138

4. Формирование электронной карты для клуб-у

4.1. Использование спутниковых навигационных систем на железнодорожном транспорте

В настоящее время существует несколько вариантов спутниковых навигационных систем (СНС): американская система GPS, российская – ГЛОНАСС, европейская – GNSS. Все они базируются на использовании высокоорбитальных спутников. СНС позволяют определять различные параметры подвижных объектов, в том числе и их текущие наземные географические координаты.

Системы GPS и ГЛОНАСС удачно дополняют друг друга, так как большинство спутников системы GPS находится на экваториальных орбитах, а большинство спутников системы ГЛОНАСС – на орбитах, проходящих в приполярных областях земного шара. Это особенно актуально при определении местоположения поездов, поскольку (в отличие от самолетов) из-за топографических особенностей трассы железной дороги в отдельные моменты бортовая аппаратура поездов может единовременно принимать сигналы лишь от 4-5 из находящих­ся над ним 8-9 спутников. Остальные сигналы экранируются окружающими объектами (горами, земляными насыпями и т.д.).

Все спутниковые навигационные системы принципиально включают в свой состав:

• Спутниковую группировку.

• Станции слежения и управления.

• Спутниковые приемники пользователей.

Спутниковая группировка системы GPS содержит 24 спут­ника, находящихся на орбитах на высоте 24 тыс.м. Масса спутника – 500 кг, мощность передающей антенны 5 Вт. Сигналы со спутников принимаются до 80-го градуса.

Каждый спутник имеет сверхточные атомные (рубидиевые и цезиевые) часы. С их помощью через каждую 1 мс спутник генерирует свой уникальный псевдослучайный код на частоте 1,5 ГГц. Код из 1024 битов содержит номер спутника. Этот код затем модулирует несущую (осуществляется фазовая манипуляция) и передается в эфир.

Наземные станции наблюдения следят за спутниками, периодически уточняют и передают на спутники координаты группировки и другую информацию, позволяющую повысить точность определения координат объектов.

Многоканальный приемник пользователя (именно многока­наль­ность позволяет одновременно получать сигналы с несколь­ких спутников за счет их кодового разделения) измеряет псевдодальности до нескольких спутников и затем вычисляет свои координаты путем проекции этих расстояний на поверх­ность Земли путем решения системы алгебраических уравнений. Дальность (псевдодальность) до каждого из спутни­ков вычис­ляет­ся умножением скорости распространения электро­маг­нитной волны несущей (т.е. радиосигнала с частотой 1,5 ГГц) на время задержки при прохождении им расстояния от спутника до пользователя. Скорость распространения несущей принимает­ся постоянной и равной скорости электромагнитной волны в вакууме (300 тыс. км/с).

Для нахождения трехмерных координат местоположения пользователя (долгота, широта, высота), а также величины коррекции времени для менее точных часов приемника пользо­вателя (четвертая неизвестная) решается система из четырех уравнений. Исходная информация для них – сигналы не менее, чем от четырех спутников. При вычислении плоских координат, т.е. без вычисления высоты, которая вносится пользо­ва­те­лем в память приемника как известная величина, достаточно сигналов от трех спутников.

После включения в работу (холодный старт) навигацион­ный приемник не сразу начинает выдавать достоверные коорди­на­ты. Это связано с расхождением реальных характеристик орбит спутников с такими же характеристиками, записанными в память приемника на момент их последнего обновления. Поскольку в приемнике отсутствуют точные данные о координатах спутника, от которого он отсчитывает псевдодальность, в расчетах, произво­димых в приемнике, появляется большая погрешность.

В свою очередь, спутники, кроме псевдослучайного кода, выдают в эфир так называемые навигационные сообщения об эфемеридах своих и чужих орбит (в последнем случае сообщения называются альманахами). Эти сообщения достаточно длитель­ные и передаются периодически. Только после приема альманаха с эфемеридами спутников приемник GPS уточняет их орбиты и начинает выдавать достоверные решения. Реально время после холодного старта до формирования достоверного решения не превышает 5 - 6 минут.

Как было отмечено выше, для решения различных задач управления движением поездов требуется достичь точности измерений географических координат от нескольких десятков метров до нескольких метров. В связи с этим целесообразно оценить точность навигационного метода.

Приемник пользователя ежесекундно формирует географи­чес­­кие координаты местонахождения в виде сообще­ния, содержащего поля с широтой и долготой (по 32 бита каждое поле). Исходя из длины земного экватора, теоретическая погреш­ность определения координат при 32-битном представлении составляет 6 см. Реальная же погрешность существенно выше. Она складывается из следующих видов погрешностей:

• погрешность селективности доступа,

• погрешность от ионизированной оболочки,

• погрешность от складок местности,

• погрешность от расположения спутников.

Погрешность селективности доступа вносится военным ведомством, чтобы частные пользователи не могли влиять на обороноспособность страны. Эта погрешность достигается хаоти­чес­ким сдвигом времени передачи спутником псевдослу­чайного кода. Данная погрешность для обычных приемников неустранима и составляет 20-30м. В настоящее время данный тип погрешности не привносится в расчеты

Погрешность от ионизированной оболочки связана с тем, что при расчете псевдодальности скорость распространения электромагнитной волны принята постоянной и равной ее скорости в вакууме. В то же время ее реальная скорость при попадании в слои ионосферы снижается. Эта погрешность увеличивается для спутников, лежащих низко к горизонту. Поэтому не желательно использовать данные таких спутников. Настройка приемника позволяет автоматически отсекать сигналы от спутников, лежащих ниже заданного угла.

Погрешность от складок местности может возникнуть в том случае, если в непосредственной близости (до 5м) от приемника находится предмет, от которого отражается сигнал спутника. При этом отраженный сигнал может быть воспринят приемником, как прямой. Величина этой погрешности не превышает нескольких метров.

Погрешность от расположения спутников зависит от их взаимного местонахождения. Путем расчетов в приемнике проекций сигналов на поверх­ность Земли появляются окружности равной дальности. Общая область их пересечения дает неопределенность – погрешность. Чем ближе друг к другу спутники, тем больше эта погрешность (больше область пересечения). Поэтому для сниже­ния величины погрешности следует пользоваться данными спутников, находящихся в разных сегментах неба.

Суммарная погрешность определения координат с помощью СНС может достигнуть 100 м. Посколь­ку в последние годы военное ведомство сняло требование по селективности доступа, то суммарная погрешность снижается до 30 м. Кроме того, существует еще ряд технических решений, позволяющих снизить суммарную погрешность до величин, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к средствам ЖАТ.

Для того, чтобы бортовое локомотивное устройство (КЛУБ-У, КЛУБ‑УП) могло использовать в своей работе информацию от СНС, оно должно иметь в составе своего оборудования: электронную карту (ЭК) участков пути, антенну СНС и приемник СНС.

Электронная карта - это обычная географическая карта, предназначенная для хранения железнодорож­ных координат и других свойств железнодорожных объектов (светофоров, станций, мостов, переездов и т.д.), а также геогра­фи­ческих координат километровых столбов в электронном (кодовом) виде.

Антенна СНС осуществляет непосредст­вен­ный прием сигналов псевдослучайного кода и навигационных сообщений со спутников группировки GPS.

Приемник СНС производит расчет координат своего местоположения, своей текущей скорости и абсолютного астрономического времени и выдачу этих параметров в блок электроники (БЭЛ) бортового устройства с периодичностью в 1 с.

В ЭК предварительно записываются координаты последовательно расположенных километ­ровых столбов по маршруту движения поезда. В тот момент, когда координаты, рассчитанные локомотивным приемником СНС, совпадут с координатами одного из километровых столбов, БЭЛ определяет свои железнодорожные координаты и находит на электронной карте расстояние до ближайшего железнодорожного объекта. Уменьшение этого расстояния в пределах текущего кило­метра рассчитывается с учетом фактической скорости поезда.