К вопросу о применении спутниковых радионавигационных систем второго поколения ГЛОНАСС/GPS на железнодорожном транспорте

I. Введение

Сетевые спутниковые радионавигационные системы (СРНС) второго поколения ГЛОНАСС/GPS являются средствами высокоточного определения времени, координат, параметров движения потребителя в любой точке земной поверхности в любое время суток вне зависимости от метеорологических условий.

На сегодняшний день в России и за рубежом созданы различные виды одно- и двухчастотной аппаратуры потребителя (АП), позволяющие производить измерения времени с погрешностью не хуже 100 не, псевдодальностей до навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) СРНС ГЛОНАСС/GPS по коду с точностью 0.1 кодовой последовательности (0.3 м), на фазе несущей с точностью 0.003 м, что позволяет осуществлять определение координат потребителя с метровой и субсантиметровой точностью.

В основе определения местоположения потребителя в пространстве (в какой - либо системе координат) по СРНС ГЛОНАСС/GPS лежит беззапросное определение псевдодальностей до навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), координаты которых известны на момент излучения радионавигационного сигнала. Обладая набором псевдодальностей минимум до 4-х НИСЗ, координаты которых известны, методом трилатерации потребитель определяет своё местоположение в пространстве абсолютным методом с погрешностью не более 30 м. В том случае, если потребитель обладает минимум двумя приёмниками радионавигационных сигналов СРНС ГЛОНАСС/GPS, появляется возможность определения временной задержки получения одного и того же электромагнитного сигнала двумя различными приёмниками по измеренным псевдодальностям, что в свою очередь позволяет реализовывать различные виды относительных методов определения координат потребителя, точность которых варьируется от 1 м до 5 мм.

Посредством АП СРНС ГЛОНАСС/GPS на железнодорожном транспорте решаются следующие задачи:

• контроль местоположения самостоятельных подвижных единиц на перегонах;

• контроль местоположения самостоятельных подвижных единиц на станциях;

построение систем интервального регулирования;

• определение координат объектов железнодорожной линии для построения геоинформационных систем (ГИС);

• построение цифровых моделей путевого развития (ЦМПР) для целей построения систем контроля местоположения самостоятельных подвижных единиц на станциях и перегонах, построения систем интервального регулирования, определения параметров отклонения планового и высотного положения пути от проектного, определения параметров выправки пути;

• построение путеизмерительных и модернизация путерихтовочных комплексов.

В перспективе на базе АП СРНС ГЛОНАСС/GPS могут строиться системы контроля свободности участков пути и местоположения бригад, работающих на путях.

Основным сдерживающим фактором применения устройств железнодорожной автоматики на базе АП СРНС ГЛОНАСС/GPS является дефицит свободных радиоканалов на железнодорожном транспорте РФ.

С октября 2001 года отделение комплексных систем телеуправления объектами СЦБ ведёт разработку устройств железнодорожной автоматики на базе АП СРНС ГЛОНАСС/GPS как уровня многоуровневой системы (МС) управления и обеспечения безопасности движения поездов. В рамках МС отделение КСТО СЦБ разрабатывает «Средства навигационного обеспечения на базе СРНС ГЛОНАСС/GPS для систем управления движением поездов 18761946.425200.009 СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП.01.01.01-1» для целей информационного обеспечения средств контроля местоположения самостоятельных подвижных единиц на станциях, а также осуществляет построение ЦМПР на объектах, оснащаемых устройствами железнодорожной автоматики на базе АП СРНС ГЛОНАСС/GPS (ст. Енисей, Бугач, Злобино - Красноярская железная дорога).

II. СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП

СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП является автономной автоматической информационной системой и разрабатывается в рамках МС, однако, может функционировать независимо от многоуровневой системы.

Система СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП выполняет следующие функции:

Основные функции:

1. Определение местоположения и векторов скорости самостоятельных подвижных единиц на путевом развитии с погрешностью, не более 1 м.

2. Передача оперативной информации пункта 1 устройствам управления и контроля МС.

3. Приём оперативной команды на начало работы и аварийную перезагрузку от устройств управления и контроля МС.

4. Запись и хранение координатно-временной информации (КВИ) о дислокации самостоятельных подвижных единиц на путевом развитии станции и перегона в течении месяца с момента получения.

Вспомогательные функции:

• обеспечение потребителей различных служб железнодорожного транспорта файлами «сырых» измерений, выполненных по СРНС ГЛОНАСС/GPS;

• запись и хранение кадров навигационных сообщений и измеренных псевдодальностей в течение месяца с момента получения.

Требования к точности определения местоположения на путевом развитии с погрешностью, не более 1 м, объясняется тем, что минимальное расстояние между осями соседних погрузочно-разгрузочных путей станций составляет 3.6 м. Поэтому для однозначной идентификации подвижной единицы на путевом развитии необходимо получение КВИ о её дислокации в 3 раза точнее. В то же время спутниковый навигационно-геодезический приёмник производит измерение псевдодальностей по коду на частоте L1 до навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) СРНС ГЛОНАСС/GPS с погрешностью 10 - 30 см (градация 10 -30 см объясняется структурой дальномерного кода). Погрешность определения псевдодальностей до НИСЗ, равная 30 см, позволяет при реализации алгоритмов относительного позиционирования посредством решения задачи пространственной трилатерации определять местоположение позиционируемого объекта с погрешностью σквр = 30 см. При увеличении доверительного интервала в три раза (3σ) мы получаем наивероятнейшую погрешность определения местоположения подвижной единицы, равную 0.9 -1м.

В том случае, если минимальное значение расстояния между осями соседних путей на объекте автоматизации превышает значение 3.6 м, мы имеем право получать КВИ о местоположении подвижных единиц в станционной системе координат с погрешностью

σквр = (m2 квр глонасс/gps + m2 ЦМПР) < 0.33·L (l)

где:

m2 квр глонасс/gps - среднеквадратическая ошибка (СКО) получения КВР в местной (станционной) системе координат, выдаётся СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП автоматически на каждый момент обсервации для всех комбинаций созвездий видимых НИСЗ.

m2 ЦМПР - СКО построения ЦМПР в местной системе координат;

L (м) - расстояние между осями соседних путей в месте расположения подвижной единицы.

II.1. Перечень подсистем, их структура и функциональное назначение

Система СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП имеет следующую структуру:

1. Бортовая подсистема

2. Станционная подсистема информационного обеспечения МСИРБ

3. Местная система координат

4. ЦМПР

5. Карта зон ограничения прямой видимости до НИСЗ

Бортовая подсистема состоит из: АП СРНС ГЛОНАСС/GPS, модема, приемопередатчика радиосвязи, канала радиосвязи и имеет следующее функциональное назначение:

измерение псевдодальностей на частоте L1 по коду до НИСЗ ГЛОНАСС/GPS с погрешностью, не более 0.3 м, и передача файлов «сырых» измерений посредством канала радиосвязи на станционную подсистему информационного обеспечения МС в режиме реального времени по запросу станционным устройствам управления и контроля МС с частотой, не более 1 Гц, а также осуществление приёма команды на начало работы и аварийной перезагрузки бортовой подсистемы от бортовых устройств управления и контроля МС самостоятельной подвижной единицы.

Канал радиосвязи может быть структурной частью МС, а может быть структурной частью непосредственно СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП.

Станционная подсистема информационного обеспечения МС содержит: два комплекта АП СРНС ГЛОНАСС/GPS, два модема, два источника бесперебойного питания, приемопередатчик радиосвязи, канал радиосвязи, физический канал связи между ЭВМ 1 и ЭВМ 2 и имеет следующее функциональное назначение:

• контроль работоспособности НИСЗ СРНС ГЛОНАСС/GPS в режиме реального времени с частотой 1 Гц (контроль радионавигационного поля СРНС ГЛОНАСС/GPS);

• расчёт координат НИСЗ на моменты обсервации с погрешностью, не более 20 м, в общеземной системе координат;

• определение зон прямой видимости до НИСЗ с учётом существующих помех от естественных и искусственных сооружений, загораживающих свободный обзор небесной сферы спутниковым навигационным антеннам бортовых структур для всех участков станции;

• измерение псевдодальностей на частоте L1 по коду до НИСЗ ГЛОНАСС/GPS с погрешностью, не более 0.3 м;

• определение СКО измерения псевдодальностей до всех видимых НИСЗ СРНС ГЛОНАСС/GPS по внешней сходимости;

• определение оптимального набора созвездий НИСЗ для получения координатно-временного решения (КВР) с учётом зон прямой видимости для каждой подвижной единицы, оснащённой бортовой аппаратурой СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП;

• выработка КВР бортовых подсистем в общеземной системе координат, в станционной системе координат, на ЦМПР и на путевом развитии станции с погрешностью, не более 1м;

• задание и поддержание местной системы координат с погрешностью, не более 2 см;

• приём команды на начало работы и аварийную перезагрузку системы от станционных устройств управления и контроля МС;

• запись на всём протяжении функционирования файлов «сырых» измерений АП станционной подсистемы и бортовой подсистемы;

• хранение в течение 30 календарных дней файлов «сырых» измерений АП станционной и бортовых подсистем;

• запись на всём протяжении функционирования КВИ бортовых подсистем;

• хранение в течение 30 календарных дней КВИ бортовых подсистем.

Местная система координат имеет следующее функциональное назначение:

• функция координатной основы объекта автоматизации с погрешностью, не более 2 см;

• функция координатной основы для получения матрицы перехода между общеземной системой координат и местной системой координат;

• функция координатной основы при координировании осей путей объекта автоматизации с погрешностью, не более 0.2 м;

• контроль получения КВР по внешней сходимости с погрешностью, не более 2 см.

Станционная система координат по своему функциональному назначению и роли в разрабатываемой системе относится к информационному обеспечению СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП.

ЦМПР выполняют следующую функцию:

• описание с дискретностью и точностью 30 см в станционной системе координат путевого развития объекта автоматизации.

ЦМПР по своему функциональному назначению и роли в разрабатываемой системе относятся к информационному обеспечению СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП.

Карта зон ограничения прямой видимости до НИСЗ имеет следующее функциональное назначение:

• обеспечение возможности отсечения дальномерной информации, полученной бортовой АП подвижной единицы от НИСЗ, прямая видимость до которого отсутствует.

Карта зон ограничения прямой видимости до НИСЗ по своему функциональному назначению и роли в разрабатываемой системе относится к информационному обеспечению СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП.

III. Цифровые модели путевого развития

Для однозначного определения местоположения самостоятельной подвижной единицы на железнодорожном пути необходимо иметь в наличии, помимо информации о её координатах, полученных посредством АП СРНС ГЛОНАСС/GPS в местной системе координат, непрерывную цифровую модель, описывающую местоположение оси пути в той же самой системе координат, так как координаты самостоятельной подвижной единицы как в общеземной системе, так и локальной системе координат не несут никакой полезной информации о её местоположении на путевом развитии в силу того, что местоположение локомотива на станции идентифицируется на основании информации о номере пути и пикета. Как было сказано выше, ось пути объекта автоматизации должна быть описана с дискретностью и точностью 30 см в станционной системе координат.

Хранить данную информацию в виде набора точек нецелесообразно, поэтому ЦМПР создаётся и хранится в виде функций (полиномов 1-го и 2-го порядка), описывающих набор точек вдоль оси пути от и до определённых характерных точек (остряки стрелочных переводов и/или изолированные стыки).

Для создания ЦМПР необходимо:

1. Наличие местной системы координат (плановая опорная сеть 4- го класса, созданная спутниковыми методами космической геодезии, и опорная геодезическая сеть (ОГС) 2 разряда, созданная посредством электронной тахеометрии).

2. Посредством геодезического оборудования произвести определение координат всех устройств железнодорожного транспорта на станциях и перегонах, участвующих в процессе управления движенем поездов в местной системе координат (электронная тахеометрия).

3. Произвести определение координат осей пути (не менее 40 точек на км) и мест установки предельных столбиков с точностью 0.1 м - 1 м. Началом и концом участка пути на станции считать места стрелочных переводов и/или изолированных стыков.

4. Обладая координатной информацией об участках пути, ограниченных стрелочными переводами и/или изолированными стыками с точной геодезической привязкой, построить полиномы (функции), описывающие траектории движения поезда по данным участкам пути.

Для однозначной идентификации локомотива в пикетной системе координат ЭВМ 1 станционной подсистемы необходимо обладать: информацией о номере участка пути, ограниченного стрелочными переводами с известными координатами, координатно-временной информацией, полученной от АП СРНС ГЛОНАСС/GPS, и информацией о номере функции, описывающей участок пути.

IV. Алгоритмы процедур функционирования СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП

Алгоритмы процедур функционирования бортовой подсистемы

Приёмник радионавигационных сигналов (ПРНС) СРНС бортовой структуры осуществляет измерения псевдодальностей до НИСЗ и приём от НИСЗ КВИ о его местоположении в пространстве-времени.

Бортовая ЭВМ локомотива осуществляет приём по интерфейсу RS 232 в запросном режиме от ПРНС измеренных псевдодальностей и производит упаковку дальномерной информации в телеграммы с указанием времени измерения и номера НИСЗ для передачи по каналу радиосвязи станционной подсистеме СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS

СУДП в режиме реального времени. Команду на начало и конец передачи телеграмм по каналу цифровой радиосвязи отдаёт МС.

Контроль функционирования алгоритма процедур осуществляется наличием КВИ переданной ПРНС в бортовую ЭВМ локомотива (есть наличие КВИ и дальномерной информации с привязкой к конкретному НИСЗ - функционирует, информация отсутствует - не функционирует).

Алгоритмы процедур функционирования станционной подсистемы

Входной информацией для СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП от МС являются: команда на начало и окончание передачи координатно-временной информации МС с частотой до 1Гц и команда на перезагрузку.

ПРНС 1 и 2 станционной подсистемы осуществляют измерения псевдодальностей до НИСЗ и приём от НИСЗ КВИ о его местоположении на орбите в пространстве-времени.

Станционная ЭВМ 2 осуществляет приём по интерфейсу RS 232 в запросном режиме от ПРНС 2 измеренных псевдодальностей и s производит упаковку дальномерной информации в телеграммы с указанием времени измерения и номера НИСЗ для передачи по физическому каналу связи станционной подсистемы в станционную ЭВМ 1 СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП в режиме реального времени. Команду на начало и конец передачи телеграмм по физическому каналу связи в ЭВМ 1 отдаёт МС.

Станционная ЭВМ 1 осуществляет приём по интерфейсу RS 232 от ПРНС 1 измеренных псевдодальностей и кадр навигационного сообщения, а также по физическому каналу связи телеграмм от ЭВМ 2. Станционная ЭВМ 1 осуществляет приём телеграмм с КВИ по каналу цифровой радиосвязи от бортовых подсистем самостоятельных подвижных единиц. Далее станционная ЭВМ 1 производит распаковку телеграмм с измеренными псевдодальностями от ПРНС локомотива до НИСЗ с указанием моментов обсервации и номеров НИСЗ.

По кадру навигационных сообщений для каждого НИСЗ, одновременно видимого для станционных ПРНС 1 и 2 станции, вычисляются прямоугольные координаты в общеземной системе координат ПЗ - 90 с учётом преобразования мгновенных общеземных координат НИСЗ GPS из WGS 84 в ПЗ 90.

Далее станционная ЭВМ 1 производит нахождение абсолютного мгновенного ПРНС в ПЗ 90 по всем комбинациям измеренных псевдодальностей до 4 НИСЗ для каждой СРНС ГЛОНАСС или GPS, либо по каждым 5 НИСЗ СРНС ГЛОНАСС/GPS в сочетании 3 НИСЗ ГЛОНАСС, 2 НИСЗ GPS и 2 НИСЗ ГЛОНАСС, 3 НИСЗ GPS для станционных ПРНС 1 и 2.

По абсолютным (мгновенным) решениям производят определение относительных мгновенных координат относительного режима (погрешность решения не более 1 м) по мгновенным координатам антенн опорных ПРНС ПЗ 90 для всех возможных комбинаций созвездий НИСЗ, указанных в предыдущем абзаце.

По априорно известному (с субсантиметровой точностью) приращению координат между двумя фазовыми центрами опорных антенн станционной подсистемы находят комбинации НИСЗ, дающие наихудшие и наилучшие решения. НИСЗ, по которым получены КВР с СКО > 1 м2, считаются неработоспособными.

С учётом наиболее оптимальных созвездий НИСЗ для каждой бортовой подсистемы производится нахождение абсолютного мгновенного решения.

С учётом априорно известных координат станционного ПРНС 1 в общеземной системе координат вводится поправка в полученные мгновенные решения и производится определение относительных мгновенных координат бортовых подсистем подвижных единиц дифференциального режима (погрешность решения не более 1 м).

Далее производится пересчёт мгновенных относительных координат системы ПЗ 90 в местную (станционную) систему координат по априорно известной матрице перехода.

С учётом КВИ бортовых систем в местной системе координат станционная ЭВМ 1 контролирует зоны прямой видимости НИСЗ для мгновенных положений всех подвижных единиц станции и перегона. В случае обнаружения видимости НИСЗ определённой подвижной единицей, для которой прямая видимость данного НИСЗ отсутствует вследствие наличия какого - либо искусственного сооружения, закрывающего обзор небесной сферы, данный НИСЗ исключается из КВР, и поиск нового КВР осуществляется по другой комбинации созвездий НИСЗ.

На основании КВИ подвижной единицы в местной системе координат станционная ЭВМ 1 осуществляет поиск по методу наименьших квадратов (МНК) ближайшего полинома ЦМПР к мгновенному положению каждой подвижной единицы, участвующей в работе станции.

После идентификации локомотива на полиноме производится пересчёт координат подвижных единиц в пикетную форму представления КВИ относительно характерных точек путевого развития и ЦМПР.

Выходной информацией СНО СРНС ГЛОНАСС/GPS СУДП для МС являются: координаты, скорость, ускорение самостоятельных подвижных единиц на станции и перегоне, номер пути следования с частотой до 1Гц.

После получения КВР станционная ЭВМ производит упаковку для хранения на постоянном запоминающем устройстве КВИ о положении бортовых подсистем на путевом развитии и файлы сырых измерений, полученные от бортовых подсистем и ПРНС 1 и 2 станционной подсистемы для хранения на постоянном запоминающем устройстве в течении 30 календарных дней.

При поступлении команды на перезагрузку системы от устройств управления и контроля МС происходит аварийное завершение работы всех программ.

Контроль функционирования алгоритма процедур осуществляется наличием КВИ переданной ПРНС 1и2 в станционную ЭВМ 1 (есть наличие КВИ и дальномерной информации с привязкой к конкретному НИСЗ - функционирует, информация отсутствует - не функционирует), наличием телеграмм от бортовых подсистем, получением приращения координат между двумя станционными спутниковыми антеннами с заданной точностью, а также контролем междупутных расстояний по ЦМПР в месте нахождения подвижных единиц с фактическим.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 




компания Атлон — поставщик компьютерных систем

 


Продвижение сайтов

 


MacBook Pro ростест

 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.