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.
|
