Повышение устойчивости функционирования аппаратуры ГЛОНАСС, используемой на железнодорожном транспорте

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 (CN_thr, 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

. (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 CN_thr от ширины шумовой полосы при T_τ,COR =20 мс при использовании последовательного коррелятора и дискриминатора, определяемого выражением

, (5)

где Q_k, Q_E,k и Q_L,k – отсчеты квадратурных компонент корреляторов, соответствующих прямому сигналу и его сдвинутым копиям с опережением и запаздыванием.

На рис. 1 б представлена зависимость CN_thr от времени интегрирования - T_τ,COR, при ∆F_DLL=0.8 Гц и использовании того же типа коррелятора и дискриминатора, что и на рис. 1 а. И, наконец, рис.1 в демонстрирует зависимость CN_thr от используемого типа дискриминатора, при T_COR =1 мс, и ∆F_DLL=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 I_P,k, I_E,k и I_L,k – отсчеты синфазных компонент корреляторов, соответствующие прямому сигналу (I_P,k), и его сдвинутым копиям с опережением (I_E,k) и запаздыванием (I_L,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 - ∆F_DLL. 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 - CN_thr 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 CN_thr, 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 - CN_thr 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 CN_thr 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 (ΔF_PLL): при сужении в 10 раз пороговое значение CN_thr в области сильных мерцаний (S₄>0.5) снижается на 9 Дб. Увеличение времени интегрирования T_COR при S₄>0.5 дает существенно меньший эффект: величина CN_thr снижается только на 2-3 дБ (рис.1 д). И, наконец, нестабильность частоты опорного генератора, не оказывает практически никакого влияния на уровень порога CN_thr, 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, ∆F_DLL), и фазы несущей (прежде всего ∆F_PLL).

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.