Способ и система определения скорости локомотива и направления движения Российский патент 2023 года по МПК B61L25/02 G01S13/58 G01P3/64 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиолокации, и может быть использовано на железных дорогах (ж/д) для определения параметров движения локомотива таких, как мгновенная скорость, пройденный путь, направление движения.

Известны технические решения (патенты RU 2679268 С1. 06.02.2019 [1]. RU 2282197 С1, 20.08.2006 [2] RU 2705035 С1. 01.11.2019 [3] RU 2679491 С1. 11.02.2019 [4] RU 2378654 С1, 10.01.2010 [5] RU 2727325 С2, 21.07.2020 [6] JPS 63124980 А, 28.05.1988 [7] CN 108646236 А, 12.10.2018 [8] GB 1468159 А, 23.03.1977 [9], RU №2769956С1, 11.04.2022 [10], предназначенные для определения скорости локомотива и направления движения.

Общей проблемой на ж/д транспорте является измерение малых скоростей движения с начала трогания с места и в самом конце движения, вплоть до остановки. Это объясняется тем, что для измерения скорости применяются механические датчики, которые обладают значительной погрешностью измерения, кроме того, при пробуксовке и юзе они не работоспособны.

Известны автодинные радиолокаторы малого радиуса действия с частотной модуляцией, которые нашли широкое применение на ж/д транспорте в качестве измерителей параметров движения вагонов на сортировочных горках, локомотивов относительно полотна дороги, обнаружителей занятости стрелочных переводов и ж/д переездов, датчиков предупреждения столкновений и многое другое (Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016, №3, стр. 32-80 [11]).

В также известном устройстве [5] локомотивная система определения скорости движения и пройденного пути содержит три приемоизлучающих устройства, каждое из которых включает блок СВЧ-излучателя с передающей антенной и приемный блок отраженного СВЧ-излучения с приемной антенной и усилителем и программируемый микропроцессор с двумя блоками корреляционно-экстремальной обработки. Все приемоизлучающие устройства расположены последовательно по продольной симметрии рельса и отраженные сигналы от подстилающего балласта, воспринимаются и анализируются по специальному обеспечению.

Недостаток: очень сложное схемное решение за счет применения корреляционной обработки, а также нестабильная работа в экстремальных условиях эксплуатации.

Эта система практически не применима в высокоскоростных ж/д магистралях, в которых не используются шпаты, а есть только прочное подстилающее основание на всем пути, т.е. нет балласта в обычном смысле этого слова, т.е. нет реперов для отчетов.

В настоящее время намечается тенденция перехода электрического ж/д транспорта на постоянном токе на переменный ток промышленной частоты, это дает значительное повышение эксплуатационных характеристик одновременно с применением управления всеми двигательными (ведущими) колесами локомотива по схеме мотор/колесо от центрального процессора. Это предъявляет повышение требований к измерениям параметров движения как на сверхмалых (0.5-2 м/с), так и на больших скоростях (300-500 км/ч).

Технической задачей также известного устройства [10] является повышение точности измерения скорости движения локомотива на ж/д пути, особенно на малых скоростях, начиная с момента трогания с места с определением направления движения.

Технический результат достигается за счет применения двух последовательных радиолокаторов малого радиуса действия, размещенных в подкузовном пространстве локомотива, а в качестве маркеров по геометрии ж/д пути выбраны накладки крепления рельсов к шпалам и оптимальной обработки отраженных от маркеров сигналов.

При этом система определения скорости и направления движения локомотива [10], основаны на использовании искусственных ориентиров, представляющих собой маркеры, расположенные вдоль геометрии ж/д пути в виде накладок для крепления рельсов к шпалам, характеризующийся тем, что по мере движения локомотива излучающей по двум последовательным каналам зондирующие радиолокационные сигналы, принимают отраженные от меток ответные сигналы и, зная расстояние-базу между зондирующими - приемными каналами, а так же засекают время между проходом ответных импульсов от текущей метки по каждому каналу по формуле: расстояние между каналами, t - время прихода метки.

Скорость локомотива определяют в зависимости от пройденного расстояния и времени, а по последовательности времени прохода каналами метки определяют направление движения, так если последовательность первый-второй канал, то движение вперед, если же второй-первый, то назад: при движении с места все отсчеты проводят по второй метке.

Существенным недостатком известного способа и устройства для определения скорости локомотива и направления движения является использование меток, в виде металлических накладок крепления рельсов к шпалам, что может привести к выходу из строя СВЧ генератора радиолокационного датчика, так как при отражении электромагнитного излучения от металлических меток с учетом малого расстояния между радиолокационным датчиком и подстилающей поверхностью мощность отраженного сигнала может превосходить номинальную мощность на которую рассчитан СВЧ генератор.

Кроме того, из специфических условий размещения радиолокационных датчиков в подкузовном пространстве локомотива, в особенности из-за малой высоты между радиолокационными датчиками и подстилающей поверхностью в виде накладок для крепления рельсов к шпалам может происходить перекрытие отраженных сигналов с последующим их поступлением на блок обработки отраженных сигналов, что обусловит существенную дополнительную погрешность измерения, особенно на малых скоростях движения локомотива. Также еще одним недостатком известного способа и устройства является то, что из-за возможных заносов локомотива, метки могут не попадать в зону отражения электромагнитных сигналов, что также может сказаться на точности измерения скорости и соответственно определения направления движения.

Также существенным недостатком известного способа является наличие области пересечения по частоте излучаемых ЛЧМ сигналов с разным наклоном частоты, где сигналы двух поляризаций мало различаются между собой. Поэтому в области пересечения по частоте ЛЧМ-сигнатов крайне сложно осуществить разделение принятых сигналов разных поляризаций. Для исключения этой области требуется применение дорогостоящей высокочастотной цифровой схемотехники. Возможное использование других вариантов разделения поляризаций, различающихся по величине девиации или длительности ЛЧМ, приведет к разным точностям по дальности и доплеровским частотам на разных поляризациях. Использование усиления на промежуточной частоте увеличивает отношение сигнала к шуму, но поскольку ширина частотной полосы сигнала на промежуточной частоте равна ширине полосы излучаемого сигнала (до сотен мегагерц), то потребуется высокочастотный АЦП, и при этом из-за шумов квантования отношение сигнал-шум уменьшается. В аналоговом виде усиление такого широкополосного сигнала также не просто выполнить.

Известны также устройства на основе доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц (Гурулева М.А., Марюхненко B.C. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск:, Государственный университет путей сообщения, 2018 [12]), в которых радиальную скорость объекта предлагается определять путем дифференцирования значения дальности (по показаниям радиодальномера - Франкфурт У.Н., Френк A.M. Оптика движущихся тел. - М.: Наука. 1972. - 212 с. [13]), или, оценивая конечную разность дальностей на границах фиксированного интервала времени, однако достичь гораздо большей точности измерений позволяет использование доплеровского эффекта (Широков Ю.Ф. Основы теории радиолокационных систем: электрон. Учебное, пособие. Минобрнауки России. Самарский государственный Аэрокосмический университет им. С.П. Королева. Самара. 2012 [14]. При этом, способы радиолокационного измерения отличаются видом излучаемых (непрерывные или импульсные) и характером принимаемых сигналов (прямые или отраженные).

Высокие требования к точности измерений скорости железнодорожного транспорта обуславливают выбор между доплеровскими измерителями скорости (ДИС) импульсного и непрерывного излучения в пользу последнего [14]. При этом целесообразно использование диапазона сантиметровых волн (СВЧ частоты) ввиду высокой стоимости ДИС, работающих в миллиметровом диапазоне.

При непрерывном излучении электромагнитных колебаний взаимное движение передатчика и приемника с относительной скоростью V_r приводит к смещению частоты принимаемых сигналов:

где f₀ - частота излучения; F_д - доплеровский сдвиг частоты; с - скорость света; k=1 при разнесенном приеме и k=2 при локационном приеме; знаки «+» и «-» соответствуют сближению и удалению объектов.

где V_r - радиальная скорость объекта; λ₀=c/f₀ - длина волны излучаемых колебаний.

Области применения ДИС в зависимости от его расположения обусловлены следующими обстоятельствами:

а) ДИС установлен на локомотиве поезда, значения непрерывно измеряемой фактической скорости необходимы для срабатывания устройств безопасности таких как комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ) и система автоматического управления тормозами(САУТ), соблюдения скоростного режима машинистом;

б) ДИС стационарно установлен в колее или вблизи железнодорожного пути, значения измеряемой скорости необходимы для работы:

- системы автоматического регулирования скорости роспуска составов на сортировочных горках - для исключения нагонов и достижения требуемой дальности пробега отцепов. При этом электромагнитные колебания излучаются в направлении движущегося отцепа, отраженный от поверхности вагона сигнал в ДИС преобразуется в выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального фактической скорости отцепа, и подается в устройство управления замедлителем и в сигнальное устройство. При совпадении заданной и фактической скоростей, замедлитель растормаживается; - переездной и пешеходной сигнализации. Установка ДИС на заданном расстоянии до переезда (пешеходного перехода) вблизи каждого из путей в правильном и в неправильном направлении движения, позволит непрерывно, от начала и до конца поезда, измерять фактическую скорость движения. Постоянная передача информации о фактической скорости поезда в программный модуль переезда (пешеходного перехода), ее обработка и расчет времени приближения к переезду (переходу) дают возможность включить сигнализацию своевременно;

в) ДИС переносной, дополнен визуальной и звуковой индикацией. Значения непрерывно измеряемой скорости необходимы для своевременного оповещения работников о скорости приближающегося поезда и минимальном времени приближения к месту производства работ по обслуживанию пути и напольных устройств, что особенно важно при плохой видимости в условиях тумана, при осадках.

При облучении электромагнитными колебаниями неподвижной цели (балласта железнодорожного пути) радиальную скорость локомотива V_r определяют как V_r=Vcosα, где V - скорость движения поезда, α - главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения. При V=const доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от точки цели

имеет максимальное значение при горизонтальном излучении (cosα→1). В то же время, мощность отраженного сигнала у принимающей антенны (без учета потерь при распространении, приеме и обработке сигнала) задается уравнением(Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учебник для вузов по спец. «Радиотехника» / Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с. [15]:

где: Р_r - мощность сигнала, принимаемая антенной; Р_t - мощность передатчика; G_t - коэффициент усиления передающей антенны; А_r -эффективная площадь приемной антенны; σ - эффективная площадь рассеяния цели в данном ракурсе: R - расстояние от ДИС до цели при совмещенном приеме.

Поскольку мощность уменьшается пропорционально 4-ой степени расстояния до цели, то для получения сигнала достаточного уровня расстояние R должно быть в допустимых пределах, для чего нужно увеличить угол излучения α по отношению к горизонтали. При α=35…70° доплеровское смещение составляет 35…80% (G.Hilger. Glasers Annalen, 1998, N9/10. S.533-541 [16]).

Из выражения (3) видно, что при увеличении угла излучения относительно его основного значения появляется множество частот, расширяющих полосу доплеровского излучения. При этом доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала определяют как доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от первой точки цели; - доплеровский сдвиг несущей частоты сигнала, отраженного от второй точки цели. Если отражающие свойства поверхности в пределах облучаемой площади одинаковы, то форма огибающей спектра зависит от угла β. Ширина спектра отраженного сигната:

Уменьшение угла излучения β антенны приведет к возможности исчезновения сигнала вследствие его зеркального отражения, например, от поверхности катания рельса в момент проследования поездом стрелки.

Качество сигнала, попадающего на приемную антенну, зависит от неровности основания, отражающего сигнал. Исходя из критерия Релея (Гавриленко В.Г., Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород. 2007. 112 с. [17]), чтобы часть переданного сигнала, отразившись от поверхности, вернулась к приемнику должно выполняться неравенство:

где h - максимальный размер неоднородности основания; α - угол падения излучаемых волн; λ - длина излучаемых волн.

Для диапазона сантиметровых волн, при длине волны λ=1,25 см и α=45°, h должен быть не менее 2 мм, что выполняется только для однородного щебеночного балласта. Условие (6) ввиду особенностей конструкций вагонов, их гладкой поверхности, сложно выполнимо. Поэтому для получения ДИС сигнала, отраженного от вагона, измеритель должен облучать его по всей длине. Протяженность и неравномерность облучаемой поверхности вагона приводит к флуктуатации отраженного сигнала, уменьшить влияние которой можно правильной установкой и настройкой ДИС.

При установке измерителя в колее железнодорожного пути в уравнении (3) cosα→1, доплеровский сдвиг частоты максимален. Однако в этом случае существенно усложняются условия эксплуатации ДИС. Для обеспечения длины участка измерения L_иу в пределах 25…30 м необходимо иметь угол β=6…10°. при этом главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения α=5…8°, а расстояние между местом установки измерителя и осью железнодорожного пути L=2,2…2,4 м (Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М: Маршрут, 2005. - 240 с. [18]). В этом случае расстояние относа измерителя от ближней границы измерительного участка лежит в пределах 10 м<L_мин<16 м, и при этом необходимо выбирать оптимальные варианты, обусловленные максимальной дальностью работы ДИС (L_д) и длиной измерительного участка (L_иy). В общем случае важнейшей статистической характеристикой отраженного сигнала является спектр доплеровского сигнала. По оценке тяжести доплеровского спектра в темпе поступления сигнала дается оценка средней частоты радиосигнала. Ширина спектра доплеровских частот зависит не только от изменения угла излучения антенны относительно его основного значения, но и от интервала корреляции τ_к, характеризующего скорость изменения случайного процесса во времени (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь,1983. - 536 с. [19]),

и от ускорения движения подвижного объекта

где а_r - радиальное ускорение объекта; τ_изм - интервал измерения; λ - длина волны.

Расширение спектра доплеровского сигнала влияет на величину потенциальной среднеквадратической погрешности измерения радиальной скорости объекта [19]:

где ΔF - ширина спектра сигнала доплеровской частоты; 2Ec/N₀ - отношение сигнал-шум по напряжению.

Вариантом решения проблемы стабильности сигнала, связанной с изменением отражательной способности различных оснований, является способ оценки сигнала по точкам пересечения. Так, точность измерения скорости радарными доплеровскими устройствами DRS05 (DEUTA. Германия) составляет 0,5%, при наличии ускорения 1 м/с² погрешность измерения скорости составляет 0,65 км/ч [16].

Таким образом, доплеровские измерители скорости позволяют, по сравнению с одометрическими скоростемерами, осуществлять бесконтактное измерение скорости движения поезда гораздо с более высокой точностью и имеют иной спектр ошибок измерений. Последнее позволяет выполнить комплексирование результатов измерений доплеровских, одометрических, аэродинамических и инерциальных измерителей, и, тем самым, повысить точность, непрерывность и устойчивость сигнала скорости в системе управления локомотивом.

Общим недостатком известных ДИС является то. что при измерении доплеровской частоты, а соответственно, и определении скорости по изменению доплеровской частоты из алгоритмов обработки исключают вертикальную составляющую скорости, полагая, что вертикальная составляющая скорости V_z=0.

Однако, как показывает опыт эксплуатации аналогичных ДИС вертикальная составляющая скорости может достигать величины 2,94 м/с при наличии неоднородной подстилающей поверхности, что для принятой шкалы измерения, исходя из того, что 8.3 Гц=1 км/час, погрешность измерений может составлять 1,3 Гц/км/час. Кроме того, в известных измерителях скорости, основанных на доплеровском эффекте, определение скорости V₀ и ее составляющих V_х V_у выполняют путем вычислений по зависимостям, не учитывающих текущих углов перемещения локомотива в вертикальной и горизонтальной плоскостях движения (крена и дифферента), предполагая при этом отсутствие крена и дифферента подвижного объекта, а также то, что его движение происходит строго в горизонтальной плоскости, а также не учитываются линейные скорости и угловые ускорения.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности определения параметров движения железнодорожного локомотива.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения скорости и направления движения локомотива, включающем зондирование электромагнитными сигналами отражающей поверхности, приеме отраженных сигналов, их преобразование и вычисление скорости, пройденного расстояния и направления движения системе определения скорости локомотива и направления движения, в котором, в отличие от прототипа [10], отражающую поверхность зондируют по четырем каналам излучения, при этом отражающую поверхность зондируют по двум каналам с каждого борта локомотива, для определения скорости локомотива используют суммы доплеровских частот накрест лежащих лучей излучения, при этом вычисляют продольную V_x и поперечную V_y составляющие скорости, модуль относительной скорости V₀, угол дрейфа α и пройденное расстояние S по формулам:

где F_д1, F_д2, F_д3, F_д4 - абсолютные величины доплеровских частот соответственно по четырем лучам,

λ - длина волны излучаемых сигналов,

γ₀ - угол отклонения луча антенны от вертикали,

β₁, β₂ - угол между осью X (продольное направление скорости движения в горизонтальной плоскости) и проекцией направления главного излучения на отражающую горизонтальную плоскость соответственно для переднего и заднего лучей, составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости в антенной системе координат с учетом углов крена и дифферента определяют по формулам:

где V_х, V_y, V_z - составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости соответственно в антенной системе координат; '

θ_к - угол дифферента;

Ψ_к - угол крена, а направление движения определяют по разности фаз доплеровских сигналов.

Поставленная задача также решается за счет того, что система определения скорости локомотива и направления движения, содержащая первый и второй радиолокационные датчики, соответственно, первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи с потребителями сигналов скорости и направления движения, при этом выходы радиолокационных датчиков через первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, соответственно, связаны с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого шиной связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков; второй выход микроконтроллера связан с их потребителями, в которой в отличие от прототипа, каждый радиолокационный датчик содержит приемопередатчик с волноводно-щелевой антенной, формирующих по два луча для излучения и приема отраженных сигналов, два циркулятора, два смесителя, два усилителя промежуточной частоты, два блока автоматической подстройки зоны генерации, каждый первый и второй блоки обработки отраженных сигналов содержат два формирователя, два умножителя, два шаговых двигателя, два сумматора, два следящих частотно-цифровых преобразователей, соединенные соответственно последовательно, при этом каждая волноводно-щелевая антенна размещена в корпусе из радиопоглошающего композиционного материала, генератор СВЧ колебаний приемопередатчика выполнен на диода Шоттки или Мотта, на корпусе приемопередатчика установлены датчики угловых ускорений и линейных скоростей, а микроконтроллер выполнен с возможностью определения скорости локомотива и направления движения в соответствии с формулами способа по п. 1

Предлагаемая система определения скорости локомотива и направления движения, как и в прототипе содержит первый и второй радиолокационные датчики, соответственно, первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи с потребителями сигналов скорости и направления движения при этом выходы радиолокационных датчиков через первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, соответственно, связаны с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого шиной связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков; второй выход микроконтроллера связан с их потребителями.

В отличие от прототипа каждый радиолокационный датчик содержит приемопередатчик с волноводно-щелевой антенной, формирующих по два луча для излучения и приема отраженных сигналов, два циркулятора, два смесителя, два усилителя промежуточной частоты, два блока автоматической подстройки зоны генерации, каждый первый и второй блоки обработки отраженных сигналов содержат два формирователя, два умножителя, два шаговых двигателя, два сумматора, два следящих частотно-цифровых преобразователей, соединенные соответственно последовательно, при этом каждая волноводно-щелевая антенна размещена в корпусе из радиопоглощающего материала, представляющего собой композиционный материал, генератор СВЧ колебаний приемопередатчика выполнен на основе диода Шоттки, на корпусе приемопередатчика установлены датчики угловых ускорений и линейной скорости.

Каждый из двух каналов измерения скорости локомотива содержит антенну, приемопередатчик, включающий смеситель, генератор-СВЧ, модулятор, широкополосный усилитель, демодулятор, усилитель промежуточной частоты, детектор, фазометр, измеритель доплеровской частоты и генератор. Вычислитель, индикатор и блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от линейной скорости и угловых ускорений локомотива являются общими для двух канатов измерения.

Принцип действия предлагаемого ДИС основан на определении скорости локомотива по доплеровским сдвигам частот радиосигналов, излученных с левого и правого бортов локомотива, отраженных от подстилающей поверхности и принятых антенным устройством. Отраженный сигнал представляет собой шумоподобный сигнал со сравнительно узким спектром. Для определения скорости локомотива измеряют среднюю доплеровскую частоту в устройстве измерения доплеровской частоты.

Антенное устройство состоит из пары двухлучевых антенн, устанавливаемых по разным бортам локомотива и образующих четырех лучевую систему. Каждая антенна выполнена в виде волноводно-щелевой антенны, представляющей собой комбинацию симметричных многощелевых волноводов, позволяющих формировать несколько лучей с одного раскрыва с шириной диаграммы направленности 4,5-5,0 градусов. Отклонения лучей от нормали к антенне 25 градусов.

Приемопередатчик состоит из полупроводникового источника СВЧ-колебаний, ферритовых циркуляторов для разделения каналов передачи и приема сигналов, супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты принятых сигналов в доплеровскую частоту. Принимаемый сигнал вначале с помощью смесителя смещается в область промежуточных частот с помощью гетеродинирующего сигнала, частота которого отличается от частоты излучения на величину промежуточной частоты. Низкочастотные шумы отфильтровываются с помощью усилителя промежуточной частоты. После усиления преобразованный к промежуточной частоте сигнал подвергается вторичному преобразованию с помощью гетеродинирующего сигнала промежуточной частотой. При этом сигнал доплеровской частоты на выходе второго смесителя свободен от низкочастотных шумов. Для увеличения развязки применен режим с частотной модуляцией. При выделении доплеровского сдвига используется энергия одной боковой составляющей спектра отраженного модулированного сигнала (третья гармоника). Прибегая к режиму с частотной модуляцией, удается в значительной мере ослабить прямые сигналы, отраженные от близлежащих элементов корпуса локомотива и конструктивных элементов ДИС, для которых время распространения до отражающего элемента и обратно крайне мало.

Смеситель представляет собой диодный смеситель с преселектором на входе и предназначен для смешивания принятого антенной сигнала с частью излучаемого сигнала и подавления помех, создаваемых другими радиоизлучающими устройствами. Генератор-СВЧ представляет собой диод Шоттки или Мотта, аналогом которого является устройство (Хатунцев Ю.Л., Тамарчак Д.Я. Синхронные генераторы и автодины на полупроводниках М.: Радио и связь, 1982, с. 160-179).

Модулятор состоит из задающего кварцевого генератора прямоугольных импульсов частотой следования 100 или 74 кГц и непосредственно модулятора, который выдает на модуляционный вход СВЧ-генератора сумму прямоугольного и постоянного напряжений.

Широкополосный усилитель представляет собой операционный усилитель (Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974, с. 58).

Демодулятор выполнен на микросхеме типа 564 КП2.

Усилитель промежуточной частоты представляет собой полосовой усилитель, на котором выделяется первая гармоника сигнала, которая после усиления поступает на детектор.

Детектор выполнен на микросхеме типа 564 КТЗ. на первый вход которого поступает сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты, а на второй вход (управляющий вход) управляющие прямоугольные напряжения.

Фазометр состоит из предварительного усилителя, демодулятора, двух фильтров низких частот, двух усилителей-ограничителей, элемента задержки, схемы И и триггера. В демодуляторе с помощью опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узко полостных низкочастотных, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации и усиления в усилителях-ограничителях эти сигналы (один из которых через элемент задержки и схему И) подаются на триггер, при этом если один сигнал опережает второй (опорный) на величину фазы в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается лог "1", а если отстает по фазе от опорного сигнала в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается лог "0".

Измеритель доплеровской частоты состоит из двух фильтров низкой частоты, двух усилителей-ограничителей, усилителя низкой частоты, интегратора и тактового генератора и построено по принципу слежения за спектром частот с частотной автоподстройкой частоты и представляет собой следящую систему, состоящую из смесителя, узкополосного фильтра, частотного дискриминатора, схемы управления и управляемого гетеродина и построено по принципу слежения за спектром частот с частотной автоподстройкой частоты и представляет собой следящую систему, состоящую из смесителя, узкополосного фильтра, частотного дискриминатора, схемы управления и управляемого гетеродина.

Вычислитель построен на базе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux» с блоком управления, выполненным на основе микропроцессора со специальным программным обеспечением, позволяющим осуществлять ввод/вывод информации и преобразование сигналов от датчиков линейной скорости и угловых ускорений, а также от приемоиндикатора спутниковой навигационной системы типа GPS (при ее наличии на локомотиве), например микропроцессоров семейства AVR фирмы АТМЕС.

Преобразователь выполнен на основе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux» и предназначен для выработки корректирующих сигналов (поправок) на изменение линейной скорости и угловых ускорений.

Индикатор предназначен для индикации показаний о путевой скорости и ее составляющих, угле дрейфа, пройденном расстоянии, путевом угле на жидкокристаллическом мониторе.

Антенное устройство, питание которого осуществляется генератором приемопередатчика обеспечивает излучение и прием от подстилающей поверхности электромагнитных колебания по каждому лучу. Принятые колебания смешиваются в приемнике приемопередатчика с колебаниями генератора. Выделенные биения разностной частоты после усиления и преобразования подаются на устройство измерения доплеровской частоты. С выхода устройства измерения доплеровской частоты сигналы, пропорциональные средним доплеровским частотам, поступают в виде аналоговых величин или в виде импульсных последовательностей в вычислительное устройство, реализующие математические зависимости определения составляющих скорости (продольной и поперечной), модуля вектора скорости и угла дрейфа. Выходные сигналы с вычислительного устройства, пропорциональные составляющим вектора скорости в бортовой системе координат или путевой скорости и углу дрейфа, поступают на индикатор и к внешним потребителям.

Антенна предназначена для передачи и приема СВЧ радиоволн, поступающих с модулятора через генератор сверхвысокочастотных колебаний и смеситель. Излученный антенный сигнал отражается от подстилающей поверхности и после приема этой же антенной через смеситель направляется на широкополосный усилитель. Принятый сигнал фильтруется и усиливается усилителем промежуточной частоты. Частота его настройки равна частоте модуляции, полоса - удвоенной полосе доплеровского спектра при максимальной скорости.

Сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты поступает на детектор. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Доплера.

В устройстве используется режим частотной манипуляции, основными преимуществами которого при соответствующем построении приемного тракта является значительное ужесточение влияния различных помех (низкочастотного шума смесителя, виброшумов, антенно-волноводного тракта, пульсаций источника питания) и простота осуществления модуляции.

Для реализации частотной манипуляции служит модулятор, состоящий из задающего кварцевого генератора и двух формирователей прямоугольных импульсов частотой следования 75 и 100 кГц, который выдает на вход демодулятора сумму прямоугольного и постоянного с выхода дискриминатора блока напряжений.

Как известно, доплеровские системы непрерывного излучения с частотной модуляцией обладают по сравнению с обычными системами непрерывного излучения более высокой степенью разделения передающего и приемного трактов и возможностью дискриминации отраженных сигналов от близкорасположенных объектов. Это объясняется тем, что при относительном нулевом сдвиге частоты сигнала гетеродина и принимаемого сигналы, амплитуды боковых полос сигнала на выходе смесителя уменьшаются при уменьшении пути принятого сигнала, что объясняется перераспределением мощности в пределах полосы частот этого сигнала. Для частотно-манипулированного сигнала, как частотного случая частотно-модулированного, это уменьшение будет эффективным лишь при равенстве мощностей попеременно излучаемых частот, ибо в противном случае становится амплитудно-частотно-манипулированным, что соответствует добавлению импульсного СВЧ-излучения к частотно-манипулированному; при этом при отражении от близкорасположенных объектов на выходе смесителя появляется напряжение частоты Доплера, величина которого, как и для случая обыкновенного непрерывного излучения, не зависит от электрической пути сигнала.

Для выравнивания излучаемых частот, а значит и подавления паразитных сигналов, в цепь СВЧ тракта включен элемент с "колоколообразной" амплитудной частотной характеристикой, например генератор СВЧ, представляющий собой диод Шоттки или Мотта. а выравнивание мощностей производится следящей системой, образованной генератором СВЧ, усилителем промежуточной частоты и дискриминатором блока напряжений. Усиление же сигнала производится на частоте манипуляции, где существует упомянутая зависимость величины сигнала от длины его пути. В отличие от известных устройств на выходе детектора в общем случае присутствуют две составляющие: напряжение частоты Доплера и постоянное напряжение, пропорциональное величине амплитудной модуляции.

Применение частотной модуляции позволяет существенно уменьшать влияние вибрационных помех на работу измерителя параметра движения, ввиду того, что для сигналов вибрационной помехи, обусловленных паразитными отражателями от антенно-волноводного тракта, расстояние до подстилающей поверхности ничтожно мало и сигнал вибрационной помехи существенно подавляется.

При измерении скорости локомотива посредством предлагаемого измерителя скорости, основанного на облучении подстилающей поверхности электромагнитной энергией, принята 4-х лучевая Х-образная схема ориентации лучей в горизонтальной плоскости путем разнесения антенны по двум боргам локомотива. При этом каждая антенна формирует по два луча - передний и задний. При обработке доплеровских частот, полученных по каждому из 4-х лучей и последующего вычисления горизонтальных (V_x) и вертикальных (V_у) составляющих скорости используют доплеровские частоты накрест лежащих лучей: Абсолютные величины доплеровских частот четырех лучей при горизонтальном движении определяются выражениями

где V_x, V_y, V_z - соответственно продольная, поперечная и вертикальная составляющие скорости, к - длина волны излучаемых сигналов,

γ₀ - угол отклонения луча антенны от вертикали β₁, β₂ - угол между осью X (продольное направление скорости движения в горизонтальной плоскости) и проекцией направления главного излучения на отражающую горизонтальную плоскость соответственно для переднего и заднею лучей.

После преобразования уравнений 10-13 относительно V_х и V_у получим уравнения:

По составляющим скорости V_x и V_у вычисляют модуль относительной скорости и угол дрейфа а пройденное расстояние определяется согласно выражению

С одной стороны четырехлучевая доплеровская система обеспечивает практически независимость параметров, вырабатываемых системой в зависимости от углов крена и дифферента, так как для определения скоростей и угла дрейфа используются суммы доплеровских частот накрест лежащих лучей.

При этом полагая, что при такой ориентации лучей влияние углов качки на показания скорости практически не влияют. Однако, как показывает опыт эксплуатации данных измерителей скорости, ориентация приемоизлучающих лучей при наличии перемещений локомотива в продольной и поперечной плоскостях изменяется. При этом происходит изменение ориентации лучей в основном в вертикальной плоскости, т.е. при этом изменяется угол падения электромагнитной энергии в направлении максимального излучения. Изменение скорости, вызванное изменением угла падения, например, от 5 до 10 градусов может составлять 4-18,6% от показаний измеренной скорости.

Для исключения данного недостатка в предлагаемом измерителе скорости каждая приемопередающая антенна снабжена датчиками угловых ускорений и линейной скорости, которые своими выходами соединены с входом вычислителя. В вычислителе по измеренным величинам датчиками угловых ускорений и линейной скорости рассчитываются углы дифферента θ_к и углы крена Ψ_к. По измеренным доплеровским частотам по каждому лучу (F_д1-F_д4) в измерителе доплеровской частоты, в вычислителе рассчитывают составляющие скорости в географической системе координат:

где V_x, V_y, V_z - составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости соответственно в антенной системе координат;

θ_к - угол дифферента (за положительное направление может быть принято отклонение носовой части корпуса локомотива вверх);

Ψ_к - угол крена (положительное направление - наклон вправо).

Микроконтроллер построен на базе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux» с блоком управления, выполненным на основе микропроцессора со специальным программным обеспечением, позволяющим осуществлять ввод/вывод информации и преобразование сигналов от датчиков линейной скорости и угловых ускорений, а также от приемоиндикатора спутниковой навигационной системы типа GPS (при ее наличии на локомотиве), например микропроцессоров семейства AVR фирмы АТМЕС.

Преобразователь выполнен на основе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux» и предназначен для выработки корректирующих сигналов (поправок) на изменение линейной скорости и угловых ускорений.

Индикатор предназначен для индикации показаний о путевой скорости и ее составляющих, угле дрейфа, пройденном расстоянии, путевом угле на жидкокристаллическом мониторе.

Устройство работает следующим образом. Антенное устройство, питание которого осуществляется генератором приемопередатчика, обеспечивает излучение и прием от подстилающей поверхности электромагнитных колебания по каждому лучу. Принятые колебания смешиваются в приемнике приемопередатчика с колебаниями генератора. Выделенные биения разностной частоты после усиления и преобразования подаются на устройство измерения доплеровской частот. С выхода устройства измерения доплеровской частоты сигналы, пропорциональные средним доплеровским частотам, поступают в виде аналоговых величин или в виде импульсных последовательностей в вычислительное устройство, реализующие математические зависимости определения составляющих скорости (продольной и поперечной), модуля вектора скорости и угла дрейфа. Выходные сигналы с вычислительного устройства, пропорциональные составляющим вектора скорости в бортовой системе координат или путевой скорости и углу дрейфа поступают на индикатор и к внешним потребителям.

Измерение направления движения локомотива основано на применении частотной модуляции излучаемого сигнала по прямоугольному закону частотной манипуляции. При частотной модуляции излучение с частотой модуляции F_m осуществляется поочередно в виде двух сигналов, частоты которых f₁ и f₂ отличаются от центральной частоты f₀ на величину девиации Δf: f₁=0-Δf, f₂=f₀+Δf. Сигналы в соседних полупериодах модуляции, соответствующие частотам f₁ и f₂ выражаются формулами:

где τ_з - время задержки, определяемое расстоянием до подстилающей поверхности. Разность фаз доплеровских сигналов пропорциональна дальности от приемопередающей антенны до подстилающей поверхности соответствует положительному (встречному) направлению движения. При отрицательном направлении знаки фазы в формулах (22) меняются на обратные и разность фаз доплеровских сигналов соответствующих частотам излучения f₁ и f₂ в соседние полупериоды частотной модуляции.

Управление работой измерителя скорости осуществляется пультом управления, который оснащен индикатором с жидкокристаллическим сенсорным экраном.

На экран выводятся значения скорости включая составляющие скорости, пройденного расстояния и его составляющие, а также угол дрейфа в реальном режиме движения, что позволяет контролировать траекторию движения подвижного состава относительно оси движения и при выходе регистрируемых параметров движения за критические значения позволяют принимать наиболее однозначные решения для уменьшения или исключения негативных явлений при эксплуатации подвижного состава.

Антенны размещены в корпусе из радиопоглощающего материала, представляющего собой композиционный материал, состав и структура которых обеспечивает эффективное поглощение электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин радиоволн. Композиционный радиопоглощающий материал содержит полимерное связующее, углеродные нанотрубки и порошковый наполнитель. В качестве наполнителя может быть выбран высоко энтропийный материал со структурой гексаферрита М-типа в виде порошка дисперсностью 5-50 мкм, синтезированного из следующих компонентов, масс. %: Fe₂O₃ - 10…60; Ga₂O₃ - 5…19; Al₂O₃ - 3…11; SnO₂ - 9…30; ZnO - 5…17; BaCO₃ - 15…17, что позволяет плавно менять магнитные и электрофизические характеристики материала в соответствии с необходимым значением уровня или мощности отражаемой/поглощаемой электромагнитной волны(патент RU №277500701, 27.06.2022). Такое конструктивное исполнение позволяет уменьшить влияние боковых лепестков и переизлучений от конструктивных элементов подкузовного пространства локомотива.

В качестве датчиков измерения линейной скорости и угловых ускорений локомотива применены три оптических кольцевых лазерных гирометров типа RLG - RingLaserGiroscope), называемые также фиброоптическими (волоконнооптическими) гиродатчиками - ФОГ (FOG - Fiber Optic Giroscope). Система с тремя ФО-гирометрами, дополненная тремя акселерометрами, является датчиком кинематического состояния локомотива, который измеряет: курс, крен, дифферент, продольное, поперечное и вертикальное перемещение корпуса локомотива.

Измеренные значения скорости локомотива транслируются в комплексное локомотивное устройство безопасности и при необходимости в систему интервального регулирования движения поездов (патент RU №2777128 С1, 01.08.2022) и центр зонального управления движения поездов.

Источники информации.

1. Патент RU 2679268 С1, 06.02.2019.

2. Патент RU 2282197 С1, 20.08.2006.

3. Патент RU №2705035 С1. 01.11.2019.

4. Патент RU №2679491 C1. 11.02.2019.

5. Патент RU №2378654 С1, 10.01.2010.

6. Патент RU №2727325 С2. 21.07.2020.

7. Патент JPS №63124980 А, 28.05.1988.

8. Патент CN №108646236 А, 12.10.2018.

9. Патент GB№1468159 А, 23.03.1977.

10. Патент RU №2769956С1, 11.04.2022.

11. Носков В.Я. и др. «Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазона и их применение» ч. 9 «Радиолокационное применение автодинов. Успехи современной радиоэлектроники», 2016. №3, стр. 32-80.

12. Гурулева М.А.. Марюхненко B.C. Применение доплеровского измерителя для определения скорости подвижных железнодорожных единиц. Иркутск:, Государственный университет путей сообщения, 2018.

13. Франкфурт У.Н., Френк A.M. Оптика движущихся тел. - М.: Наука, 1972. - 212 с.

14. Широков Ю.Ф. Основы теории радиолокационных систем: электрон. Учебное, пособие. Минобрнауки России. Самарский государственный Аэрокосмический университет им. С.П. Королева. Самара. 2012.

15. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А., Ульяницкий Ю.Д. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.

16. G.Hilger. GlasersAnnalen, 1998, N9/10, S. 533-541.

17. Гавриленко В.Г.. Яшнов В.А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». Нижний Новгород, 2007, 112 с.

18. Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок; Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с.

19. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. - М: Радио и связь,1983. - 536 с.

Группа изобретений относится к определению местоположения или опознавания подвижного состава. Способ определения скорости и направления движения локомотива заключается в том, что отражающую поверхность зондируют по двум каналам с каждого борта локомотива, для определения скорости локомотива используют суммы доплеровских частот накрест лежащих лучей излучения. Система определения скорости локомотива и направления движения содержит радиолокационные датчики, блоки обработки отраженных сигналов, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи с потребителями сигналов скорости и направления движения. При этом каждый радиолокационный датчик содержит приемопередатчик с волноводно-щелевой антенной, два циркулятора, два смесителя, два усилителя промежуточной частоты, два блока автоматической подстройки зоны генерации. Блоки обработки отраженных сигналов содержат два формирователя, два умножителя, два шаговых двигателя, два сумматора, два следящих частотно-цифровых преобразователей. Генератор СВЧ колебаний приемопередатчика выполнен на основе диода Шоттки или Мотта. На корпусе приемопередатчика установлены датчики угловых ускорений и линейных скоростей. Технический результат заключается в повышении точности измерения скорости движения локомотива. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ определения скорости и направления движения локомотива, включающий зондирование электромагнитными сигналами отражающей поверхности, прием отраженных сигналов, их преобразование и вычисление скорости, пройденного расстояния и направления движения, отличающийся тем, что отражающую поверхность зондируют по четырем каналам излучения, при этом отражающую поверхность зондируют по двум каналам с каждого борта локомотива с помощью двухлучевых антенн, при этом каждая антенна формирует по два луча – передний и задний, для определения скорости локомотива используют суммы доплеровских частот накрест лежащих лучей излучения, при этом вычисляют продольную V_x и поперечную V_y составляющие скорости, модуль относительной скорости V₀, угол дрейфа α и пройденное расстояние S по формулам

V_x=λ[(F_д1+F_д3)+(F_д2+F_д4)]/4(sinβ₁ sinγ₀+sinβ₂ sinγ₀)

V_y=λ[(F_д2+F_д4)-(F_д1+F_д3)]/4(sinβ₁ sinγ₀+sinβ₂ sinγ₀)

где - F_д1, F_д2, F_д3, F_д4 - абсолютные величины доплеровских частот соответственно по четырем лучам.

λ - длина волны излучаемых сигналов,

γ₀ - угол отклонения луча антенны от вертикали,

β₁, β₂ - угол между осью X - продольное направление скорости движения в горизонтальной плоскости - и проекцией направления главного излучения на отражающую горизонтальную плоскость соответственно для переднего и заднего лучей, составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости в антенной системе координат определяют по формулам

V_xг=V_x+V_zгsinθ_к/cosθ_к

V_уг=V_y-V_xгsinΨ_к/cosΨ_к

V_zг=V_z-V_zгsinθ_кcosΨ_к+V_угsinΨ_кcosΨ_к,

где V_x, V_у, V_z - составляющие горизонтальной, поперечной и вертикальной составляющих скорости соответственно в антенной системе координат;

θ_к - угол дифферента;

Ψ_к - угол крена, а направление движения определяют по разности фаз доплеровских сигналов.

2. Система определения скорости локомотива и направления движения, содержащая первый и второй радиолокационные датчики, соответственно, первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, микроконтроллер, шину управления и синхронизации, две двунаправленные шины связи с потребителями сигналов скорости и направления движения, при этом выходы радиолокационных датчиков через первый и второй блоки обработки отраженных сигналов, соответственно, связаны с первым и вторым входами микроконтроллера, первый выход которого шиной связан с управляющими и синхронизирующими входами первого и второго датчиков; второй выход микроконтроллера связан с их потребителями, отличающаяся тем, что каждый радиолокационный датчик содержит приемопередатчик с волноводно-щелевой антенной, формирующие по два луча для излучения и приема отраженных сигналов, два циркулятора, два смесителя, два усилителя промежуточной частоты, два блока автоматической подстройки зоны генерации, каждый первый и второй блоки обработки отраженных сигналов содержат два формирователя, два умножителя, два шаговых двигателя, два сумматора, два следящих частотно-цифровых преобразователя, соединенных соответственно последовательно, каждая волноводно-щелевая антенна размещена в корпусе из радиопоглощающего композиционного материала, генератор СВЧ колебаний приемопередатчика выполнен на основе диода Шоттки или Мотта, на корпусе приемопередатчика установлены датчики угловых ускорений и линейных скоростей, а микроконтроллер выполнен с возможностью определения скорости локомотива и направления движения в соответствии с формулами способа по п. 1.