Изобретение относится к железнодорожному транспорту.
За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения) ГЛОНАСС, GPS, ГАЛЛИЛЕО и КОМПАС. Это 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. Ее разработка началась в 1973 г., когда Министерство Обороны США перестала устраивать радионавигационная система, состоящая из наземных навигационных систем Loran-C и Omega, и спутниковой системы Transit. Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System — навигационная система определения времени и дальности). 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 подключения 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 GPS-системы
Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала 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, поэтому 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).
Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию. Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т. к. скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом «альманахе» содержатся обновляемые каждые 1…5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные (длиной
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 координат 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…10) содержит, размещенные на рельсах 1 вагон-путеизмеритель 2, который содержит платформу 3. Вагон-путеизмеритель 2 содержит систему измерения и контроля и механическую часть, обычную для всех вагонов. Платформа 3 содержит колесные пары 4. Вагон-путеизмеритель 2 может быть совмещен с локомотивом или оборудован собственным тяговым приводом 5. Под платформой 3 между двумя колесными парами 4 симметрично относительно продольной оси вагона-путеизмерителя 2 установлены два лазерных датчика 6, каждый из них размещен над рельсами 1. Лазерные датчики 6 установлены в защитных корпусах 7 и защищены со стороны оптической части бронированными стеклами 8 для исключения повреждения от ударов посторонними предметами и атмосферных осадков. Защитный корпуса 7 имеют оси 9, выполненные перпендикулярно продольным (оптическим) осям лазерных датчиков 6. Защитные корпуса 7 установлены на осях 9 с возможностью поворота относительно них. и закреплены на кронштейнах 10 под платформой 3. Для обеспечения поворота лазерных датчиков 6 вместе с защитными корпусами 7 к защитным корпусам 7 присоединены привода 11, например, гидроцилиндры 12 со штоками 13. Возможны и другие варианты исполнения приводов 11, в том числе применение общего привода 11.
На платформе 4 установлен бортовой компьютер 14, к которому электрическими связями 15 (проводными или беспроводными) подсоединен контроллер 16.

К контроллеру 16 электрическими связями 15 присоединены лазерные датчики 6. К бортовому компьютеру 14 может быть присоединен электрическими связями 15 приемник системы глобального дистанционного позиционирования 17, например, приемник ГЛОНАСС или GPS с антенной 18, подключенной к его входу. Может быть установлен прибор любой другой системы позиционирования (Галилео или Компас). В систему глобально дистанционного позиционирования входят спутники 19, связанные по радиоканалу 20 с антенной 18 и далее приемником системы глобального позиционирования 17.
К бортовому компьютеру 14 также может быть присоединено бортовое приемно-передающее устройство 21 с антенной 22. Сканирование лазерными датчиками 6 рельсов 1 осуществлено при помощи лазерного луча 23 (рис. 2 и 3). В состав системы измерения и контроля также может входить удаленное устройство управления 24 (рис. 1) со стационарным приемно-передающим устройством 25, имеющим антенну 26. К стационарному приемно-передающему устройству 25 подключен удаленный сервер 27.

Также на платформе 3 может быть установлен, по меньшей мере, один акселерометр 28, предпочтительно установить два акселерометра 28 (рис. 5 и 6) и магнетометр 29 (рис. 8).

Приводы 11 оборудованы средством синхронизации 30, который подсоединен к бортовому компьютеру 14 .Средство синхронизации может быть выполнено различным способом, например, механическим, как это показано на фиг. 4 или электрическим или гидро-механическим.

Для примера на фиг. 4 показано средство синхронизации 30, выполненное в виде двух шарнирных тяг 31, установленных симметрично относительно единственного привода 11 и соединенных со штоком 13. Оба лазерных датчика 6 оборудованы датчиками углового положения 31 (фиг. 9), установленными, например, на осях 9 и соединенными электрическими связями 15 с контроллером 16. Это позволяет использовать значения этих углов в расчетах профиля рельса, его износа и более точного определения расстояния между рельсами. Кроме того, информация об углах наклона продольных (оптических) осей лазерных датчиков 6 может быть использована для осуществления и контроля синхронизации поворота лазерных датчиков электрическими средствами синхронизации.

На фиг. 9 показана схема сканирования внутренней рабочей поверхности рельса 1 лазерным лучом 23. Бортовой компьютер 14 (фиг. 10) содержит процессор 33, блок памяти 34, монитор 35 и устройство управления 36, например, клавиатура или манипулятор, типа «мышь».
При движении вагона-путеизмерителя 2, имеющего платформу 3 по рельсам 1 (рис.1) лазерные датчики 6 периодически, например через 1 метр, сканируют внутреннюю поверхность рельсов 1, перемещая луч лазера 23 в поперечном направлении поворачивая лазерные датчики 6 приводами 11 и определяют расстояние до них и профиль внутренней рабочей поверхности рельса 1 для определения его износа (рис. 8).

Эти данные передаются по линиям связи15 сначала на контроллер 16 для преобразования, а потом в бортовой компьютер 14. В качестве бортового компьютера 14 целесообразно применить персональный компьютер типа «Пентиум», серийно выпускаемый многими российскими и зарубежными фирмами. Замеренная и расчетная информация записывается в блок памяти В состав бортового компьютер 34 Работу программ обеспечивает операционная система типа WINDOWS-98, 2000, -Ме, -ХР. Программа расчета расстояния между рельсами 1 основана на простых геометрических фигурах, например, треугольниках, поэтому составление алгоритма вычисления измеряемых параметров не представляет затруднений и более подробно в описании не приводится.

Так как расстояние между лазерными датчиками 6 строго фиксировано, производится расчет расстояния между рельсами 1. Эти данные записываются в блок памяти 34 бортового компьютера 14, например, на жесткий диск, с привязкой к пройденному расстоянию (или к географическим координатам вагона-путеизмерителя 2).. Расстояние, пройденное платформой 3 с точностью 1…2 м определяется известными способами, например по маркерам на путевых объектах (столбах, зданиях и т. д) и дополнительно периодически контролируется системой глобального дистанционного позиционирования ГЛОНАСС или GPS для исключения сбоев и значительных погрешностей известных способов. Приемник дистанционного глобального позиционирования 17 принимает сигнал не менее, чем с трех спутников 19 системы и по ним определяет местоположение платформы3 с точностью до 1…2 м. Эти данные передаются на контроллер 16 и далее на компьютер 14 для проведения расчетов и привязки замеренных параметров пути к географическим координатам текущего места положения вагона-путеизмерителя 2.

Далее производится сравнение рассчитанного расстояние L0 между рельсами 1 с предельно допустимыми минимальным и максимальным значением. При значительном отклонении результата подается сигнал, например, звуковой или световой или текстовый на экране монитора 36.. Одновременно акселерометры 28 (рис. 5 и 6) измеряет наклон продольного наклона платформы 3 в продольном направлении (угол φ1), и поперечный наклон платформы 3 (угол φ 2). Эти значения также сравниваются с предельно допустимыми, и если они выходят за пределы нормы, подается звуковой или визуальный сигнал оператору. С магнетометра 29 (рис. 8) через контроллер 16 информация передается на бортовой компьютер 14.. По полученной информации в результате сканирования лучом лазера 23 внутренней поверхности рельса 1 определяет его фактический поперечный профиль – «Ф» (рис. 9) и сравнивают его с теоретическим профилем «Т», заранее введенным в блок памяти на основании чертежа рельса 1. При расхождении результатов, превышающем заданное, подается тревожный сигнал.
При необходимости можно передавать информацию с бортового компьютера 14 в течение всего времени движения вагона-путеизмерителя 2 на удаленный сервер 27 по радиоканалу 20 (рис. 1). Эти данные используются для профилактики железнодорожного пути
Применение изобретения позволило:
1. Расширить функциональные возможности системы за счет дополнительного измерения износа рельсов на их верхней и внутренней стороне, контактирующей с колесными парами и углов наклона платформы вагона-путеизмерителя в продольном и поперечном направлениях.
2. Повысить точность измерений всех параметров за счет синхронизации поворота лазерных датчиков для обеспечения сканирования внутренних поверхностей двух рельсов в строго противоположных точках.
3. Точнее привязать всю полученную информацию к пройденному пути за счет его более точного измерения места положения платформы вагона-путеизмерителя. Применением наряду с известными способами периодического контроля местоположения при помощи системы дистанционного глобального позиционирования, например, ГЛОНАСС или GPS.
5. Полностью автоматизировать процесс измерения и вывести результаты измерений и расчетов (информацию) на бортовой компьютер и при необходимости передать их на уделенный сервер в режиме реального времени.

Авторы статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович Носырев Д.Я.