Контроль рельсов железнодорожного пути

рельсы

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 передачи 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, выпускаемые 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 фазоманипулированный 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 находятся 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. Та-ким 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)

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 функции, например, Галилео или Компас. В систему глобального 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.

рис.2
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.

Рис.3
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.

Рис.4
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).

Рис.5рис.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 не-значительно 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.

Рис.7Рис.8Рис.9Применение 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 процессор и блок памяти порвоначального положения тележки при помощи системы глобального 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: Патентынй поверенный РФ Болотин Николай Борисович

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.