров орбит НС.

Успешная эксплуатация низкоорбитальных спутниковых навигационных систем морскими потребителями привлекла широкое внимание к спутниковой навигации. Возникла необходимость создания универсальной навигационной системы, удовлетворяющей требованиям всех.

Global Positioning System (GPS) создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, подвижной состав железнодорожного транспорта, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами. Аналогом GPS является отечественная система ГЛОНАСС.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника. Для нахождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный мобильному телефону (в последнее время появились мобильные телефоны совмещающие в себе функции телефона и GPS-приемника), что позволяет носить его в кармане костюма, устанавливать на подвижных объектах транспорта (например,  в системах контроля положения грузов). Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения и скорости различных подвижных объектов, а также определения времени, важным ее достоинством являются непрерывность выдачи информации, всепогодность и скрытность.

Спутниковые системы местоопределения подвижных объектов базируются на использовании радиолиний, обеспечивающих передачу сигналов между подвижным объектом, ИСЗ и наземной станцией.

Наземный комплекс управления решает следующие задачи:

­– программное и командное управление ИСЗ;

– мониторинг ИСЗ;

– эфемеридное  и частотно-временное обеспечение (определение параметров движения и частотно-временных поправок ИСЗ).

Эфемериды (в астрономии) – координаты небесных светил, параметры орбит спутников и другие переменные астрономические величины, вычисляемые для ряда последовательных моментов времени и сведенные в таблицы.

Навигационные сигналы содержат эфемеридную информацию о параметрах движения ИСЗ. Аппаратура потребителя принимает эти сигналы  и определяет дальность от объекта до ИСЗ [3].

Координаты местоположения вычисляются на основе измеренных дальностей до четырех спутников. Трех измерений было бы достаточно, если иметь на объекте сверхточные часы. На спутнике установлены атомные часы с точностью 10^-9 сек. Часы приемника из соображения затрат не могут быть совершенные, поэтому необходимо устранить отставание или опережение времени за счет четвертого измерения. Расстояние до спутников определяется путем измерения промежутка времени, который потребуется радиосигналу чтобы дойти до объекта.

 На точность навигации подвижных объектов оказывают влияние различного рода погрешности: ионосферные и атмосферные задержки сигналов; мгогопутность распространения сигнала, инструментальная ошибка приемника; тропосфера; геометрическое расположение спутников и прочее.  Некоторые из этих ошибок могут быть устранены математически или путем моделирования. Другие источники ошибок оценить трудно.

Глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС были не только развернуты, но и опробованы в гражданском и боевом применении, функционирует целый ряд систем спутниковой связи.

11.2. Возможность применения систем спутниковой навигации в системах интервального регулирования поездов

Схема построения системы местоположения и сопровождения подвижных объектов на основе спутниковой радионавигации системы составлена на рис. 11.1.

 

Рис. 11.1. Эскизная схема работы систем спутниковой навигации

 

В системе не существует как таковых напольных устройств. Все их функции объединяют в себе блок пользовательских портативных навигационных систем и основная система спутниковой навигации.

Портативные спутниковые навигаторы устанавливаются непосредственно на подвижном составе (на локомотиве и на грузах, которые включены в систему контроля положения груза).

Необходимая информация о координатах железнодорожных объектов (напольных сигналов выходных и входных светофорах) хранится в едином диспетчерском центре управления и по каналам связи (физическим цепям, либо по спутниковым системам связи) передается на систему контроля положения подвижной единицы на станции, прилегающие к перегону.

Таким образом, решается задача не только обеспечения безопасности движения, но и организации единого информационного пространства, соединяющего единый диспетчерский ЦУП и участковые станции.

Получив от ДСП станции А информацию о начале движения поезда, системы слежения за объектом на соседней станции Б начинают получать информацию о местонахождении подвижной единицы. При расхождении координат подвижной единицы с координатами выходного светофора на 5 м выходной светофор станции А перекрывается на запрещающее показание. В дальнейшем при приближении подвижной единицы к станции Б входной светофор станции Б открывается. При проследовании на нем загорается запрещающее показание. И ДСП станции Б получает информацию о прибытии головы поезда.

Существующие на сегодняшний день системы ДК и ДЦ пока еще не обладают возможностью работы с системами спутниковой навигации для определения положения подвижных единиц, однако в сроком будущем превосходства спутниковых систем интервального регулирования движения поездов станут очевидны, а техническая реализация будет обладать максимальной надежностью и безопасностью.

Вся информация автоматически заносится в протокол работы ДСП, составляется исполненный график движения поездов, и результаты отправляются в ЕДЦУ.

К преимуществам данной системы можно отнести широкий спектр решаемых задач как по обеспечению безопасности движения, так и предоставления дополнительных сервисных функций, таких как определение местоположения грузовых вагонов, автоматическая корректировка графика движения поездов с выдачей информации о планируемых задержках на табло пассажирских и грузовых терминалов и многое другое.

К недостаткам можно отнести сложность обслуживания, недоступность обслуживания орбитальной группировки систем, некоторая подверженность космическим явлениям (интерференция солнечных лучей и т. д.). Главным функциональным недостатком подобных систем является то, что несмотря на свое техническое совершенство данная система не позволяет обеспечивать контроль состояния рельсовых нитей.

Контроль прибытия поезда в полном составе может быть осуществлен следующими способами:

·     Применение счетчиков осей

·     Применение излучателей на локомотивах и отражателей на хвостовых вагонах

·     Системы визуального контроля на малодеятельных участках

·     Системы спутникового контроля (на тех же приемниках навигационной информации, что и локомотивные устройства)

Данные системы позволяют помимо ускорения работы железнодорожного транспорта, повышения пропускной способности, повышения качества обслуживания, еще и повысить экономический эффект, т. к. внедрение данных систем практически полностью исключает затраты железной дороги на содержание рельсовых цепей, их сезонную настройку.

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из важнейших проблем информатизации железнодорожного транспорта России является автоматизация сбора первичной оперативной информации и сокращение до минимума времени на ее доставку потребителям. Это необходимое условие обеспечения высокой эффективности работы такой сложной отрасли народного хозяйства, как железнодорожный транспорт. Нижний уровень инфраструктуры информатизации предназначен для централизованного сбора первичной оперативной информации о функционировании и техническом состоянии объектов транспорта. К нему относятся устройства ЖАТ, средства идентификации и контроля технического состояния подвижного состава и др., обеспечивающих функционирования АСУ верхних уровней.

Структура технических средств ССИ так же разнообразна, как и решаемые задачи в комплексах информационных технологий железнодорожного транспорта. Знание технических и метрологических характеристик позволит правильно выбрать и эксплуатировать аппаратные средства АСУ.

В настоящее время продолжает развиваться направления по сбору как аналоговых, так и дискретных сигналов на основе программируемых микропроцессорных контроллеров. Подобные устройства внедряются и для автоматизации сбора информации на ж.-д. транспорте.

Изучением теоретической части учебной дисциплины не должны ограничиваться только данным конспектом. Работа по овладению умений и навыков будет продолжена, изучая дополнительную литературу и в практической части курса. Желаю удачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.   Автоматизация диспетчерского управления и регулирования, экс­плуатационной работы на железнодорожных участках и узлах // Экс­пресс-информация. Серия - Вычислительная техника и автоматизиро­ванные системы управления (ЦНИИ ТЭИ МПС). – М., 1997. - Вып. 4.

2.   Антипов, В.И. Эксплуатация устройств контроля  состояния перегона методом счета осей/ В.И.Антипов, С.А.Щиголев, В.А.Чеблаков // Автоматика, связь, информатика.– 1999.– №11, - С. 26-28.

3.   Болдин, В.А.Современные глобальные радионавигационные системы/ В.А.Болдин.– М.:Транспорт, 1985.–47 с.

4.   Брискина Т.С. Создание и внедрение единой корпоротивной автоматизированной системы управления финансами и ресурсами отрасли/Т.С. Брискрна, Н.И.Шутова //Автоматика, связь, информатика.– 2000.– №6.–  С.2-7.

5.   Бухгольц, В.П. Путевые датчики контроля подвижного состава на рельсовом транспорте/ В.П.Бухгольц, Г.А.Красовский, А.Э.Штанке. – М.: Транспорт, 1976. – 96 с.

6.   Буянов, В.А. Автоматизированные информационные системы на железнодорожном транспорте/ В.А.Буянов, Г.С.Ратин. – М.: Транспорт, 1984.– 215 с.

7.  Васин, Н. Н. Системы сбора информации на железнодорожном транспорте: Учебное пособие/ Н.Н.Васин, В.П.Мохонько.– Самара: СамИИТ, 2001,– 120 с.

8.   Галкин, О.В. Информационно-эксплуатационные показатели датчиков для счета осей/ О.В. Галкин, Г.Ф.Насонов  //Автоматика, связь, информатика.– 2002.– №2.–  С. 33-35.

9.   Гриненко, А.В.. Основные принципы построения диспетчерской подсистемы в АПК-ДК/ А.В.Гриненко, А.И.Пресняков, В.И.Варченко //Автоматика, связь, информатика.– 2000.– №9.–  С.16-21.

10.   Давыдов, Ю.А. Моделирование, оптимизация и контроль информационных потоков локомотивного депо: Монография/ Ю.А.Давыдов.– Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001.– 116 с.

11.   Дмитренко, И.Е. Измерение и диагностирование в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи/ И.Е. Дмитренко, В.В.Сапожников, Д.В.Дьяков.– М.: Транспорт, 1994.–263 с.

12.   Душин, Е. М. Основы метрологии и электрические измерения / Е. М.Душин. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1987. – 290 с.

13.   Есюнин, В. И. О проблемах эксплуатации устройств АЛСН / В. И. Есюнин //Автоматика, связь, информатика. – 2000. - № 5. – С. 32 – 34.

14.   Ефремов, Д.И. Принципы построения дорожного центра управления/ Д.И.Ефремов //Автоматика, связь, информатика.– 2000.–№4.–С.11-13.

15.   Зыков, В.Н. Применение аппаратуры счета осей Az350 фирмы ²SIMENS² в проектах автоблокировки/ В.Н.Зыков // Автоматика, телемеханика и связь. –1995. –№11. – С. 33-34.

16.   Информационная система для управления перевозочным процессом / Ратин Г.С., Угрюмов Г.А., Писарев А.П., Рыбаков О.М. Под ред. Ратина Г.С. – М.: Транспорт, 1989.– 240 с.

17.   Казаков, А. А. Автоматизированные системы интервального регулирования движения поездов / А. А. Казаков, В. Д. Бубнов, Е. А. Казаков. – Москва: Транспорт, 1995. – 320 с.

18.   Кириленко, А. Г. Комплексная автоматизированная система управления железнодорожным транспортом. Учебное пособие/ А.Г.Кириленко.– Хабаровск. Издательство ХабИИЖТ, 1985.– 82 с.

19.   Кириленко, А.Г. Рельсовые цепи: Курс лекций/ А.Г.Кириленко.–Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000.-68 с.

20.   Кириленко, А.Г. Счетчики осей в системах железнодорожной автоматики и телемеханики: Учеб.пособие /А.Г.Кириленко, А.В.Груша. –Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003.-75 с.

21.   Косилов, Р.А. Основные направления использования систем видеонаблюдения / Р.А.Косилов, Ю.И.Таныгин// Автоматика, связь и информатика.– 20019.– №7 – С.31-32.

22.   Клаассен, К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К. Б. Клаассен. –Москва: Постмаркет, 2000. – 352 с.

23.   Крамаренко, Е.Р. Системы сбора информации на железнодорожном транспорте: Методическое пособие на выполнение практических занятий/ Е.Р.Крамаренко. –Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003.-66 с.

24.   Куликовский, К.Л. Методы и средства измерений. Учебное пособие для вузов/ К.Л.Куликовский, В.Я. Купер. – М.: Энергоатомиздат, 1986.– 234 с.

25.   Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Учебное пособие для вузов / Е.С.Левшина, П.В.Новицкий. – М.: Энергоатомиздат, 1983.– 345 с.

26.   Леонов, А. А. Техническое обслуживание автоматической локомотивной сигнализации / А. А. Леонов, Б. С. Рязанцев. – Москва: Транспорт,1982. – 256 с.

27.   Малинов, В.М. Применение устройств счета осей для контроля свободности перегонов/ Малинов, В.М. // Автоматика, связь и информатика.– 1999.– №12 – С.11-14.

28.   Манаков, А.Д. Автоматизированное рабочее место поездного диспетчера в системе дистанционного управления «Диалог». Методические указания/ А.Д. Манаков. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 1999.-15 с.

29.   МИКАР. Система измерения АЛСН: руководство по эксплуатации 97Р.00.200.РЭ / Екатеринбург: НПП «Уралжелдоравтоматика», 2002.– 21 с.

30.   Мирсанов, В.Д. Современные системы железнодорожной автоматики и телемеханики, их влияние на технологию и организацию управления процессом перевозок. Конспект лекций /В.Д.  Мирсанов.–Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001.– 50 с.

31.   Мобильный измерительный комплекс автоматики и радиосвязи: руководство по эксплуатации 97Р.00.000.РЭ / Екатеринбург: НПП «Уралжелдоравтоматика», 2002. – 26 с.

32.   Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений/ П.В.Новицкий, И.А.Зограф. – Л.: Энергоатомиздат, 1991.– 304 с.

33.   Основы технической диагностики. /Под ред. П.П.Пархоменко.– М.: Энергия, 1976.– 464 с.

34.   Планирование метрологического обслуживания средств измерений и состава подразделений метрологической службы железных дорог в условиях рыночной экономики: методические указания / Ю. Я. Яныгин, Н. И. Ананьев, Т. И. Шмардов. – Москва: ВНИИЖТ МПС, 1993. – 25 с.

35.   Сергеев, А. Г. Метрология: Учебное пособие для вузов/ А.Г.Сергеев, В.В.Крохин.– М.: Логос, 2000.– 408 с.

36.   Системы железнодорожной автоматики и телемеханики./ Под ред. Ю.А.Кравцова. Учебник для ВУЗов.– М.: Транспорт, 1996, 400 с.

37.   Системы железнодорожной автоматики и телемеханики/ Автоматика, связь, информатика. – 2004. – №6– С.2-6

38.   Талалаев, В.Н. Устройства счета осей / В.Н. Талалаев, С.А.Щиголев, Б.С. Сергеев // Железнодорожный транспорт. –1999.– №5. – С. 29-31.

39.   Темников, Ф.Е. Теоретические основы информа­ционной техники. Учебное пособие для вузов/ Ф.Е.Темников, В.А. Афонин, В.И.Дмитриев. – М.: Энергия, 1979.– 512 с.

40.   Тулупов, Л.П. Автоматизированные системы управления перевозочными процессами на железных дорогах/ Л.П.Тулупов. – М.: Транспорт, 1991.– 248 с.

41.   Цветков, Э. И. Методы электрических измерений / Э. И.Цветков.– Ленинград: Энергоатомиздат, 1990. – 318 с.

42.   Шалягин, Д.В. Система диспетчерского управления "Диалог" / Д.В. Шалягин, В.А. Камнев, А.Ю.Крылов // Автоматика, телемеханика и связь. – 1996. – №9.– С.21-22.

43.   Шевцов, В.А. Технология ослуживания аппаратуры УКП СО/ В.А.Шевцов, С.А.Шиголев, В.А.Чеблаков  //Автоматика, связь, информатика.– 2001.– №11.– С. 18-21.

44.   Шелухин, В.И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта/ В.И.Шелухин. – М.: Транспорт, 1990. 119 с.

45.   Шиголев, С.А. Путевой датчик ДПЭП системы УКП СО/ С.А.Шиголев, В.А.Шевцов, Г.В. Хохряков, Б.С.Сергеев  //Автоматика, связь, информатика.– 2001.–№3.–С. 9-11.

46.   Шиголев, С.А. Станционная аппаратура системы УКП СО/ С.А.Шиголев, В.А.Шевцов, Б.С.Сергеев  //Автоматика, связь, информатика.– 2000.– №11.– С.10–14.

47.   Щиголев, С.А. Аппаратура счетных пунктов системы УКП СО / С.А.Щиголев, В.А. Шевцов, Б.С.Сергеев // Автоматика, связь и информатика.– 1999. –№12 – С.11-14.

48.   Щиголев, С.А. Система устройств контроля перегона методом счета осей. Учебное пособие для слушателей ФПК по дисциплине ²Современные устройства СЦБ²/ С.А.Щиголев, Б.С. Сергеев. – Екатеринбург: УрГУПС. 1999. – 44 с.

49.   Щиголев, С.А. Структурная и принципиальная схемы системы УКП СО/ С.А.Щиголев, В.А. Шевцов, Б.С.Сергеев // Автоматика, связь и информатика.– 1999. –№6 – С.12-15.

50.   Ягудин, Р.Ш. Системы диспетчерского управления на основе мик­ро-ЭВМ/ Р.Ш.  Ягудин // Автоматика, телемеханика и связь – 1996. – №3.– С.15-18.

51.   Автоматизация средств контроля параметров рельсовой колеи на базе вагон-лаборатории/ под ред. С. В. Архангельского, В. Б. Каменского, В. П. Конакова. – Самара: Самарский науч. центр РАН, 2002. – 236 с

52.    Баранов, В.А. Подсистема контроля колес/ В.А. Баранов.– Екатеринбург: Уральский государственный университет путей сообщения,  2002- 12 с.

53.   Наговицын, В.С. Комплексная информационно-измерительная система технического диагностирования подвижного состава/ В.С. Наговицын, А.А. Колмыков, В.И. Елфимов // Автоматика, связь и информатика.– 1999. –№6 – С.46-49.