Библиографическое описание:

Демьянов В. В., Лихота Р. В., Конюшкин Г. Ю. Повышение устойчивости функционирования аппаратуры ГЛОНАСС, используемой на железнодорожном транспорте // Молодой ученый. — 2011. — №5. Т.1. — С. 80-83.

На современном этапе внедрения технологий спутниковой навигации в системы интервального регулирования движением поездов возникает острая проблема по поддержанию качества функционирования спутниковой радионавигационного системы в условиях действия внешних неблагоприятных факторов. В статье рассмотрено оперативное оповещение пользователей о геомагнитном возмущении среды как одна из эффективных мер позволяющих повысить качество передаваемых навигационно-временных определений ГЛОНАСС. Предложен к использованию универсальный индекс мерцаний, позволяющий реализовать адаптацию к резкоменяющимся условиям распространения радиоволн за счет соответствующих автоматических настроек в схемах слежения за псевдозадержкой и фазой несущей.

Программа стратегического развития ОАО «РЖД» до 2030 предусматривает внедрение инноваций нацеленных на достижение лидирующего положения компании на отечественном и мировом рынках транспортных услуг. Одним из направлений этой программы – является внедрение систем комплексного управления движением поездов, динамического мониторинга состояния инфраструктуры и подвижного состава с использованием спутниковых технологий. Дальнейшие перспективы развития отрасли, в том числе переход на высокоскоростное и скоростное движение, а также увеличение интенсивности транспортных потоков на магистралях, создают необходимость в широком использовании информационно управляющих систем на основе ГЛОНАСС/GPS.

Направление использования спутниковых радионавигационных систем (СНРС) для железнодорожного транспорта достаточно обширно, из общего числа можно выделить следующие области применения [1, с. 136]:

  1. Контроль соблюдения требований безопасности при управлении движением поездов c передачей этих данных в диспетчерские центры управления движения и в центр управления перевозками;

  2. Регистрация пробега подвижного состава (в частности, для оптимизации системы технического обслуживания и ремонта, определения платы за пользование инфраструктурой);

  3. Информирование клиентуры (пассажиров, грузоотправителей и грузополучателей) о местоположении поездов, вагонов и грузов;

  4. Локализация дефектов пути обнаруженных инспекционным подвижным составом;

  5. Наглядное представление диспетчеру оперативной и достоверной информации о перемещении подвижного состава и его скорости по цифровой карте, а так же автоматическое представление графика исполненного движения в реальном масштабе времени;

Все большую значимость приобретает использование спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС, систем спутниковой связи и систем дистанционного зондирования для осуществления поддержки строительства и эксплуатации железных дорог. Для проведения инженерно-изыскательных и проектных работ при строительстве и реконструкции инфраструктуры железнодорожного транспорта применение СРНС позволит существенно сократить затраты на капитальный ремонт железнодорожного полотна и его геодезическое обеспечение, на инвентаризацию земельных участков и расположенных на них зданий, строений и сооружений. Согласно технико-экономическим исследованиям окупаемость затрат на внедрение спутниковых технологий в системах контроля дислокации и управления поездом, а так же обеспечение надежной архитектуры железных дорог не превышает 2-3 лет [2, с. 3].

Так же необходимо отметить, что проводящаяся на ОАО «РЖД» модернизация устройств ЖАТ обеспечивающих безопасность движения, даже с применением современных микропроцессорных систем, имеющих расширенные функциональные возможности, не может существенно повлиять на эффективность железных дорог в целом. Причиной этому является большого количества напольного оборудования и кабельных сетей, требующих постоянного технического обслуживания и ремонта. Решить такую проблему позволит только применение технических средств безопасности с использованием спутниковых технологий [3, с. 7-9].

Таким образом, на сегодняшний день железнодорожный транспорт – это один из крупнейших потенциальных потребителей сервиса на основе спутниковых навигационных систем.

Приведенные выше существующие и перспективные направления использования СРНС предполагают наличие высоких требований к качеству навигационного обеспечения пользователей, а так же все возрастающую актуальность исследований, нацеленных на разработку организационно – технических мероприятий по поддержанию и дальнейшему улучшение навигационных характеристик СРНС, в том числе и в условиях действия внешних неблагоприятных факторов естественного и искусственного происхождения.

На современном этапе внедрения технологий спутниковой навигации большой вес в совокупности погрешностей навигационных определений имеют нерегулярные факторы, такие как гелио-геофизические факторы (ГГФ). Одним из существенных проявлений воздействия ГГФ на аппаратуру СРНС являются резкие и глубокие изменения амплитуды и фазы сигналов НС на входе измерителя радионавигационных параметров (РНП). Такие мерцания амплитуды и фазы сигналов, а также прямое воздействия мощного радиоизлучения Солнца на функционирование навигационной аппаратуры пользователя СРНС, наиболее существенно проявляется в виде резкого кратковременного снижения отношения сигнал/шум на выходе антенны навигационного приемника. Это может привести к срывам сопровождения сигналов навигационных спутников, и к возникновению значительных погрешностей измерения радионавигационных параметров. Кроме того, быстрые и глубокие изменения абсолютной величины фазы несущей, скорости и ускорения её изменений могут выйти за пределы полосы захвата следящих контуров навигационного приемника СРНС. Поскольку любой навигационный приемник СРНС является когерентной следящей системой, то потеря слежения за фазой сигнала приведет к резкому ухудшению точности измерения дальности до НС или же к потере сопровождения сигнала спутника.

Одной из эффективных мер, позволяющих повысить устойчивость функционирования аппаратуры СРНС в условиях воздействия неблагоприятных ГГФ, может стать оперативное оповещение пользователей о геомагнитном возмущении.

Целью оперативного оповещения пользователей СРНС является возможность своевременной адаптации навигационной аппаратуры потребителя к резко изменяющимся условиям распространения сигналов навигационной системы вследствие геомагнитных и спорадических возмущений среды околоземного космического пространства. Это может быть достигнуто путем своевременной перестройки следящих измерителей псевдозадержки и фазы несущей, а также путем исключения навигационных спутников, содержащих аномально большие мерцания параметров сигналов, из процесса решения навигационной задачи (в составе алгоритмов RAIM). Последствия влияния геомагнитных возмущений на качество навигационно-временных определений (НВО), как сложный физический процесс проявляются весьма неоднозначно в различных условиях (сезонно-суточных, по циклу солнечной активности и в зависимости от широты пользователя). Вследствие этого требуется введение некоторого универсального индекса, связывающего качество НВО и текущие гелио-геофизические условия. Основываясь на результатах ряда зарубежных исследований, рекомендуется использовать в качестве такого индекса - индекс мерцаний S4, определяемый как нормированная дисперсия флуктуаций мощности (P) принимаемого сигнала [4, с. 391-395]:

(1)

Данный индекс может быть использован как индикатор включения адаптивной настройки схем слежения за фазой и псевдозадержкой, а так же для контроля целостности НВО в автономном и дифференциальном режиме работы навигационной аппаратуры потребителя (НАП).

В частности можно рекомендовать индекс S4 для оперативного контроля качества измерений РНП по сигналам отдельных спутников в условиях магнитных бурь и для реализации адаптивной настройки параметров следящих измерителей фазы несущей и псевдозадержки. На рис.1 проиллюстрированы возможности повышения порога помехоустойчивости следящих измерителей РНП при различном уровне ионосферных мерцаний (представленных индексом S4) за счет перестройки основных параметров измерителей. Здесь в качестве порога помехоустойчивости рассматривается минимальное отношения сигнал/шум на входе следящего измерителя (CNthr, дБ), при котором не происходит недопустимого (с точки зрения устойчивости процесса фильтрации) увеличения ошибки фильтрации фазы несущей или псевдозадержки, что определяется следующими условиями (2)



(2)



Рис.1. Зависимость помехоустойчивости схемы слежения за фазой (ССФ) и схемы слежения за псевдозадержкой (ССЗ) от параметров настройки схемы слежения и уровня ионосферных мерцаний

При выборе перестраиваемых параметров следящих измерителей шумовой полосы и времени интегрирования дополнительно учитывались следующие условия устойчивости работы схемы слежения за фазой (ССФ) и схемы слежения за псевдозадержкой (ССЗ)

. (3)

, (4)

где: , - шумовая полоса измерителя фазы несущей и псевдозадержки (Гц), соответственно; - время интегрирования (мс);- отношение крутизны фактической и расчетной дискриминационных характеристик дискриминатора псевдозадержки.

На рис. 1 а, б, в представлены зависимости для измерителя кодовой псевдозадержки при различных параметрах настройки и конфигурации схемы слежения. На рис. 1 а показана зависимость CNthr от ширины шумовой полосы при Tτ,COR =20 мс при использовании последовательного коррелятора и дискриминатора, определяемого выражением


, (5)

где Qk, QE,k и QL,k – отсчеты квадратурных компонент корреляторов, соответствующих прямому сигналу и его сдвинутым копиям с опережением и запаздыванием.

На рис. 1 б представлена зависимость CNthr от времени интегрирования - Tτ,COR, при FDLL=0.8 Гц и использовании того же типа коррелятора и дискриминатора, что и на рис. 1 а. И, наконец, рис.1 в демонстрирует зависимость CNthr от используемого типа дискриминатора, при TCOR =1 мс, и FDLL=0.8 Гц и том же, что и выше, типе коррелятора. В последнем случае сплошная кривая соответствует случаю использования дискриминатора (5), а пунктирные кривые – дискриминаторам, которые описываются выражениями


, (6)

, (7)

где IP,k, IE,k и IL,k – отсчеты синфазных компонент корреляторов, соответствующие прямому сигналу (IP,k), и его сдвинутым копиям с опережением (IE,k) и запаздыванием (IL,k).

Во всех случаях предполагалась стандартная расстройка опорных сигналов дискриминатора псевдозадержки - d=0.5. Как можно видеть, наиболее эффективный путь добиться повышения помехоустойчивости следящего измерителя псевдозадержки в условиях действия ионосферных мерцаний это перестройка шумовой полосы - FDLL. Так, изменение ширины шумовой полосы измерителя в пределах =0,8…8 Гц при уровне ионосферных мерцаний S4>0.5 дает выигрыш в снижении порога устойчивости работы измерителя - CNthr на 9-10 дБ. Если учесть, что воздействие ионосферных мерцаний ведет к кратковременным провалам отношения сигнал/шум на 15-30 дБ, адаптивная оперативная перестройка шумовой полосы следящего измерителя может стать одной из эффективных мер к повышению надежности работы НАП при резких изменениях свойств среды распространения радиоволн. Использование дискриминатора с алгоритмом работы (5) также позволит улучшить помехоустойчивость, хотя и не столь существенно - на 1-1.5 дБ (рис.1 в). Вместе с тем, изменение времени интегрирования в допустимых пределах (4) не ведет к заметному повышению помехоустойчивости измерителя псевдозадержки при воздействии мерцаний с уровнем S4>0.5.

Графики зависимостей на рис. 1 г, д, е для схемы слежения за фазой несущей при различных параметрах настройки показывает, что независимо от параметров настройки измерителя, по мере роста интенсивности мерцаний увеличивается и минимальное значение CNthr, что влечет и повышение вероятность срыва сопровождения фазы несущей. При мерцаниях с индексом S4≤0.5 это проявляется не столь существенно: порог устойчивого сопровождения фазы несущей - CNthr увеличивается не более чем на 2-3 Дб. При дальнейшем росте интенсивности мерцаний, однако, ситуация резко ухудшается. Так, при уровне мерцаний S4=0.7, порог CNthr при некоторых параметрах настройки возрастает на 10-12 дБ и уже превышает средний уровень сигнала НС на входе измерителя. Изменением параметров настойки измерителя можно добиться повышения устойчивости слежения за фазой несущей в условиях действия значительных мерцаний. Как видно из рис. 1 г наибольший положительный эффект здесь может дать сужение шумовой полосы следящего измерителя (ΔFPLL): при сужении в 10 раз пороговое значение CNthr в области сильных мерцаний (S4>0.5) снижается на 9 Дб. Увеличение времени интегрирования TCOR при S4>0.5 дает существенно меньший эффект: величина CNthr снижается только на 2-3 дБ (рис.1 д). И, наконец, нестабильность частоты опорного генератора, не оказывает практически никакого влияния на уровень порога CNthr, если σF(τ)≤10-10. В противном же случае, низкая нестабильность частоты опорного генератора (σF(τ)≥10-9), напротив, может стать основным фактором, снижающим устойчивость сопровождения фазы несущей (рис.1 е).

Таким образом, использование оперативных предупреждений, которые передаются в НАП (индексы S4 по наблюдаемым НС, оповещение о превышении порога опасного радиоизлучения Солнца, оповещение об опасных вариациях геомагнитного поля), дают возможность реализовать адаптацию к резко изменяющимся условиям распространения радиоволн за счет соответствующих автоматических настроек в схемах слежения за псевдозадержкой и фазой несущей. Можно добиться снижения влияния сильных мерцаний на качество измерения РНП за счет оптимального выбора параметров настроек следящих измерителей кодовой псевдозадержки (главным образом, FDLL), и фазы несущей (прежде всего FPLL).

В целом результаты теоретических исследований изложенных в статье позволяют сформулировать практические рекомендации, направленные на совершенствование навигационной аппаратуры пользователя ГЛОНАСС, а также ее функциональных дополнений.


Литература:

  1. Jean B. Картографирование железных дорог для систем спутниковой навигации // Железные дороги мира. 2001. № 10. С. 61.

  2. Гапанович В. А. Рациональное использование спутниковых технологий в комплексе антикризисных мероприятий ОАО «РЖД» // Евразия Вести. 2009. № 7. С. 3.

  3. Хоромушкин К.Д., Павлов Е.В. Система интервального регулирования на базе радиоканала // Автоматика, связь, информатика. 2009. № 11. С. 7–9.

  4. Dierendonck, A. J. Van Measuring Ionosphere Scintillation Effects from GPS Signals / Van Direndonck A. J., Hua Q. // ION 59-th Annual Meeting, Albuquerque, 11-13June. – New Mexico, 2001. – P. 391 – 395.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle