Изобретение относится к железнодорожному транспорту.
За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения) GPS. Это, действительно, очень перспективный рынок. Объем мирового рынка услуг глобального позиционирования в 2003 г.составил $500 млн, а по прогнозу Ovum, в 2005 г. его объем составит $9.75 млрд (при 376 млн абонентов).

Некоторым основам функционирования систем глобального позиционирования и их применению в мире и посвящена данная статья. Первые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) разрабатывались исключительно для военных целей. Глобальная навигационная система GPS предназначена для пере-дачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Инициатором создания GPS-системы стало Министерство Обороны США
Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей. Первая штатная орбитальная группировка системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г. На орбиту были выведены 24 навигационных спутника Block II. Окончательно GPS-система была введена в эксплуатацию в 1995 г. В настоящее время она эксплуатируется и обслуживается Министерством Обороны США. В состав GPS-системы входят 3 основных сегмента: космический, наземный и пользовательский. Космический сегмент состоит из 28 автономных спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы системы достаточно 24 спутников). Каждый спутник излучает на 2 частотах специальный навигационный сигнал, в котором зашифровано 2 вида кода. Один из них доступен лишь немногим пользователям, среди которых, конечно же, военные и федеральные службы США. Кроме этих 2 сигналов, спутник излучает и третий, информирующий пользователя о дополнительных параметрах (состоянии спутника, его работоспособности и др.). Параметры орбит спутников периодически контролируются сетью наземных станций слежения (всего 5 станций, находящихся в тропических широтах), с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки): вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется собственное время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры и др. При этом для обнаружения отказов оборудования спутников с помощью наземных станций обычно требуется несколько часов. Третий сегмент GPS-системы — это GPS-приемники, выпускае-мые и как самостоятельные приборы (носимые или стационарные), и как платы для подклю-чения к ПК, бортовым компьютерам и другим аппаратам. Основные возможности GPS-системы (при наличии приемника GPS-сигнала):
— определение местонахождения мобильного абонента;
— определение наиболее короткого и удобного пути до пункта назначения;
— определение обратного маршрута;
— определение скорости движения (максимальной, минимальной, средней);
— определение времени в пути (прошедшего и сколько потребуется еще) и др.
Основы функционирования систем GPS и ГОЛОНАСС/
Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радио-сигнала от спутника к приемнику по временной задержке. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света.
Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны 2 частот — (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц). Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулирован-ный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code). PRN-код бывает 2 типов. Первый — C/A-код (Coarse Acquisition code — грубый код) используется в гражданских приемниках. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, по-этому и называется «грубым» кодом. C/A-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда. Период повторения С/А-кода — 1 мс. Другой код — P (precision code — точный код) — обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном, P-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии). Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Этот код доступен в принципе и гражданским лицам. Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже. В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом. В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией P-кода (в военное время система шифровки может меняться).
В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные на-ходятся в принятом с GPS-спутника «альманахе»). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется «трилатерацией».
Если известно расстояние до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность приемника от второго спутника. В этом случае определение ко-ординат также не представляется возможным — объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат — дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.
Устройство (рис. 1…9) предназначено для измерения расстояния между рельсами 1. Оно содержит, размещенные на измерительной рейке 2 опорное колесо 3, измерительное колесо 4, установленное на оси 5 и подпружиненное пружиной 6 в сторону, противоположное опорному колесу 3. Ось 5 измерительного колеса 4 выполненной с возможностью осевого перемещения и контактирует с датчиком перемещения 7. Кроме того, устройство содержит одноосную тележку 8 с рукояткой ручного привода 9, прикрепленной при помощи шарнира 10 к платформе 11. Одноосная тележка 8 содержит два колеса 12, установленных на оси 13. На платформе 11 размещены электронные компоненты устройства, в том числе контроллер 14, процессор 15, присоединенный к нему электрическими связями 16 и блок памяти 17, к которому присоединен внешний электрический разъем 18. (фиг. 2).

Измерительная рейка 2 и платформа 8 соединены тягой 19, на концах которых закреплены оси 20 и 21, имеющие возможность проворота в измерительной рейке 2 и платформе 8. С осями 20 и 21 связаны датчики угла поворота 22 и 23, соединенные электрическими связями 16 с контроллером 14. На платформе 11 установлен датчик пройденного пути 24, связанный механически с одним колесом 12. С контроллером 14 соединены датчик пройденного пути 24 и датчик перемещения 7.
На платформе 11 установлен блок питания 25 и выключатель 24. Блок питания электрическими связями 16 соединен со всеми электронными компонентами, требующими для работы электроэнергию, в том числе, с процессором 15 (рис. 1). На платформе 1 могут быть установлены два акселерометра 27 и 28 (рис. 3), соединенных электрическими связями 16 с контроллером 14. На платформе также может быть установлен магнетометр 29 (рис. 4), соединенный электрической связью 16 с контроллером 14. На платформе 11 установлен дат-чик пройденного пути 29 (рис. 1)
На платформе 11 может быть установлен приемник системы глобального дистанционного позиционирования 30, с антенной 31, подсоединенной к его входу. В качестве системы глобального позиционирования может быть применена система ГЛОНАСС или GPS. Для этой же цели может быть применен прибор другой системы позиционирования, имеющий аналогичные функций, например, Галилео или Компас. В систему голобального дистанционного позиционирования входят, соединенные радиоканалом 32 спутники 33 (рис. 1 и 5).. На платформе 11 также может быть установлено приемно-передающее устройство 34 к которому подсоединена антенна 35 (фиг. 6)., и удаленное контрольное устройство 36, со-держащее стационарное приемно-передающее устройство 36 к которому подсоединена антенна 38 и стационарный сервер 39.

При установки одноосной платформы 11 на рельсы 1 включают выключатель 26 и электроэнергии с блока питания 25 через выключатель 26 подается на все электронные компоненты, в том числе на процессор 15 . С датчика перемещения 7, датчика пройденного пути 24, датчиков угла поворота 22 и 23 и с акселерометров 27 и 28 и магнетометра 29 (при их наличии) информация передается на контроллер 14 и далее на процессор 15. После проведения необходимых расчетов информация передается на блок памяти 17 В первую очередь по показаниям датчика перемещения 7 определяют расстояние между рельсами 1, потом углы из наклона φ1 φ2, и азимутальное положение участка железнодорожного пути. если в составе устройства предусмотрены соответственно акселерометры 27 и 28 и магнетометр 29.

Эти данные записываются в блок памяти17 с привязкой к пройденному расстоянию. Расстояние, пройденное платформой с точностью 2 м определяется датчиком пройденного пути 24 и периодически контролируется системой глобального дистанционного позиционирования.. Приемник глобального дистанционного позиционирования 30 принимает сигнал не менее, чем с трех спутников 33 системы и по ним определяет местоположение платформы 11 с точностью 2 м. Эти данные передаются на контроллер 14 и далее в процессор 15 и блок памяти 17.

Далее в процессоре 15 производится сравнение расстояние между рельсами 3 с предельно допустимыми минимальным и максимальным значением. При отклонении подается сигнал, например звуковой. Одновременно акселерометры 27 и 28 измеряет продольный и поперечный наклон рейки (рис. 7 и 8). Эти значения также сравниваются с предельно допустимыми, и если они выходят за пределы нормы, подается звуковой или визуальный сигнал оператору. При необходимости можно передавать базу данных с платформы 11 в течение всего времени ее перемещения в процессе контроля для профилактики железнодорожного пути через приемно-передающие устройства 34 и 37 и их антенны 35 и 38 по радиоканалу 32 на удаленный сервер (фиг. 6).

Расчет радиуса скругления рельсового пути может быть выполнен по методике (фиг. 9), приведенной ниже.

Замеренные датчиками 22 и 23 углы поворота осей 21 и 22 могут незначительно различаться. В идеальном случае, без значительного уменьшения точности расчетов можно считать, что эти углы равны α1 = α2, поэтому вычисляют среднее значение угла поворота измерительной рейки:
α1 + α2
αср =
2
Рассчитывают cредний радиус скругления пути.:
L 1
R ср =
2 х sin αср

Радиус скругления внешнего рельса можно определить по формуле:

R = R ср + 0,5 L0
Радиус скругления внутреннего рельса пути можно определить по формуле:
R = R – 0,5 L0
Где L0 измеренное расстояние между рельсами.

Применение изобретения позволило:
1. Создать легкую малогабаритную одноосную железнодорожную тележку с ручным приводом для контроля пути, обеспечивающую высокую точность измерений и расширенные функциональные возможности.
2. Расширить функциональные возможности системы за счет дополнительного измерения углов радиуса скругления рельсов и наклона платформы.
4. Точнее привязать всю полученную информацию к пройденному пути за счет его более точного измерения местоположения тележки. Это обеспечивается введением в про-цессор и блок памяти порвоначального положения тележки при помощи системы глобально-го дистанционного позиционирования, например, ГЛОНААС, GPS, Галилео или Компас.
5. Значительно более точно определять текущие координаты платформы с устройством за счет применения системы глобального дистанционного позиционирования.
6. Полностью автоматизировать процесс измерения и вывести результаты на стационарную аппаратуру (компьютер или флеш-память) через специальный электрический разъем (считать из блока памяти) или передать их на удаленный сервер или периодически. По мере накопления информации или непрерывно в процессе измерения по беспроводному каналу связи.

Автор статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович