СПОСОБ СОВМЕЩЕННОЙ РАДИОСВЯЗИ И РАДИОНАВИГАЦИИ И УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ, ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 2009 года по МПК B61L25/02 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области железнодорожной автоматики, телемеханики, связи и могут быть использованы для обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте.

Известны способы и устройства радиосвязи и радионавигации, в том числе и спутниковые (авт. свид. № 1267257; патенты РФ №№ 2049693, 2108252, 2278047; Петрович Н.П. Космическая радиосвязь. М.: Сов. радио, 1977; Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации и устройство, его реализующее, для железнодорожного транспорта» (патент РФ № 2278047, В61L 25/02, 2004), которые и выбраны в качестве прототипов.

Указанные технические решения основаны на использовании дуплексного метода радиосвязи. Основное достоинство дуплексного метода радиосвязи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров ретранслятора, устанавливаемого на борту ИСЗ, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.

Известные способ и устройство обеспечивают обмен сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и определение параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте с использованием геостационарного искусственного спутника Земли, сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией.

Однако в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн надежный обмен сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и точное определение параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте вызывают определенные трудности.

В определенной мере проблема обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и точное определение параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн может быть решена путем псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, достоверности и скрытности обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте в условиях организованных и непреднамеренных помех, многолучевого распространения радиоволн путем псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающемуся в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика, излучают модулированный сигнал, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают модулированный сигнал, принимают и демодулируют его диспетчерским приемником, фиксируют задержку ответного видеоимпульсного навигационного сигнала относительного запросного, по полученной задержке в пропорциональном соотношении определяют дальность локомотива от диспетчерского пункта, являющуюся координатой локомотива на железнодорожной магистрали, а дифференцируя данную координату, находят скорость локомотива, используют в качестве запросного видеоимпульсного навигационного сигнала псевдослучайную последовательность, полученный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_с модулируют по амплитуде аналоговым сообщением m₁(t), полученный сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют сигнал первой промежуточной частоты ω_пр1=ω_с+ω_г1, усиливают его по мощности и излучают в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора на частоте ω₁=ω_пр1, переизлучают с помощью указанного ретранслятора сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на частоте ω₁ в направлении локомотива, принимают и усиливают его по мощности локомотивным приемником, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г1 третьего гетеродина, выделяют сигнал второй промежуточной частоты ω_пр2=ω₁-ω_г1=ω_с, ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговому сообщению m₁(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением третьего гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_г2=ω_пр2+ω_г1, синхронно детектируют его с использованием частоты ω_г2 четвертого гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное псевдослучайной последовательности, модулируют им по фазе высокочастотное колебание локомотивного передатчика на частоте ω_с, полученный сигнал с фазовой манипуляцией модулируют по амплитуде аналоговым сообщением m₂(t), полученный сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 четвертого гетеродина, выделяют сигнал на разностной частоте ω₂=ω_г2-ω_с, усиливают его по мощности и излучают в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора, переизлучают с помощью указанного ретранслятора сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на частоте ω₂ в направлении диспетчерского пункта, принимают и усиливают его по мощности диспетчерским приемником, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 второго гетеродина, выделяют сигнал второй промежуточной частоты ω_пр2=ω_г2-ω₂, ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговому сообщению m₂(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением второго гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляцией на разностной частоте ω_г1=ω_г2-ω_пр2, синхронно его детектируют с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное псевдослучайной последовательности, подвергают его и псевдослучайную последовательность корреляционной обработке, отличается от ближайшего аналога тем, что на диспетчерском пункте и локомотиве формируют сетку несущих частот, сетку частот первого, второго, третьего и четвертого гетеродинов, которые согласованно переключают по закону псевдослучайного кода, между последовательными переключениями используют только одну несущую частоту и соответствующие частоты синтезаторов частот первого, второго, третьего и четвертого гетеродинов и формируют временной интервал t_с, который характеризует собой время работы на одной частоте и который содержит n информационных символов длительностью τ_э t_c=n*τ_э, на каждом временном интервале t_c в диспетчерском передатчике осуществляют модуляцию высокочастотного колебания несущей частоты по фазе и амплитуде и преобразование по частоте с использованием сетки частот первого гетеродина, в диспетчерском приемнике осуществляют преобразование принимаемого сигнала по частоте с использованием сетки частот второго гетеродина и демодуляцию по амплитуде и фазе, а в локомотивном передатчике осуществляют модуляцию высокочастотного колебания несущей частоты по фазе и амплитуде и преобразование по частоте с использованием сетки частот четвертого гетеродина, в локомотивном приемнике осуществляют преобразование принимаемого сигнала по частоте с использованием сетки частот третьего гетеродина и демодуляцию по амплитуде и фазе.

Поставленная задача решается тем, что устройство совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащее геостационарный ИСЗ-ретранслятор с приемопередающей антенной, расположенные на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на диспетчерском пункте к входу передатчика подключен одним из выходов видеогенератор, второй вход измерителя дальности и скорости локомотива соединен с выходом приемника, а на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, видеогенератор выполнен в виде генератора псевдослучайной последовательности, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно подключенных к первому выходу генератора псевдослучайной последовательности первого фазового манипулятора, первого амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом первого источника аналоговых сообщений, первого смесителя, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и первой передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных первой приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, первого усилителя второй промежуточной частоты, первого амплитудного ограничителя, первого синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты и первого блока регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу первого амплитудного ограничителя первого перемножителя, первого полосового фильтра, первого фазового детектора, второго блока памяти и блока корреляционной обработки, второй вход которого через первый блок памяти соединен с вторым выходом генератора псевдослучайной последовательности, а выход через измеритель дальности и скорости локомотива соединен с вторым входом первого блока регистрации и анализа, приемник локомотива выполнен в виде последовательно включенных второй приемной антенны, третьего усилителя мощности, третьего смесителя, второго усилителя второй промежуточной частоты, второго амплитудного ограничителя, второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты и второго блока регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу второго амплитудного ограничителя второго перемножителя, второго полосового фильтра и второго фазового детектора, передатчик локомотива выполнен в виде последовательно включенных второго фазового манипулятора, второй вход которого через переключатель соединен с выходом второго фазового детектора, второго амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом второго источника аналоговых сообщений, четвертого смесителя, усилителя разностной частоты, четвертого усилителя мощности и второй передающей антенны, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено двумя синхронизаторами, двумя генераторами псевдослучайного кода, двумя синтезаторами несущих частот, синтезатором частот первого гетеродина, синтезатором частот второго гетеродина, синтезатором частот третьего гетеродина и синтезатором частот четвертого гетеродина, причем к выходу первого синхронизатора последовательно подключены первый генератор псевдослучайного кода и первый синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом первого фазового манипулятора, второй вход первого смесителя через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом первого генератора псевдослучайного кода, второй вход второго смесителя через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом первого генератора псевдослучайного кода, второй вход первого перемножителя соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, к выходу второго синхронизатора последовательно подключены второй генератор псевдослучайного кода и второй синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом второго фазового манипулятора, второй вход четвертого смесителя через синтезатор частот четвертого гетеродина соединен с выходом второго генератора псевдослучайного кода, второй вход третьего смесителя через синтезатор частот третьего гетеродина соединен с выходом второго генератора псевдослучайного кода, второй вход второго перемножителя соединен с выходом синтезатора частот третьего гетеродина, второй вход второго фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот четвертого гетеродина.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Геометрическая схема расположения геостационарного ИСЗ-ретранслятора 3, диспетчерского пункта 1 и локомотива 2 изображена на фиг.2. Возможный вид осциллограммы на экране электронно-лучевого индикатора показана на фиг.3. Частотная диаграмма, поясняющая процесс преобразования сигналов по частоте, представлена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемых способа и устройства, изображены на фиг.5. Фрагмент частотно-временной матрицы используемых сигналов с ППРЧ приведен на фиг.6.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит диспетчерский пункт 1, локомотив 2 и геостационарный ИСЗ-ретранслятор 3 с приемопередающей антенной 4.

Диспетчерский пункт 1 содержит последовательно включенные генератор 52 псевдослучайной последовательности, первый фазовый манипулятор 7, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 6 несущих частот, первый амплитудный модулятор 9, второй вход которого соединен с выходом первого источника 8 аналоговых сообщений, первый смеситель 11, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 10 частот первого гетеродина, усилитель 12 первой промежуточной частоты, первый усилитель 13 мощности и первую передающую антенну 14, последовательно включенные первую приемную антенну 15, второй усилитель 16 мощности, второй смеситель 18, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 17 частот второго гетеродина, первый усилитель 19 второй промежуточной частоты, первый амплитудный ограничитель 20, первый синхронный детектор 21, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19 второй промежуточной частоты, и первый блок 29 регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя 20 первый перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 17 частот второго гетеродина, первый полосовой фильтр 23, первый фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 10 частот первого гетеродина, второй блок 26 памяти, блок 27 корреляционной обработки, второй вход которого через первый блок 25 памяти соединен с вторым выходом генератора 5 псевдослучайной последовательности, измеритель 28 дальности и скорости локомотива, второй вход которого соединен с выходом блока 26 памяти, а выход подключен к второму входу блока 29 регистрации и анализа.

Первый синтезатор 6 несущих частот, фазовый манипулятор 7, источник 8 аналоговых сообщений, амплитудный модулятор 9, синтезатор 10 частот первого гетеродина, смеситель 11, усилитель 12 первой промежуточной частоты, усилитель 13 мощности и передающая антенна 14 образуют передатчик диспетчерского пункта 1.

Приемная антенна 15, усилитель 16 мощности, синтезатор 17 частот второго гетеродина, смеситель 18, усилитель 19 второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 20, синхронный детектор 21, перемножитель 22, полосовой фильтр 23, фазовый детектор 24, блоки 25 и 26 памяти, блок 27 корреляционной обработки и блок 29 регистрации и анализа образуют приемник диспетчерского пункта 1.

Приемник локомотива 2 содержит последовательно включенные вторую приемную антенну 30, третий усилитель 31 мощности, третий смеситель 33, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 32 частот третьего гетеродина, второй усилитель 34 второй промежуточной частоты, второй амплитудный ограничитель 35, второй синхронный детектор 36, второй вход которого соединен с выходом усилителя 34 второй промежуточной частоты и второй блок 39 регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя 35, второй перемножитель 37, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 32 частот третьего гетеродина, второй полосовой фильтр 38 и второй фазовый детектор 40, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 46 частот четвертого гетеродина.

Передатчик локомотива 2 содержит последовательно включенные второй синтезатор 42 несущих частот, второй фазовый манипулятор 43, второй вход которого через переключатель 41 соединен с выходом фазового детектора 40, второй амплитудный модулятор 45, второй вход которого соединен с выходом второго источника 44 аналоговых сообщений, четвертый смеситель 47, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 46 частот четвертого гетеродина, усилитель 48 разностной частоты, четвертый усилитель 49 мощности и вторую передающую антенну 50.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

На диспетчерском пункте 1 с помощью первого синхронизатора 51 включается первый генератор 52 псевдослучайного кода, который, в свою очередь, управляет работой первого синтезатора 6 несущих частот, синтезатора 10 частот первого гетеродина и синтезатора 17 частот второго гетеродина.

На выходе первого синтезатора 6 несущих частот последовательно во времени формируется сетка высокочастотных колебаний различных несущих частот:

где υ_i, ω_i, ϕ_i, Т_с - амплитуды, несущие частоты, начальные фазы и длительность сигнала;

i=1, 2, ..., М,

М - число используемых несущих частот (число частотных каналов);

Δω_с - ширина полосы частот расширенного спектра используемого сигнала (фиг.6);

Δω₁ - ширина полосы одного частотного канала;

t_c - временной интервал между переключениями частот, характеризует собой время работы на одной несущей частоте.

В зависимости от соотношения времени работы на одной частоте t_c и длительности информационных символов τ_э псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) может быть разделена: на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную.

При межсимвольной ППРЧ n информационных символов, n≥2, передаются на одной частоте, при этом t_c=n·τ_э.

Сформированные высокочастотные колебания последовательно во времени поступают на первый вход фазового манипулятора 7, на второй вход которого подается модулирующий код M(t), представляющий собой псевдослучайную последовательность (ПСП) (фиг.5,б). На фиг.5,а показана i-oe высокочастотное колебание. На выходе фазового манипулятора 7 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал. Фрагмент ФМн-сигнала на одной из рабочих частот показан на фиг.5,в

где ϕ_k(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5,б), причем ϕ_k(t)=Const при k·τ_э<t<(к+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·Т_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, ..., N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_c (Т_c=N·τ_э);

который поступает на вход амплитудного модулятора 9. На второй вход последнего подаются аналоговые сообщения m₁(t) с выхода источника 8 аналоговых сообщений (фиг.5,г). На выходе амплитудного модулятора 9 образуется сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-АМ) (фиг.5,д)

где m₁(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции, отображающая структуру аналоговых сообщений;

который поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подается напряжение синтезатора 10 частот первого гетеродина:

которые формируются последовательно во времени с помощью генератора 52 псевдослучайного кода.

На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.5,е)

где υ_пр1i=1/2K₁·υ_i·υ_г1i;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1i=ω_i+ω_г1i - первая промежуточная (суммарная) частота (фиг.4);

ϕ_пр1i=ϕ_i+ϕ_г1i.

Это напряжение представляет собой сложный ФМн-AM-сигнал на первой промежуточной частоте ω_прi и после усиления в усилителе 13 мощности излучается передающей антенной 14 на частоте ω_1i=ω_пр1i в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора 3 с приемопередающей антенной 4. Последний принимает данный сигнал и переизлучает его на той же частоте ω_1i в направлении движущегося локомотива 2.

Сложный ФМн-AM-сигнал U_пр1i(t) улавливается приемной антенной 30 локомотива 2 и через усилитель 31 мощности поступает на вход смесителя 33, на второй вход которого подаются напряжения U_г1M(t) синтезатора 32 частот третьего гетеродина.

На выходе смесителя 33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 34 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.5,ж)

где υ_пр2i=1/2K₁·υ_пр1i·υ_г1i;

ω_пр2i=ω_пр1i-ω_г1i - вторая промежуточная (разностная) частота (фиг.4);

ϕ_пр2i=ϕ_пр1i-ϕ_г1i.

Это напряжение поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 36 и на вход амплитудного ограничителя 35, на выходе которого образуется напряжение (фиг.5,з)

где υ₀ - порог ограничения.

Это напряжение представляет собой ФМн-сигнал на второй промежуточной частоте ω_пр2i, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход синхронного детектора 36. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение (фиг.5,и)

где υ_н1i=1/2K₂·υ_пр2i·υ₀;

К₂ - коэффициент передачи синхронного детектора;

пропорциональное модулирующей функции m₁(t) (фиг.5,г), которое фиксируется и анализируется блоком 39 регистрации и анализа.

Одновременно ФМн-сигнал U_3i(t) (фиг.5,з) с выхода амплитудного ограничителя 35 поступает на первый вход перемножителя 37, на второй вход которого подаются напряжения U_г1M(t) синтезатора 32 частот третьего гетеродина. На выходе перемножителя 37 образуется следующее напряжение (фиг.5,к)

где υ_4i=1/2K₃·υ₀·υ_г1i;

К₃ - коэффициент передачи перемножителя;

ϕ_г2i=ϕ_пр2i+ϕ_г1i;

ϕ_г2i=ϕ_пр2i+ϕ_г1i,

которое выделяется полосовым фильтром 38 и поступает на первый вход фазового детектора 40, на второй вход которого подается напряжение синтезатора 46 частот четвертого гетеродина:

На выходе фазового детектора 40 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5,л)

где υ_н2i=1/2K₄·υ_4i·υ_г2i;

К₄ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, б).

В качестве примера на фиг.6 показан фрагмент частотно-временной матрицы сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-AM). При этом n выбрано равным 4 (t_c=4·τ_э), квадратами с различной наклонной штриховкой обозначены различные информационные символы (1,6) с различными фазами (0, π).

На локомотиве 2 с помощью второго синхронизатора 53 включается второй генератор 54 псевдослучайного кода, который, в свою очередь, управляет работой второго синтезатора 42 несущих частот, синтезатора 32 частот третьего гетеродина и синтезатора 46 частот четвертого гетеродина. На выходе синтезатора 42 несущих частот последовательно во времени формируется сетка высокочастотных колебаний различных несущих частот, подобная аналогичной сетке диспетчерского пункта:

Указанные колебания последовательно во времени поступают на первый вход фазового манипулятора 43, на второй вход которого через переключатель 41 подается низкочастотное напряжение U_H2i(t) (фиг.5,л), пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5,б). На выходе фазового манипулятора 43 формируется ФМн-сигнал

который поступает на вход амплитудного модулятора 45. На второй вход последнего подаются аналоговые сообщения m₂(t) с выхода источника 44 аналоговых сообщений. На выходе амплитудного модулятора образуется сложный ФМн-AM-сигнал

который поступает на первый вход смесителя 47. На второй вход последнего подаются напряжения синтезатора 46 частот четвертого гетеродина. На выходе смесителя 47 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 48 выделяется напряжение разностной частоты

где υ_pi=1/2K₁υ_i·υ_г2i;

ω_прi=ω_г2i-ω_пр2i=ω_2i - разностная частота;

ϕ_прi=ϕ_г2i-ϕ_i=ϕ_2i.

Это напряжение представляет собой сложный ФМн-AM - сигнал на разностной частоте ω_2i и после усиления в усилителе 49 мощности излучается передающей антенной 50 в направлении геостационарного ИСЗ-ретранслятора 3 с приемопередающей антенной 4. Последний принимает данный сигнал и переизлучает его на той же частоте ω_2i в направлении диспетчерского пункта 1.

Сложный ФМн-AM-сигнал U_pi(t) улавливается приемной антенной 15 и через усилитель 16 мощности поступает на первый вход смесителя 18, на второй вход которого подаются напряжения U_г2M(t) синтезатора 17 частот второго гетеродина. На выходе смесителя 18 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 19 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

где υ_пр3i=1/2K₁·υ_рi·υ_г2i;

ω_пр2i=ω_г2i-ω_2i - вторая промежуточная (разностная) частота (фиг.4);

ϕ_пр3i=ϕ_пр2i-ϕ_2i.

Это напряжение поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 21 и на вход амплитудного ограничителя 20, на выходе которого образуется напряжение

где υ₀ - порог ограничения.

Это напряжение представляет собой ФМн-сигнал на второй промежуточной частоте ω_пр2i, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход синхронного детектора 21. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение

где υ_н3i=1/2K₂·υ_пр3i·υ₀

пропорциональное модулирующей функции m₂(t), которое фиксируется и анализируется блоком 29 регистрации и анализа.

Одновременно ФМн-сигнал U_7i(t) с выхода амплитудного ограничителя 20 поступает на первый вход перемножителя 22, на второй вход которого подаются напряжения U_г2M(t) синтезатора 17 частот второго гетеродина. На выходе перемножителя 22 образуется следующее напряжение

где υ_8i=1/2K₃υ₀·υ_г2i;

ω_г1i=ω_г2i-ω_пр2i;

ϕ_г1i=ϕ_г2i-ϕ_пр2i

которое выделяется полосовым фильтром 23 и поступает на первый вход фазового детектора 24, на второй вход которого подаются напряжения U_г1M(t) синтезатора 10 частот первого гетеродина. На выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение

где υ_н4i=1/2K₄·υ_8i·υ_г1i

пропорциональное модулирующему коду M(t).

Модулирующий код M(t) и его аналог U_н4i(t) регистрируются в блоках памяти 25 и 26 соответственно.

Корреляционная обработка этих зарегистрированных сигналов в блоке 27 позволяет определить время задержки τ ответной ПСП относительно запросной ПСП и соответствующую частоту интерференции F, которая определяет производную этой задержки

где f=(f₁+f₂)/2.

Измеритель 28 предназначен для определения дальности от диспетчерского пункта до локомотива и скорости последнего.

В простейшем случае это может быть электронно-лучевой индикатор секторного или кругового обзора. Вследствие задержки ретранслированного приемопередатчиком локомотива ответного сигнала на время τ на экране такого индикатора вычерчивается развертываемым лучом дуга, радиус которой в определенном масштабе (фиг.3) отображает дальность от диспетчерского пункта до локомотива, равную

d=с·τ/2,

где с - скорость распространения радиоволн.

Если на экран нанести в том же масштабе линию магистрали, которой движется поезд, то пересечение этой линии с указанной выше дугой даст координату поезда, а его скорость можно определить как разность двух его координат в единицу времени.

Для автоматизации определения параметров движения поезда в качестве измерителя может использоваться контроллер, решающий систему двух уравнений: окружности и аппроксимирующего линию магистрали:

где x, у - координаты поезда;

x₀, y₀ - координаты диспетчерского пункта (центр окружности);

t - текущее время.

При наличии в линии связи геостационарного ИСЗ-ретранслятора определяется расстояние от него до локомотива. В этом случае также необходимо решать систему двух уравнений, подобную вышеприведенной, но первое из этих уравнений в трехмерном пространстве должно быть уравнением сферы:

Скорость поезда (локомотива) определяется путем дифференцирования в контроллере текущей координаты локомотива.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости, достоверности и скрытности обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и локомотивом, а также определения параметров движения поезда, удаленного на большое расстояние от диспетчерского пункта. Это достигается псевдослучайной перестройкой рабочей частоты используемых сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляций.

Рабочая частота сигнала и частота гетеродинов перестраиваются в широких пределах в соответствии с псевдослучайными кодами, известными на диспетчерском пункте и поезде и неизвестными постановщику помех.

Стратегия борьбы с непреднамеренными и организованными помехами в предлагаемом способе заключается в «уходе» сигналов дуплексной системы радиосвязи от воздействия помех путем псевдослучайной перестройки рабочей частоты и в «противоборстве» с ними путем фазовой манипуляции несущей частоты псевдослучайной последовательностью (ПСП).

Поэтому в предлагаемом способе при защите от помех важной характеристикой является фактическое время работы на одной частоте t_c. Чем меньше это время, тем выше вероятность того, что сигналы системы радиосвязи с ППРЧ не будут подвержены воздействию организованных помех.

Помехоустойчивость предлагаемого способа зависит не только от времени работы на одной частоте, но и от вида помехи и ее мощности, мощности полезного сигнала, структуры приемников.

Используемые в способе сложные сигналы с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты с точки зрения обнаружения и разведки обладают энергетической, структурной, информационной, временной и пространственной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-AM-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемников.

Информационная скрытность определяется способностью противостоять мерам радиотехнической разведки, направленным на раскрытие смысла сообщений, которыми обмениваются диспетчерский пункт и поезда.

Временная скрытность системы дуплексной радиосвязи, реализующей предлагаемый способ, определяется возможностью радиотехнической разведки по сбору необходимой информации о системе дуплексной радиосвязи (виде и параметрах сигналов, назначений системы радиосвязи и т.п.) за определенное время и зависит от условий, в которых используется система дуплексной радиосвязи, ее временных режимов работы на излучение тактико-технических характеристик станции радиотехнической разведки и характера ведения разведки.

Пространственная скрытность системы дуплексной радиосвязи характеризует способность препятствовать станции радиотехнической разведки с необходимой точностью определять направление прихода сигналов (или местоположение системы дуплексной радиосвязи). Пространственная скрытность системы дуплексной радиосвязи, как и другие виды скрытности, кроме энергетической, является условным событием и зависит от ряда параметров системы дуплексной радиосвязи, например, мощности сигнала, вида и параметров диаграммы направленности приемных и передающих антенн.

Сложные ФМн-AM-сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.

Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области железнодорожной автоматики, телемеханики, связи и могут быть использованы для обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте. В способе имеют место ретрансляция сигналов с помощью геостационарного искусственного спутника Земли, применение псевдослучайной перестройки рабочей частоты используемых сложных сигналов с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляций, их корреляционная обработка, передача и прием информации на двух частотах. Устройство содержит диспетчерский пункт (1), локомотив (2) и геостационарный ИСЗ-ретранслятор (3) с приемопередающей антенной (4), генераторы (52) и (54) псевдослучайной последовательности, синтезаторы несущих частот (6) и (42), фазовые манипуляторы, источники аналоговых сообщений, амплитудные модуляторы, синтезатор частот гетеродинов, смесители, усилители первой и второй промежуточной частоты, усилители мощности, передающие антенны, приемные антенны, амплитудные ограничители, синхронные детекторы, перемножители, усилитель разностной частоты, полосовые фильтры, фазовые детекторы, блоки памяти, блок корреляционной обработки, измеритель дальности и скорости локомотива, блоки регистрации и анализа, синхронизаторы и генераторы псевдослучайного кода. Изобретение обеспечивает повышение помехоустойчивости, достоверности и скрытности обмена сообщениями между диспетчерским пунктом и поездом и определения параметров движения поезда. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающийся в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика, излучают модулированный сигнал, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают модулированный сигнал, принимают и демодулируют его диспетчерским приемником, фиксируют задержку ответного видеоимпульсного навигационного сигнала относительного запросного, по полученной задержке в пропорциональном соотношении определяют дальность локомотива от диспетчерского пункта, являющуюся координатой локомотива на железнодорожной магистрали, а дифференцируя данную координату, находят скорость поезда, используют в качестве запросного видеоимпульсного навигационного сигнала псевдослучайную последовательность, полученный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_с модулируют по амплитуде аналоговым сообщением m₁(t), полученный сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют сигнал первой промежуточной частоты ω_пр1=ω_c+ω_г1, усиливают его по мощности и излучают в направлении геостационарного искусственного спутника Земли - ретранслятора на частоте ω₁=ω_пр1, переизлучают с помощью указанного ретранслятора сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на частоте ω₁ в направлении локомотива, принимают и усиливают его по мощности локомотивным приемником, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г1 третьего гетеродина, выделяют сигнал второй промежуточной частоты ω_пр2=ω₁-ω_г1=ω_с, ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляции, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговому сообщению m₁(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением третьего гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω_г2=ω_пp2+ω_г1, синхронно детектируют его с использованием частоты ω_г2 четвертого гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное псевдослучайной последовательности, модулируют им по фазе высокочастотное колебание локомотивного передатчика на частоте ω_с, полученный сигнал с фазовой манипуляцией модулируют по амплитуде аналоговым сообщением m₂(t), полученный сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 четвертого гетеродина, выделяют сигнал на разностной частоте ω₂=ω_г1-ω_с, усиливают его по мощности и излучают в направлении геостационарного искусственного спутника Земли - ретранслятора, переизлучают с помощью указанного ретранслятора сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией на частоте ω₂ в направлении диспетчерского пункта, принимают и усиливают его по мощности диспетчерским приемником, преобразуют по частоте с использованием частоты ω_г2 второго гетеродина, выделяют сигнал второй промежуточной частоты ω_пр2=ω_г2-ω₂, ограничивают его по амплитуде, полученный сигнал с фазовой манипуляцией используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сложного сигнала с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговому сообщению m₂(t), фиксируют и анализируют его, одновременно полученный сигнал с фазовой манипуляцией перемножают с напряжением второго гетеродина, выделяют сигнал с фазовой манипуляцией на разностной частоте ω_г1=ω_г2-ω_пр2, синхронно его детектируют с использованием частоты ω_г1 первого гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное псевдослучайной последовательности, подвергают его и псевдослучайную последовательность корреляционной обработке, отличающийся тем, что на диспетчерском пункте и локомотиве формируют сетку несущих частот, сетку частот первого, второго, третьего и четвертого гетеродинов, которые согласованно переключают по закону псевдослучайного кода, между последовательными переключениями используют только одну несущую частоту и соответствующие частоты синтезаторов частот первого, второго, третьего и четвертого гетеродинов и формируют временной интервал t_c, который характеризует собой время работы на одной частоте и который содержит n информационных символов длительностью τ_э t_с=n·τ_э, на каждом временном интервале t_c в диспетчерском передатчике осуществляют модуляцию высокочастотного колебания несущей частоты по фазе и амплитуде и преобразование по частоте с использованием сетки частот первого гетеродина, в диспетчерском приемнике осуществляют преобразование принимаемого сигнала по частоте с использованием сетки частот второго гетеродина и демодуляцию по амплитуде и фазе, а в локомотивном передатчике осуществляют модуляцию высокочастотного колебания несущей частоты по фазе и амплитуде и преобразование по частоте с использованием сетки частот четвертого гетеродина, в локомотивном приемнике осуществляют преобразованием принимаемого сигнала по частоте с использованием сетки частот третьего гетеродина и демодуляцию по амплитуде и фазе.2. Устройство совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащее геостационарный ИСЗ-ретранслятор с приемопередающей антенной, расположенные на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на диспетчерском пункте к входу передатчика подключен одним из выходов видеогенератор, второй вход измерителя дальности и скорости локомотива соединен с выходом приемника, а на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, видеогенератор выполнен в виде генератора псевдослучайной последовательности, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно подключенных к первому выходу генератора псевдослучайной последовательности первого фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом первого генератора высокой частоты, первого амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом первого источника аналоговых сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и первой передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных первой приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первого усилителя второй промежуточной частоты, первого амплитудного ограничителя, первого синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, и первого блока регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу первого амплитудного ограничителя первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, первого полосового фильтра, первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, второго блока памяти и блока корреляционной обработки, второй вход которого через первый блок памяти соединен с вторым выходом генератора псевдослучайной последовательности, а выход через измеритель дальности и скорости локомотива соединен с вторым входом первого блока регистрации и анализа, приемник локомотива выполнен в виде последовательно включенных второй приемной антенны, третьего усилителя мощности, третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, второго усилителя второй промежуточной частоты, второго амплитудного ограничителя, второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты, и второго блока регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу второго амплитудного ограничителя второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, второго полосового фильтра и второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина, передатчик локомотива выполнен в виде последовательно включенных второго генератора высокой частоты, второго фазового манипулятора, второй вход которого через переключатель соединен с выходом второго фазового детектора, второго амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом второго источника аналоговых сообщений, четвертого смесителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого гетеродина, усилителя разностной частоты, четвертого усилителя мощности и второй передающей антенны, отличающееся тем, что оно снабжено двумя синхронизаторами, двумя генераторами псевдослучайного кода, двумя синтезаторами несущих частот, синтезатором частот первого гетеродина, синтезатором частот второго гетеродина, синтезатором частот третьего гетеродина и синтезатором частот четвертого гетеродина, причем к выходу первого синхронизатора последовательно подключены первый генератор псевдослучайного кода и первый синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом первого фазового манипулятора, второй вход первого смесителя через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом первого генератора псевдослучайного кода, второй вход второго смесителя через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом первого генератора псевдослучайного кода, второй вход первого перемножителя соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, второй вход первого фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, к выходу второго синхронизатора последовательно подключены второй генератор псевдослучайного кода и второй синтезатор несущих частот, выход которого соединен с вторым входом второго фазового манипулятора, второй вход четвертого смесителя через синтезатор частот четвертого гетеродина соединен с выходом второго генератора псевдослучайного кода, второй вход третьего смесителя через синтезатор частот третьего гетеродина соединен с выходом второго генератора псевдослучайного кода, второй вход второго перемножителя соединен с выходом синтезатора частот третьего гетеродина, второй вход второго фазового детектора соединен с выходом синтезатора частот четвертого гетеродина.