СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЛОКИРОВКИ И АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛОКОМОТИВНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2025 года по МПК G08C19/28 

Изобретение относится к телемеханике, системам передачи данных и может быть использовано в системах связи, сигнализации и блокировки для обеспечения безопасности движения железнодорожного подвижного состава в условиях помех, в том числе и создаваемых при информационно-технических воздействиях (ИТВ). Оно базируется на использовании в системах автоматизации сигнализации и блокировки (АСБ), созданной в ОАО «РЖД», широкополосных сигналов, основу построения которых составляют коды Баркера и М-последовательности.

Из теории широкополосной связи ([1], Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / Под ред. проф. В.Б. Пестрякова. - М.: «Сов. радио», 1973. - 424 с., [2], Семенов A.M., Сикарев А.А. Широкополосная радиосвязь. Воениздат, 1970. - 278 с.) известно, что возможность оптимального (предельно достижимого по показателю достоверности передачи информации) обнаружения двоичного сигнала с известной структурой и с «хорошей» автокорреляционной функцией (АКФ) в смеси сигнала с помехами, можно обеспечить, если для обнаружения переданных кодовых конструкций (КК) применить корреляционный прием или его электрический эквивалент в виде согласованного фильтра (СФ). При этом АКФ тем лучше, чем меньше при заданной разрядности (N) псевдослучайной последовательности бит энергетическая составляющая ее боковых лепестков (БЛ). Она в соответствии с существующими представлениями является минимальной только у кодов Баркера. Но они не существуют при N > 13, а этого недостаточно для существующей практики широкополосной связи. Ее показатели помехозащищенности и скрытности передачи информации тем выше, чем больше длина N кодовой конструкции (КК) шумоподобных сигналов (ШПС) внутренней структуры бит (S_внутр), получившей в современной литературе название «чипов».

Известно [1,2], что основу организации широкополосных систем связи и передачи командно-измерительной информации составляет заполнение временных интервалов Т₀, отводимых под передачу исходных двоичных символов кода «1» и «0», представляющих собой внешнюю структуру бит (S_внеш) передаваемой информации, шумоподобными сигналами (ШПС) оптимальных кодовых конструкций (КК). В существующей практике оптимальная КК - представляющая собой единую (неделимую) последовательность бит двоичного кода длины τ₀, которая в В раз меньше исходной длительности Т₀ бит, образующих внешнюю структуру (S_внеш) бит передаваемых данных: τ₀ = Т₀/В, где В - база широкополосного сигнала, определяемая длительностью N. Оптимальной такая КК является в том, смысле, что при ее корреляционной обработке получают основной пик автокорреляционной функции (АКФ), значение которого определяется числом ее разрядов N, при том, что уровень боковых лепестков АКФ наименьший.

Отмеченным условиям оптимальности отвечают коды Баркера [1] длины N, принимающей следующие значения: N = 3, 4, 5, 7, 11, 13. Их называют идеальными, поскольку при корреляционной обработке кодов Баркера или согласованной фильтрации обеспечивают минимум боковых лепестков, которые принимают значения 0 и ±1. В результате этого они вносят минимальную побочную помеховую составляющую в результирующий уровень боковых лепестков (БЛ) при передаче информации и сигналов в условиях мощных помех.

При этом корреляционная обработка таких кодовых конструкций или согласованный фильтр при таких сигналах на его выходе обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха (с/п) примерно в N раз. Для случая идеальной КК в виде кодов Баркера с максимальной длиной N = 13 при соотношении сигнал/помеха на входе (с/п)_вх = 1 превышение мощности сигнала над мощностью помехи составит (с/п) составит:

Однако дальнейшему повышению отношения сигнал/помеха (с/п) препятствует отсутствие кодов Баркера, имеющих, длину большую 13.

Особую привлекательность использование кодов Баркера и других синтезированных составных широкополосных кодовых последовательностей приобретает для повышения эффективности железнодорожной связи, сигнализации и блокировки в каналах передачи сигналов, данных и информации на основе рельсовых цепей (РЦ) и токонесущей контактной сети. Организация таких каналов связи и передачи сигналов для железной дороги всегда было делом естественным и предпочтительным, поскольку позволяла использовать рельсы и контактную электрическую сеть по дополнительному назначению - для передачи информации и сигналов.

Но во многих директивных документах по определению перспектив развития автоматизированных систем железнодорожной связи, сигнализации и блокировки использование рельсовых цепей (РЦ) и токонесущей контактной сети для передачи информации ошибочно отнесено к разряду бесперспективных. Такое негативное отношение обусловлено существенным увеличением уровней помех, которое связано с повышением скоростей движения поездов. Новые предложения по перспективам развития автоматизированных систем железнодорожной связи, сигнализации и блокировки связывают с разработкой технологий квантовых коммуникаций. Это модное направление, однако реальных, а не придуманных и недостаточно обоснованных предложений по их практической реализации, в настоящее время нет. Есть прожекты, которые вызывают множество вопросов, на которые нет вразумительных ответов. Более того, у этого альтернативного направления повышения эффективности железнодорожных систем связи, сигнализации и блокировки также есть множество проблем, которые связаны с обеспечением требуемых показателей помехозащищенности. Квантовые коммуникации ориентированы на использование волоконно-оптических линий систем (ВОЛС) передачи информации. До недавнего времени считалось, что у ВОЛС нет помех. Но это предположение противоречит теории передачи информации. Когда говорят, что помех нет, это только свидетельствует о том, что они не выявлены. Или их наличие не хотят замечать. Да, действительно электромагнитные помехи, которые являются основными при организации электрической связи, на ВОЛС не действуют. Но зато существуют мощные виброакустические помехи, которые появляются в волоконно-оптических кабелях (ВОК) при прохождении железнодорожных составов. В целях обеспечения их защиты от злоумышленников они должны быть, как минимум, проложены в непосредственной близости от железнодорожных путей. Но тогда виброакустические помехи наиболее значительные. В результате появляется реальное, а не придуманное противоречие, когда показатели надежности работы автоматизированных систем железнодорожной связи, сигнализации и блокировки будут минимальными при приближении к переездам, переходам и другим объектам, оказывающим наибольшее влияние на безопасность железнодорожного движения, самого объекта контроля - поезда. Кроме того, кабель, который может находиться на небольшой глубине железнодорожного полотна (до 50 см) легко повредить. Для того, чтобы разрушить железнодорожные рельсовые цепи нужно приложить гораздо больше усилий. В некоторых случаях это не представляется сделать незаметно.

Существующие системы (АСБ), повышающие безопасность железнодорожного движения на основе формирования сигналов светофоров, блокировки проезда автомобильного транспорта через переезды и т.д., ориентированы на использование рельсовых цепей (РЦ) в качестве переносчика сигналов и данных, формируемых датчиками, сенсорами, извещателями и различными средствами автоматики. Они показали свою высокую надежность и эффективность при использовании паровозной и тепловозной тяги. Однако при переходе на электротягу значительно возросла вероятность появления сбоев, обусловленных высоким уровнем искажений передаваемых сигналов и сообщений помехами, вызванными протеканием по рельсам тягового тока. Вследствие этого на грузонапряженных скоростных электрофицированных участках применение автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН) оказалось недостаточно эффективным из-за большого количества сбоев. Системы железнодорожной связи также используют для передачи сигналов и сообщений токонесущую сеть обеспечения движения подвижного состава, в которой также велики уровни помехи передаваемым данным, обусловленные влиянием токов электросети. Для уменьшения уровня помех применяют различные активные электрические фильтры низких и высоких частот, однако достигаемый при этом технический эффект от их применения не соответствует предъявляемым требованиям.

В результате этого появилась проблема, заключающаяся в повышении помехозащищенности систем автоматической блокировки (АБ), АЛСН и связи на основе сложных структурно-кодовых конструкций (СКК) их корреляционной обработки или согласованной фильтрации, являющейся ее электрическим эквивалентом. Суть согласованной фильтрации (СФ) заключается в том, что его импульсная характеристика фильтра определяется формой входного цифрового сигнала: она оказывается согласованной с КК «чипа».

Но для этого необходим их синтез с использованием сложного минимаксного критерия, направленность которого связана с обеспечением максимума значений основного пика при корреляционной обработке принимаемых сигналов и сообщений, сопровождающегося минимизацией уровней боковых лепестков.

Использование кодов Баркера на первых порах развития различных систем передачи информации, прежде всего, телеметрической и командно-измерительной, способствовало их быстрому распространению и внедрению в различные технические области для разрешения существовавших в то время противоречий. Этому способствовало появление при их использовании следующего комплексного технического эффекта: одновременное повышение показателей устойчивости радиосвязи в каналах связи с многолучевым распространением и обеспечение скрытности передачи информации [1, 2].

Также коды Баркера были использованы и для решения других частных проблем. В их числе: повышение помехозащищенности сигналов синхронизации в передаваемых потоках данных телеизмерений ([3], И.М.Тепляков «Радиотелеметрия», М.: Сов. Радио, 1966. - 311 с., где на с. 208-212 рассмотрен многоканальный коррелятор схемы синхронизации телеметрических кадров. Однако ярко выраженная тенденция повышения требований к помехозащищенности привела к тому, что требовалось увеличение максимальной длины (N) кодов Баркера, которая в соответствии с доказанной теоремой не может быть больше 13 бит.

Предложения по разрешению основного противоречия этой проблемы, заключались в том, чтобы обеспечить минимум энергии боковых лепестков взаимной автокорреляционной функции (АКФ) принимаемой кодовой последовательности цифрового группового сигнала (ЦГС) и хранящейся в памяти приемной системы кодовой конструкции сигнала синхронизации (СС) при ее длине N > 13 бит.Для нахождения приемлемого для практики способа разрешения отмеченных противоречий существующего научно-методического обеспечения недостаточно. Нужны нестандартные (нетрадиционные) технические решения.

Некоторые из таких нестандартных подходов, относящихся к синтезу составных КК, обладающих минимальными БЛ, для N > 13, рассмотрены в патентах РФ. К их числу относится патент РФ №2591565 «Способ синхронизации передаваемых сообщений и устройство для его осуществления», опубл. 22.06.2015, бюл. №18 [4]. Он предназначался для замены 15-тиразрядной М-последовательности: <100010011010111>₂, используемой в настоящее время в телеметрической системе «ОРБИТА-IVMO» в качестве сигнала синхронизации. Обозначение < >₂ означает, что используется кодовая последовательность с символами «1» и «0» двоичного кода.

В нем, в качестве одной из кодовых конструкций, из которых состоит формируемый широкополосный сигнал (ШПС) с таким же числом символов входят инверсный код Баркера с длиной N₂ = 5. Две другие пятиразрядные синтезированные кодовые конструкции <00111>₂ и <01101>₂ обладают инверсно-изоморфными боковыми лепестками АКФ (фиг. 1). Понятие «инверсно-изоморфные» означает, что если у одной из них у АКФ на одной и той же позиции находится боковой лепесток со значением «+r», то у другой он равен противоположному значению «-r». В результате суммирования АКФ; трех пяти разрядных КК_i боковые лепестки первой КК_i и третьей КК₃ кодовых конструкций окажутся скомпенсированными из-за того, что они имеют значения равные по абсолютной величине, но противоположные по знаку. При этом основные пики АКФ_i будут просуммированы. В результате этого появится сжатая 5-тиразрядная суммарная АКФ с основным пиком, равным такому же значению 15, которое получают при корреляционной обработке 15-тиразрядной исходной М-последовательности: <100010011010111>₂. Но при этом боковые лепестки останутся такими же, как у идеального кода Баркера, равными: 0 и ±1. У М-последовательности максимальные (нескомпенсированные) значения боковых лепестков равны что в 3,87 раза больше по сравнению с предлагаемым в решением.

Приведенные источники информации [1-4] могут рассматриваться только в качестве аналога в части научно-методического обеспечения, демонстрирующего возможность разрешения отмеченных противоречий на основе новых технологий, основу которых составляет расширение возможностей существующих систем. При этом одно из наиболее перспективных направлений реализации предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы заявленные его сущностные характеристики можно было бы реализовать за счет дополнительного программирования современной элементной базы. Такую возможность предоставляет программирование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), микроконтроллеров и микропроцессоров, составляющей основу построения автоматизированных систем связи, сигнализации и блокировки, используемых на железных дорогах. Это направление активно развивается, например, в рамках таких международных проектов, как «Программно-определяемое радио» и «Когнитивное радио». Но оно не было распространено на такую специфическую область информатики, как автоматизированные системы связи, сигнализации и блокировки, используемые для обеспечения безопасности железнодорожного движения.

Рассмотренные аналоги позволяют сделать вывод о том, что использование подобных подходов может составить основу для разработки предлагаемого способа обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием широкополосных сигналов.

При этом сущностные характеристики изобретения заключаются в том, чтобы повысить показатели помехозащищенности, скрытности и надежности передачи сигналов существующей автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации на основе новых достижений в области синтеза и практического использования широкополосных сигналов. Также сущностные характеристики состоят в том, чтобы новый технический эффект в виде повышения показателей помехозащищенности, скрытности и надежности передачи сигналов был бы обеспечен при минимальных затратах на их реализацию.

Частные сущностные характеристики предлагаемого изобретения заключаются также в дополнительном повышении показателей помехозащищенности существующих кодов Баркера с максимальным значением числа N, равного N = 13. Это направление в настоящее время наиболее хорошо апробировано применительно к тематике железных дорог. Об этом, например, свидетельствует статья [5] (А.Н. Михалев, Е.В. Паршина «Обеспечение высокой помехоустойчивости и надежности систем автоматической блокировки (АБ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС)», «Автоматика, телемеханика и связь», Транспорт Урала/№4(19)/2008). В ней рассматривается возможность использования для повышения показателей помехозащищенности существующих кодов Баркера с максимальным значением числа N, равного N = 13. Но ее недостаток с точки зрения современного представления о возможностях повышения эффективности использования систем автоматической блокировки (АБ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) заключается в том, что не используются новые технологии, относящиеся к синтезу оптимальных составных сложных сигналов и их применению в ОАО «РЖД».

Проведенный краткий анализ показывает, что ранее не использовавшиеся возможности заключаются в следующем:

1) в возможности обеспечения требуемого уровня информационной безопасности при управлении подвижными составами, системами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) за счет повышения показателей скрытности и защищенности от информационно-технических воздействий (ИТВ) злоумышленников;

2) в использовании дополнительной обработки результатов определения АКФ, которая содержит новые операции, относящиеся к составным частям синтезированных сложных сигналов и к формированию результирующего сигнала с подавленными боковыми лепестками;

3) в дополнительной обработке результатов согласованной фильтрации, которая является наиболее простым с точки зрения практической реализации электрическим аналогом АКФ.

Суть предлагаемой дополнительной обработки результатов согласованной фильтрации поясняют иллюстрации, приведенные на фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 2(B) представлены истинные символы «1» и «0» передаваемых данных или сообщений, имеющие длительность То, а на фиг. 2(Б) биты «чипов», используемых для расширения спектра передаваемых сигналов. В качестве псевдослучайных кодовых последовательностей («чипов») используют коды Баркера максимальной длины N = 13, имеющие длительность τ₀, задаваемую сигналами тактовой синхронизации (фиг. 2(A)). На фиг. 2(Б) представлен случай формирования передаваемых бит кодов Баркера максимальной длины N = 13 на передающей стороне, когда они еще не искажены помехой при передаче по каналам связи или по РЦ, а на фиг. приведен результат моделирования их приема в условиях действия помех. Искажения помехой изменили переданные «чипы» настолько, что их символьная идентификация оказалась невозможной. Определить присутствие «чипов» в виде кодов Баркера максимальной длины N = 13 можно только в результате их согласованной фильтрации, по откликам фильтра, который представлен на фиг. 2(Г). При этом передачу истинных символов двоичного кода в виде «1» отображают в виде одного положительного и двух отрицательных импульсов отклика СФ, следующих без пауз друг за другом (фиг. 2(Г)). О приеме истинного символа двоичного кода «О» судят по обратной последовательности импульсов отклика СФ: вначале одиночного отрицательного импульса, после которого следуют сдвоенные положительные импульсы (фиг. 2(Г)).

Для повышения помехозащищенности выделения истинных символов двоичного кода «1» и «0» в данном изобретении используют следующие дополнительные операции обработки импульсов отклика СФ на поступление «чипов», которые представлены в виде эпюр на (фиг. 3). Из иллюстраций, приведенных на фиг. 3, следует, что исходные импульсы отклика СФ (фиг. 2(Г)) и продублированные на фиг. 3(Г)) дополнительно инвертируют и задерживают на время, равное τ_з = 2τ₀, где τ₀ - длительность бит «чипа» в виде кода Баркера длины N = 13 (фиг. 3(Д)). Затем полученную последовательность исходных импульсов отклика СФ (фиг. 3(Д)) суммируют в сумматоре с исходной их копией (фиг. 3(Г)). В результате получают суммарную последовательность сформированных импульсов (фиг. 3(E)), использование которой дополнительно повышает помехозащищенность восстанавливаемых при приеме исходных символов двоичного кода «1» и «0», которыми на передающей стороне закодированы передаваемые данные или сообщения.

На фиг. 4 представлена структурная схема существующего устройства [5] (А.Н.Михалев, Е.В.Паршина «Обеспечение высокой помехоустойчивости и надежности систем автоматической блокировки (АБ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС)», «Автоматика, телемеханика и связь», Транспорт Урала/№4(19)/2008), которая может составить основу реализации предлагаемого способа в соответствующей области его применения.

На фиг. 4 использованы следующие обозначения: 1 - дешифратор сигналов автоматической блокировки (АБ); 2 - путевой светофор, 3 (3', 3'', 3''') - блоки формирователей двоичных сигналов с «хорошей» АКФ для каждого показания путевого светофора; 4 - блок «ИЛИ»; 5 - модулятор; 6 - полосовой фильтр; 7 - усилитель мощности; 8 - локомотивные приемные катушки; 9 -колесная пара локомотива; 10 - полосовой фильтр; 11 - входной усилитель; 12 - демодулятор; 13 - блок, предотвращающий обратную работу приемного устройства, когда фаза 0° может быть воспринята как значение 180°, и, наоборот; 14 - формирователь двоичного сигнала; 15 (15', 15'', 15''') - согласованные фильтры; 16 - преобразователь импульсного напряжения в постоянное напряжение; 17 - локомотивный светофор.

Предлагаемый способ реализуют в блоках 3 (3', 3'', 3'''), в которых исходные символы двоичного кода «1» и «0» каждого из трех цветов светофора, передаваемых сигналов автоматической блокировки (АБ) и представленных в виде последовательности символов двоичного кода «1» и «0» (фиг. 2(B)), заполняют кодами Баркера с числом N=13 (фиг. 2(Б)), которые затем через блок «ИЛИ» подают на модулятор 5, полосовой фильтр 6 и усилитель мощности 7 для последующей передачи в рельсовую цепь (а, б). Все это относится к напольной автоматизированной системе (НАС), включающей в себя блоки 1-7.

Затем следует локомотивная часть (блоки 8 - 17), подключенная к рельсовому тракту передачи. Здесь предлагаемый способ реализован в блоке 12, представленном, в общем виде, на фиг. 4 и в предлагаемом исполнении на фиг. 5. Основу повышения помехоустойчивости демодуляции сигналов, передаваемых по РЦ, составляет закономерность формирования сигналов двухфазной относительной модуляции (ДФОМн), представленная в виде иллюстрации на фиг. 6. Ее проявление связано с тем, что предлагаемое суммирование в функциональном элементе (ФЭ) 12-3 принятого ФЭ 12-1 по РЦ сигнала с ДФОМн u₂(t) (фиг. 6(б)), искаженного помехой, и его копии u₃(t) (фиг. 6(в)), задержанной в ФЭ 12-2 (фиг. 5) на время, равное длительности τ_{б двоичных символов кода Баркера с N=13 (фиг. 2(Б), фиг. 6(a)). Суммирование приводит к формированию в комбинированном детекторе огибающей (КДО) суммарного сигнала Uk(t) = u2(t) + u3(t) (фиг. 6(2)). Новизна такого предлагаемого преобразования, эпюры которого приведены на фиг. 6, заключается в том, что амплитуда Uk(t) будет увеличена в 2 раза (фиг. 6(г)) по сравнению с u2(t) (фиг. 6 (б)) при наличии в принимаемом сигнале с ДФОМн признака двоичного символа «1» кода Баркера (фиг. 2(Б), фиг. 6(a)), поскольку колебания частоты принятого u2(t) и задержанного в ФЭ 12-2 сигналов u3(t) будут синфазными. Но при появлении в принимаемом сигнале с ДФОМн признака двоичного символа «0» (фиг. 6(a)), колебания частоты принятого u2(t) и задержанного u3(t) сигналов будут противофазными, в результате этого при их опознании на основе суммирования прямой и задержанной копий сигнала с ДФОМн амплитуда Uk(t) (фиг. 6(г)) будет равна нулю (или близкой к нулю при наличии помех). Эти контрастирующие признаки используют в модифицированном демодуляторе (МДМ) 12 (фиг. 5) для повышения помехозащищенности демодуляции сигналов, переданных по рельсовым цепям (РЦ) (фиг. 6).}

Также предлагаемый способ в его отличительной части реализован в модернизированных блоках 15 (15', 15'', 15'''), которые представляют собой согласованные фильтры (СФ) помехозащищенного восстановления каждого из трех цветов светофора. Структурная схема предлагаемой реализации способа в модернизированных блоках 15 (15', 15'', 15''') представлена на фиг. 7. Каждый из них представлен на фиг. 7 следующими функциональными элементами:

1) «15-1», представляющим собой согласованный фильтр для кодов Баркера с N = 13, на выходе которого формируют признаки исходных двоичных символов «1» и «0», имеющие длительность Т₀ = 3τ_б (фиг. 2 и фиг. 3) (его техническая реализация приведена на фиг. 8);

2) «15-2», реализующая операцию инвертирования сигнала, формируемого СФ 15-1, и его задержки элементом и «15-3» на время t_зад = 2τ_б (фиг. 3(Д));

3) «15-4», обеспечивающие повышение помехозащищенности восстанавливаемых исходных двоичных символов «1» и «0», имеющие длительность Т₀ = 13τ за счет суммирования сигнала, формируемого СФ 15-1, и его инвертированной копии, задержанной на время = 2τ_б (фиг. 3);

4) «15-5», выполняющим восстановление исходных символов «1» и «0» переданных информационных сообщений (фиг. 2) с повышенными показателями помехозащищенности.

Результаты восстановления переданного исходного цифрового сигнала преобразуют преобразователем 16 импульсного напряжения в постоянное напряжение, обеспечивающего работу светофора 17. Его реализация представлена в виде схемы, приведенной на фиг. 8.

Напольная часть системы, относящейся к передающей стороне и представленной на фиг. 3 блоками 1-7, обеспечивает:

- управление показаниями светофора 2 по сигналам автоблокировки, осуществляемое блоком 1, вход которого подключен к концу рельсовой цепи блок-участка, расположенного после светофора 2;

- контроль занятости контролируемого блок-участка железнодорожного пути и исправности его рельсовой цепи - для этого используется сигнал, снимаемый со стабилитрона, включенного в цепь преобразователей уровней выходных сигналов блока 1 и входных уровней блоков 3', 3'', 3''';

- кодирование каждого показания путевого светофора 2 определенной периодической последовательностью двоичных сигналов с «хорошей» АКФ, осуществляемое тем блоком 3, на вход которого поступает сигнал с одного из выходов блока 1;

- преобразование упомянутой последовательности с «хорошей» АКФ кода Баркера с N=13, представленной в виде бит на фиг. 2(Б), в периодическую последовательность сигналов двухфазной относительной модуляции (ДФОМн) блоком 5 (фиг. 4), что продемонстрировано на фиг. 6(б);

- затем сформированный сигнал ДФОМн пропускают через полосовой фильтр (ПФ) 6 для исключения влияния на него помех РЦ;

- доведение уровня мощности сигналов ДФОМн до необходимой величины обеспечивают блоком 7 с последующей передачей этих сигналов в рельсовую цепь.

Токи сигналов ДФОМн u₂(1), протекая по рельсам возле катушек 8 по движущейся колесной паре, вместе с тяговым током и токами устройств автоматики создают вокруг рельсов переменное магнитное поле. В каждой катушке 8, находящейся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. Суммарная ЭДС двух катушек действует на вход полосового фильтра 10. Полоса пропускания фильтра 10 устанавливается равной ширине основной части спектра сигнала ДФОМн, определенной частотами (f_нec - 1/τ_б) и (f_нec + 1/τ_б). На выходе фильтра 10 появляется сложный сигнал со спектром, представляющий собой сумму полезного сигнала ДФОМн u₂(t) и некоторой помехи s(t): u₂(t) + ε(t). Этот суммарный сигнал будет усилен блоками 11 (представлен на фиг. 6(б)), после чего его подают для демодуляции в блок 12 (фиг. 4 и фиг. 6) и в блок 13, предотвращающий обратную работу приемного устройства.

Сущностная характеристика данного изобретения заключается, кроме того, в том, что для повышения помехозащищенности принятого сигнала полученная сумма полезного сигнала ДФОМн и некоторой помехи также подвергается дополнительной обработке. Суть дополнительной обработки, которую реализуют в блоке 12 (фиг. 4, фиг. 5) заключается в задержке сигнала ДФОМн, искаженного помехой, на время t_з = τ_б, равное длительности бит «чипов» (τ_б), и ее суммировании с исходной незадержанной составляющей, что продемонстрировано в виде эпюр на фиг. 6. С этой целью в блок 12 вводят систему обработки, состоящую из линии задержки принятого сигнала ДФОМн со временем (t_з), представленной на фиг. 5 в виде обозначения «12-2», и сумматора «12-3», в котором он суммируется с незадержанной исходной его копией. Результаты обработки продемонстрированы на фиг. 6 (эпюры б, в и г). На эпюре фиг. 6(б) представлен принятый сигнал с ДФОМн, который подобен переданному и отличается от него только возможными искажениями, вызванными помехами. На эпюре фиг. 6(в) он задержан на время, равное длительности τ_б одного бита кода Баркера. На эпюре фиг. 6(г) представлены результаты их суммирования в сумматоре «12-3», в результате чего передаче символа «1» кода Баркера соответствует увеличенная в два раза амплитуда исходного сигнала с ДФОМн. При этом во время передачи символов «0» кода Баркера гармонический сигнал, которым заполняют импульсы двоичного кода, у исходной и задержанной копий будет противофазным, из-за чего наличие соответствующих символов кода Баркера будет определяют по результирующему выходному сигналу, который будет «нулевым» или близким к «нулю» при наличии помехи. В выходном функциональном элементе «12-4», представляющем собой квадратичный детектор огибающей (КДО) сигнала с ДФОМн, результаты выполненного суммирования, преобразуют в последовательность символов «1» и «0» кода Баркера с N = 13 с повышенными показателями достоверности их опознания в условиях различного рода помех.

Появившийся при этом новый технический эффект связан, как это следует из эпюр, приведенных на фиг. 6, с тем, что при предлагаемой обработке, которую выполняют в модернизированном блоке 12, получают усиленную в два раза амплитуду сигнала ДФОМн в моменты времени, соответствующие символам «1» в «чипах», представляющих собой коды Баркера (фиг. 6(г)). При этом формируют и подавленную несущую частоту сигнала ДФОМн в моменты времени, соответствующие символам «0» в передаваемых «чипах», которыми являются коды Баркера с N = 13.

Демодулированные в результате дополнительной обработки символы «1» и «0» кодов Баркера, пройдя через блок 13, предотвращающий обратную работу приемного устройства и 14 - формирователь двоичного сигнала, поступают на входы согласованных фильтров 15', 15'', 15''', которые настроены на их выделение из смеси сигнала и помехи.

Необходимое для этого знание значения τ_б, характеризующего длительность бит кодов Баркера, получают, исходя из значения выбранной несущей частоты f_нес. Она является частотой заполнения парциальных импульсов сигнала, на которые настроен согласованный фильтр. Ограничения, относящиеся к выбору несущей частоты f_нес состоят в том, что она не должна совпадать с гармониками тягового тока и со спектрами сигналов устройств автоматики, использующими рельсовый тракт передачи информации. Если принять f_нес = 313 Гц, то тогда каждый импульс, соответствующий битам кода Баркера, заполняется 10 периодами несущей частоты. При выбранных условиях длительность т символов «1» и «0» «чипов» определяется следующим значением:

В этом случае длительность символов двоичного кода «1» и «0» исходных информационных сообщений (Т₀), каждый из которых отображается при заполнении «чипами», представленными 13 битами кода Баркера, будет равна:

Т₀ = 13τ = 0,4147 с.

В результате этого будут выполнены все условия для того, чтобы была обеспечена работа согласованного фильтра «15-1» (фиг. 7) в таком режиме, в котором он используется в настоящее время в существующей системе сигнализации и блокировки.

При этом в рассматриваемом изобретении предлагается дополнительная обработка сигналов в модернизированных блоках 15 (15', 15'', 15'''), которую осуществляют с использованием функциональных элементов «15-2», «15-3» «15-4» и «15-5», схема подключения которых представлена на фиг. 7.

Отличительные особенности предлагаемого изобретения состоят в следующем.

1. Способ обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием широкополосных сигналов (ШПС) - «чипов», заполняющих длительности Т₀ исходной последовательности бит: символов «1» двоичного кода прямой копией «чипа», а символов «0» двоичного кода инверсной копией «чипа», заключающийся в том, что на передающей стороне в системах автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации для передачи сигналов автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации, представленных в двоичном коде с использованием символов «1» и «0», выделенные временные интервалы для передачи которых (Т₀) заполняют битами кодов Баркера («чипами») с количеством содержащихся в них символов «1» и «0», равных N, и длительностью каждого из них (τ_б = T₀/N), используют рельсовые цепи с нестабильными характеристиками качества передаваемых информационных сообщений, подверженные влиянию многочисленных источников помех, при этом для повышения помехозащищенности принимаемых сигналов на передающей стороне формируют сложные сигнально-кодовые конструкции, ориентированные на использование на приемной стороне корреляционных приемников и их эквивалентов в виде согласованных фильтров (СФ) с «хорошими» корреляционными свойствами, сигналы на выходах которых обладают требуемыми характеристиками автокорреляционных функций (АКФ) в виде минимума боковых лепестков (БЛ_k) на всех k-позициях, определяемых количеством N бит в «чипе», и наличия минимальных сигнальных откликов на них согласованных фильтров (СФ), сформированную таким образом, кодовую последовательность передаваемых бит «чипов» подвергают двухфазной относительной модуляции (ДФОМн) с использованием на приемной стороне блоков противодействия обратной работе фазового детектора, отличающийся тем, что при приеме используют дополнительную обработку смеси сигнал + помеха при демодуляции ДФОМн, заключающуюся в том, что ее задерживают на время задержки а затем суммируют с принятой копией, в результате чего повышают показатели помехозащищенности результатов демодуляции символов «1» и «0» двоичного кода исходных информационных сообщений при восстановлении сигналов с ДФОМн, кроме того, сигналы, формируемые при согласованной фильтрации треугольные импульсы принятых кодовых последовательностей «чипов», которые были восстановлены при демодуляции сигналов с ДФОМн, инвертируют и задерживают на время, равное после чего принятые и сформированные путем инвертирования и задержки копии треугольных импульсных сигналов, полученных при согласованной фильтрации, суммируют, в результате чего повышают показатели помехозащищенности восстановления исходных последовательностей бит переданных сообщений.

Сущностные характеристики изобретения также заключаются в том, что для повышения показателей помехозащищенности формируемые на передающей стороне сложные сигнально-кодовые конструкции по аналогии с предложениями, составляющими суть патента [4] (фиг. 1), также составлены из трех ШПС КК₁, КК₂ и КК₃, одна из которых КК₂ представляет собой идеальный код Баркера с N. При этом принципиальные отличия заявленного изобретения от изобретения [4] (фиг. 1), являющегося тематическим аналогом, заключается в следующем:

- объектом применения являются не сигналы синхронизации, которые представлены широкополосными составными шумоподобными сигналами, а сигналы системы автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации, применяемых на железных дорогах и использующих для передачи рельсовые цепи;

- длина N, составных кодовых конструкций КК₁, КК₂ и КК₃ адаптирована к соответствующей практике применения и равна не 5 (фиг. 1), поскольку один из используемых сигналов синхронизации, выбранный в качестве примера имеет длину N_Σ = 15, а 13, поскольку это более отвечает требованиям повышения показателей помехозащищенности передачи сигналов сигнализации и блокировки, применяемых на железных дорогах;

- синтезирована не одна, как это было в изобретении [4], а 32 составные кодовые конструкции ШПС, отвечающие требованиям минимизации боковых лепестков (БЛ_k) суммарной АКФ_Σ (фиг. 10).

Возможность использования различных кодовых конструкций СШПС, число которых равно 32 для случая использования КК₂, представляющего код Баркера в его прямом виде: <1111100110101>₂ и такого же их количества при инверсном его представлении: <0000011001010>₂, составляет основу для повышения показателей скрытности передачи сигналов и их стойкости к подменам при информационно-технических воздействиях (ИТВ).

Это позволяет сформулировать следующий дополнительный пункт формулы изобретения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на передающей стороне формируемый для повышения помехозащищенности передачи цифровой исходный сигнал автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации, представленный битами «1» и «0» двоичного кода, имеющими длительность Т₀ каждый, которую для повышения показателей помехозащищенности заполняют «чипами», представляющими собой последовательность бит составного широкополосного сигнала (СШПС) с длительностью каждого из них τ_б, меньшей в N_c раз первоначальной длительности Т₀ информационной последовательности бит (τ_б = 1/N_c × Т₀), генерируемый СШПС наделяют расширенным множеством отличительных признаков, для чего формируют его состоящим не из одной последовательности кода Баркера, представляющей собой единую кодовую конструкцию, а из нескольких составных кодовых конструкций (КК_i), число которых равно трем, i = 3, одна из которой представляет собой код Баркера, длины N = 13, а две другие такой же длины N = 13 синтезируют так, что их автокорреляционные функции (АКФ) обладают инверсно-изоморфными свойствами, суть которых заключается в том, что значения их боковых лепестков (БЛ_k), находящиеся на k-тых позициях АКФ, обозначенных четными числами, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку, на приемной стороне демодулированные переданные цифровые сигналы, представляющие собой принятую последовательность бит составного широкополосного сигнала (СШПС), искаженного при передаче помехой, подвергают корреляционной обработке или согласованной фильтрации каждую из его составных частей, полученные при этом AКФ_i составных частей суммируют, в результате чего формируют сжатую копию АКФ_Σ 13-ти разрядного кода Баркера, с минимально возможными боковыми лепестками (БЛ_k), принимающими на позициях k, представляемых нечетными числами, значения «-1», и значения «0» - на четных позициях к и с основным пиком АКФ_Σ на 13-той позиции, получающимся в результате сложения основных пиков суммируемых АКФ_i, который в 3 раза превышает исходный основной пик идеального кода Баркера с N = 13, формируют признаки идентификации СШПС на основе сравнения полученной в результате суммирования сжатой копии АКФ₂ 13-разрядного кода Баркера с установленными порогами, значения которых выбирают, исходя из наблюдаемого максимального уровня помехового фона в рельсовых цепях и обеспечиваемой компенсации значений боковых лепестков (БЛ_k).

Таким образом, существенные характеристики заявляемого изобретения заключаются в следующем:

- во введении двух дополнительных видов обработки сигналов в существующем способе обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием кодов Баркера в виде «чипов» при формировании широкополосных сигналов передачи информационных сообщений: 1) для полученных сигналов с ДФОМн (фиг. 5 и фиг. 6); 2) для сигналов, формируемых согласованным фильтром (фиг. 7 и фиг. 8);

- в существенном повышении показателей помехозащищенности передачи информационных сообщений при использовании рельсовых цепей с нестабильными характеристиками качества передаваемых информационных сообщений;

- в сохранении существующей системы обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием кодов Баркера в виде «чипов» при формировании широкополосных сигналов передачи информационных сообщений.

Использованные источники литературы

1. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации / Под ред. проф. В.Б. Пестрякова. - М.: «Сов. радио», 1973. - 424 с (с. 129).

2. Семенов A.M., Сикарев А.А. Широкополосная радиосвязь. Воениз-дат, 1970. - 278 с.

3. И.М. Тепляков «Радиотелеметрия», М.: Сов. Радио, 1966. - 311 с.

4. Патент РФ №2591565 «Способ синхронизации передаваемых сообщений и устройство для его осуществления», опубл. 22.06.2015, бюл. №18.

5. А.Н. Михалев, Е.В. Паршина «Обеспечение высокой помехоустойчивости и надежности систем автоматической блокировки (АБ) и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС)», «Автоматика, телемеханика и связь», Транспорт Урала/№4(19)72008.

Изобретение относится к телемеханике. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности передачи информационных сообщений по рельсовым цепям в системах автоматизации сигнализации и блокировки (АСБ), созданной с использованием широкополосных сигналов, основу построения которых составляют коды Баркера. Способ включает: введение двух дополнительных видов обработки сигналов с использованием кодов Баркера в виде «чипов» при формировании широкополосных сигналов передачи информационных сообщений, где дополнительная обработка введена для: 1) полученных сигналов с двоичной фазовой относительной модуляцией; 2) сигналов, формируемых согласованным фильтром; повышение показателей помехозащищенности передачи информационных сообщений при использовании рельсовых цепей с нестабильными характеристиками качества передаваемых информационных сообщений; сохранение существующей системы обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием кодов Баркера в виде «чипов» при формировании широкополосных сигналов передачи информационных сообщений. 10 ил.

1. Способ обеспечения автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации с использованием широкополосных сигналов (ШПС) - «чипов», заполняющих длительности Т₀ исходной последовательности бит: символов «1» двоичного кода прямой копией «чипа», а символов «0» двоичного кода инверсной копией «чипа», заключающийся в том, что на передающей стороне в системах автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации для передачи сигналов автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации, представленных в двоичном коде с использованием символов «1» и «0», выделенные временные интервалы для передачи которых (Т₀) заполняют битами кодов Баркера («чипами») с количеством содержащихся в них символов «1» и «0», равных N, и длительностью каждого из них (τ_б = T₀/N), используют рельсовые цепи с нестабильными характеристиками качества передаваемых информационных сообщений, подверженные влиянию многочисленных источников помех, при этом для повышения помехозащищенности принимаемых сигналов на передающей стороне формируют сложные сигнально-кодовые конструкции, ориентированные на использование на приемной стороне корреляционных приемников и их эквивалентов в виде согласованных фильтров (СФ) с «хорошими» корреляционными свойствами, сигналы на выходах которых обладают требуемыми характеристиками автокорреляционных функций (АКФ) в виде минимума боковых лепестков (БЛ_k) на всех k-позициях, определяемых количеством N бит в «чипе», и наличия минимальных сигнальных откликов на них согласованных фильтров (СФ), сформированную таким образом кодовую последовательность передаваемых бит «чипов» подвергают двухфазной относительной модуляции (ДФОМн) с использованием на приемной стороне блоков противодействия обратной работе фазового детектора, отличающийся тем, что при приеме используют дополнительную обработку смеси сигнал + помеха при демодуляции ДФОМн, заключающуюся в том, что ее задерживают на время задержки а затем суммируют с принятой копией, в результате чего повышают показатели помехозащищенности результатов демодуляции символов «1» и «0» двоичного кода исходных информационных сообщений при восстановлении сигналов с ДФОМн, кроме того, сигналы, формируемые при согласованной фильтрации треугольных импульсов принятых кодовых последовательностей «чипов», которые были восстановлены при демодуляции сигналов с ДФОМн, инвертируют и задерживают на время, равное после чего принятые и сформированные путем инвертирования и задержки копии треугольных импульсных сигналов, полученных при согласованной фильтрации, суммируют, в результате чего повышают показатели помехозащищенности восстановления исходных последовательностей бит переданных сообщений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на передающей стороне формируемый для повышения помехозащищенности передачи цифровой исходный сигнал автоматической блокировки и автоматической локомотивной сигнализации, представленный битами «1» и «0» двоичного кода, имеющими длительность Т₀ каждый, которую для повышения показателей помехозащищенности заполняют «чипами», представляющими собой последовательность бит составного широкополосного сигнала (СШПС) с длительностью каждого из них τ_б, меньшей в N_c раз первоначальной длительности Т₀ информационной последовательности бит (τ*_б = 1/N_c × Т₀), генерируемый СШПС наделяют расширенным множеством отличительных признаков, для чего формируют его состоящим не из одной последовательности кода Баркера, представляющей собой единую кодовую конструкцию, а из нескольких составных кодовых конструкций (КК_i), число которых равно трем, i=3, одна из которых представляет собой код Баркера, длины N=13, а две другие такой же длины N=13 синтезируют так, что их автокорреляционные функции (АКФ) обладают инверсно-изоморфными свойствами, суть которых заключается в том, что значения их боковых лепестков (БЛ_k), находящиеся на k-х позициях АКФ, обозначенных четными числами, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку, на приемной стороне демодулированные переданные цифровые сигналы, представляющие собой принятую последовательность бит составного широкополосного сигнала (СШПС), искаженного при передаче помехой, подвергают корреляционной обработке или согласованной фильтрации каждой из его составных частей, полученные при этом АКФ составных частей суммируют, в результате чего формируют сжатую копию АКФ_Σ 13-разрядного кода Баркера с минимально возможными боковыми лепестками (Б1Ц), принимающими на позициях k, представляемых нечетными числами, значения «-1», и значения «0» - на четных позициях к и с основным пиком АКФ_Σ на 13-й позиции, получающимся в результате сложения основных пиков суммируемых АКФ_i, который в 3 раза превышает исходный основной пик идеального кода Баркера с N=13, формируют признаки идентификации СШПС на основе сравнения полученной в результате суммирования сжатой копии АКФ_Σ 13-разрядного кода Баркера с установленными порогами, значения которых выбирают исходя из наблюдаемого максимального уровня помехового фона в рельсовых цепях и обеспечиваемой компенсации значений боковых лепестков (БЛ_k).