способ совмещенной радиосвязи и радионавигации и устройство, его реализующее, для железнодорожного транспорта

Формула изобретения

1. Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающийся в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в паузах между сообщениями в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, в качестве которого используют псевдослучайную последовательность, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика на частоте _c, преобразуют его по частоте с использованием частоты _г1 первого гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал первой промежуточной частоты _пр1= _с+ _г1, усиливают его по мощности, излучают модулированный сигнал на частоте ₁= _пр1 в направлении локомотива, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают в направлении диспетчерского пункта фазоманипулированный сигнал на частоте ₂= _г1, принимают и преобразуют по частоте с использованием частоты _г2= ₁ второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂= _с, где ± _д - доплеровское смещение, отличающийся тем, что фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте _пр2± _д, сравнивают его по частоте с запросным высокочастотным колебанием на частоте _с выделяют напряжение доплеровской частоты ± _д и по его величине и знаку определяют величину и направление радиальной скорости локомотива, одновременно запросный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте _с пропускают через первый блок регулируемой задержки, перемножают его с фазоманипулированным сигналом второй промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым первую корреляционную функцию R₁( ), где - текущая временная задержка, изменением временной задержки поддерживают первую корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку _З1 между запросным и ретранслированным сигналами и по ее значению определяют дальность до локомотива, ретранслированный сигнал принимают на вторую приемную антенну, усиливают его по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты _г2 второго гетеродина, выделяют второй фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂= _c, одновременно первый фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂ пропускают через второй блок регулируемой задержки, перемножают его со вторым фазоманипулированным сигналом второй промежуточной частоты _пр1± _д= _г2- ₂, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым вторую корреляционную функцию R₁( ), изменением временной задержки поддерживают вторую корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку _З2 между ретранслированными сигналами, принимаемыми двумя антеннами, по ее значению определяют азимут локомотива, причем приемные антенны разносят на расстояние d, где d - измерительная база.

2. Устройство совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащее на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде блока регистрации и анализа, первого блока корреляционной обработки, а также последовательно включенных первой приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и первого усилителя второй промежуточной частоты, отличающееся тем, что приемник диспетчерского пункта снабжен второй приемной антенной, третьим усилителем мощности, третьим и четвертым смесителями, вторым усилителем второй промежуточной частоты, вторым блоком корреляционной обработки, индикатором дальности, индикатором азимута, удвоителем фазы, делителем фазы на два, двумя узкополосными фильтрами и измерителем частоты Доплера, причем к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, второй узкополосный фильтр, измеритель частоты Доплера и блок регистрации и анализа, к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены первый блок корреляционной обработки и индикатор дальности, выход которого соединен с вторым входом блока регистрации и анализа, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий усилитель мощности, четвертый смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй блок корреляционной обработки и индикатор азимута, выход которого соединен с третьим входом блока регистрации и анализа, каждый блок корреляционной обработки выполнен в виде последовательно включенных перемножителя, второй вход которого соединен с первым выходом блока регулируемой задержки, фильтра нижних частот, экстремального регулятора и блока регулируемой задержки, первый вход перемножителя первого блока корреляционной обработки соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй вход блока регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора, а выход подключен к индикатору дальности, первый вход перемножителя второго блока корреляционной обработки соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты, второй вход блока регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, а выход подключен к индикатору азимута, первая и вторая приемные антенны разнесены на расстояние d, где d - измерительная база.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые способ и устройство относятся к области железнодорожной автоматики, телемеханики, связи и могут быть использованы для определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте.

Известны способы и устройства радиосвязи и радионавигации, в том числе и спутниковые (авт. свид. СССР № 1.267.257; патенты РФ № № 2.049.693, 2.108.252, 2.278.047, 2.278.048; Петрович Н.Т. Космическая радиосвязь. М.: Сов. радио, 1977; Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977, и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ совмещенной радиосвязи и радионавигации и устройство, его реализующее, для железнодорожного транспорта» (патент РФ № 2.278.048, B61L 25/02, 2004), которые и выбраны в качестве прототипов.

Указанные технические решения основаны на использовании дуплексного метода радиосвязи. Основное достоинство дуплексного метода радиосвязи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров ретранслятора, устанавливаемого на борту локомотива, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов. Известные технические решения позволяют повысить помехоустойчивость и точность определения параметров движения поезда непосредственно на диспетчерском пункте.

Однако возможности данных способа и устройства используются не в полной мере. Они могут использоваться и для измерения дальности, радиальной скорости и угловых координат поезда, что обеспечивает определение местоположения поезда в реальном масштабе времени.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем измерения дальности, радиальной скорости и угловых координат поезда в реальном масштабе времени.

Поставленная задача решается тем, что способ совмещенной радиосвязи и радионавигации, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в том, что между диспетчерским пунктом и локомотивом по дуплексному радиоканалу связи передают сообщения, в паузах между сообщениями в диспетчерский передатчик подают запросный видеоимпульсный навигационный сигнал, в качестве которого используют псевдослучайную последовательность, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание диспетчерского передатчика на частоте _c, преобразуют его по частоте с использованием частоты _г1 первого гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал первой промежуточной частоты _пр1= _с+ _г1, усиливают его по мощности, излучают модулированный сигнал на частоте ₁= _пр1 в направлении локомотива, принимают и демодулируют его локомотивным приемником, полученный видеосигнал подают в локомотивный передатчик, модулируют этим сигналом высокочастотное колебание локомотивного передатчика, излучают в направлении диспетчерского пункта фазоманипулированный сигнал на частоте ₂= _г1, принимают и преобразуют по частоте с использованием частоты _г2= ₁ второго гетеродина, выделяют фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂= _с где ± _д - доплеровское смещение, отличается от ближайшего аналога тем, что фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты умножают и делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте _пр2± _д, сравнивают его по частоте с запросным высокочастотным колебанием на частоте _с, выделяют напряжение доплеровской частоты ± _д и по его величине и знаку определяют величину и направление радиальной скорости локомотива, одновременно запросный сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте _с пропускают через первый блок регулируемой задержки, перемножают его с фазоманипулированным сигналом второй промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым первую корреляционную функцию R₁( ), где - текущая временная задержка, изменением временной задержки поддерживают первую корреляционную функцию на максимальном уровне, фиксируют временную задержку _З между запросным и ретранслированными сигналами и по ее значению определяют дальность до локомотива, ретранслированный сигнал принимают на вторую приемную антенну, усиливают его по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты _г2 второго гетеродина, выделяют второй фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂= _с, одновременно первый фазоманипулированный сигнал второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂ пропускают через второй блок регулируемой задержки, перемножают его со вторым фазоманипулированным сигналом второй промежуточной частоты _пр2± _д= _г2- ₂, выделяют низкочастотное напряжение, формируя тем самым вторую корреляционную функцию R₂( ), изменением временной задержки поддерживают вторую корреляционную функцию R₂ ( ) на максимальном уровне, фиксируют временную задержку _З2 между ретранслированными сигналами, принимаемыми двумя антеннами, по ее значению определяют азимут локомотива, причем приемные антенны разносят на расстояние d, где d - измерительная база.

Поставленная задача решается тем, что устройство совмещенной радиосвязи и радионавигации, содержащее на диспетчерском пункте и локомотиве приемопередатчики, при этом на локомотиве выход приемника соединен с входом передатчика через переключатель, передатчик диспетчерского пункта выполнен в виде последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности и передающей антенны, приемник диспетчерского пункта выполнен в виде блока регистрации и анализа, первого блока корреляционной обработки, а также последовательно включенных первой приемной антенны, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и первого усилителя второй промежуточной частоты, отличается от ближайшего аналога тем, что приемник диспетчерского пункта снабжен второй приемной антенной, третьим усилителем мощности, третьим и четвертым смесителями, вторым усилителем второй промежуточной частоты, вторым блоком корреляционной обработки, индикатором дальности, индикатором азимута, удвоителем фазы, делителем фазы на два, двумя узкополосными фильтрами и измерителем частоты Доплера, причем к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены удвоитель фазы, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, второй узкополосный фильтр, измеритель частоты Доплера и блок регистрации и анализа, к выходу первого усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены первый блок корреляционной обработки и индикатор дальности, выход которого соединен с вторым входом блока регистрации и анализа, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены третий усилитель мощности, четвертый смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель второй промежуточной частоты, второй блок корреляционной обработки и индикатор азимута, выход которого соединен с третьим входом блока регистрации и анализа, каждый блок корреляционной обработки выполнен в виде последовательно включенных перемножителя, второй вход которого соединен с первым выходом блока регулируемой задержки, фильтра нижних частот, экстремального регулятора и блока регулируемой задержки, первый вход перемножителя первого блока корреляционной обработки соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй вход блока регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора, а выход подключен к индикатору дальности, первый вход перемножителя второго блока корреляционной обработки соединен с выходом второго усилителя второй промежуточной частоты, второй вход блока регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, а выход подключен к индикатору азимута, первая и вторая приемные антенны разнесены на расстояние d, где d - измерительная база.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1 и 2. Частотная диаграмма, поясняющая преобразование сигналов по частоте, показана на фиг.3.

Устройство содержит аппаратуру диспетчерского пункта 1 и локомотива 10. Аппаратура диспетчерского пункта 1 содержит последовательно включенные генератор 2 псевдослучайной последовательности (ПСП), фазовый манипулятор 4, второй вход которого соединен с первым выходом генератора 3 высокой частоты, первый смеситель 6, второй вход соединен с выходом первого гетеродина 5, усилитель 7 первой промежуточной частоты, первый усилитель 8 мощности и передающую антенну 9, последовательно включенные первую приемную антенну 16, второй усилитель 17 мощности, второй смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 18, первый усилитель 20 второй промежуточной частоты, удвоитель 21 фазы, делитель 22 фазы на два, первый узкополосный фильтр 23, третий смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом генератора 3 высокой частоты, второй узкополосный фильтр 25, измеритель 26 частоты Доплера и блок 27 регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу первого усилителя 20 второй промежуточной частоты перемножитель 29, второй вход которого через блок 32 регулируемой задержки соединен с выходом фазового манипулятора 4, фильтр 30 нижних частот, экстремальный регулятор 31, блок 32 регулируемой задержки и индикатор 33 дальности, выход которого соединен с вторым входом блока 27 регистрации и анализа, последовательно включенные вторую приемную антенну 34, третий усилитель 35 мощности, четвертый смеситель 36, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 18, второй усилитель 37 второй промежуточной частоты, перемножитель 39, второй вход которого через блок 42 регулируемой задержки соединен с выходом первого усилителя 20 второй промежуточной частоты, фильтр 40 нижних частот, экстремальный регулятор 41, блок 42 регулируемой задержки и индикатор 43 азимута, выход которого соединен с третьим входом блока 27 регистрации и анализа. Перемножитель 29 (39), фильтр 30 (40) нижних частот, экстремальный регулятор 31 (41) и блок 32 (42) регулируемой задержки образуют первый 28 (второй 38) блок корреляционной обработки.

Бортовая аппаратура локомотива 10 содержит последовательно включенные приемную антенну 11, приемник 12, переключатель 13, передатчик 14 и передающую антенну 15.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

На диспетчерском пункте 1 от генератора 2 псевдослучайной последовательности вводится модулирующий код M(t) в передатчик в отрезки времени, когда не передаются сообщения. Данный код поступает на первый вход фазового манипулятора 4, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода генератора 3

U_c(t)= _c×Cos( _ct+ _c), 0 t T_c,

где _с, _с, _с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 4 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

U₁ (t)= _c×Cos[ _ct+ _k(t)+ _с], 0 t T_c,

где _k(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем _k(t)=const при k× _э<t<(к+1)× э и может изменяться скачком при t=k× _э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, , N-1);

_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (T_c=N× _э);

который поступает на первый вход смесителя 6, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 5

U_г1(t)= _г1×Cos ( _г1t+ _г1).

На выходе смесителя 6 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 7 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

U _пр1(t)= _пр1×Cos[ _пр1t+ _k(t)+ _пр1], 0 t T_c,

где _пр1=1/2 _c× _г1;

_пр1= _c+ _г1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

_пр1= _с+ _г1.

Это напряжение представляет собой ФМн-сигнал на первой промежуточной частоте _пр1 и после усиления в усилителе 8 мощности излучается передающей антенной 9 в направлении локомотива 10, где его принимает приемник 12. В режиме навигационных измерений, например для диспетчерского контроля, переключатель 13 на борту локомотива замыкается, в результате чего модулирующий код M(t) поступает на локомотивный передатчик 14 и после модуляции колебания высокой частоты излучается передающей антенной 15 в направлении диспетчерского пункта 1 на частоте ₂= _г1.

Приемными антеннами 16 и 34 диспетчерского пункта 1 принимаются ФМн-сигналы:

U₂(t)= ₂×Cos[ ₂± _д)×(t- _З1)+ _k(t- _З1)+ ₂],

U₃(t)= ₃×Cos[( ₂± _д)×(t- _З2)+ _k(t- _З2)+ ₃],

где ± _д - доплеровское смещение частоты;

_З1=2R/с - время запаздывания ретранслированного сигнала относительно запросного;

R - расстояние между диспетчерским пунктом и локомотивом;

с - скорость распространения радиоволн;

_З1=t₂-t₁,

t₁, t₂ - время прохождения ретранслированного сигнала от локомотива до первой 16 и второй 34 приемных антенн, которые через усилители 17 и 35 мощности поступают на первые входы смесителей 19 и 36 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение гетеродина 18

U_г2 (t)= _г2×Cos( _г2t+ _г2).

На выходе смесителей 19 и 36 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 20 и 37 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:

U_пр2(t)= _пр2×Cos[( _пр2± _д)×(t- _З1)- _k(t- _З1)+ _пр2],

U_пр3(t)= _пр3×Cos[( _пр2± _д)×(t- _З2)- _k(t- _з2)+ _пр3],

где _пр2=1/2 ₂× _г2;

_пр3=1/2 ₃× _г2;

_пр2= _г2- ₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

_пр2= _г2- ₂;

_пр3= _г2- _3.

Напряжение U_пр2 (t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход удвоителя 21 фазы. В качестве последнего может использоваться перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение. На выходе удвоителя 21 фазы образуется гармоническое колебание

U₄(t)= ₄×Cos[2( _пр2± _д)×(t- _З1)+2 _пр2],

где ₄=1/2 _пр2 ²,

в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2 _k(t- _З1)={0, 2 }. Ширина спектра f_c сложного ФМн-сигнала определяется длительностью _э его элементарных посылок

f_с=1/ _э.

Тогда как ширина спектра f₂ его второй гармоники определяется длительностью сигнала T_c

f₂=1/T_c.

Следовательно, при удвоении фазы широкополосного ФМн-сигнала его спектр сворачивается в N раз

f_c/ f₂=N.

Гармоническое колебание U₄(t) поступает на вход делителя 22 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое колебание

U₅(t)= ₅×Cos [( _пр2± _д)×(t- _З1)+ _пр2],

которое выделяется узкополосным фильтром 23 и поступает на первый вход смесителя 24. На второй вход последнего подается гармоническое напряжение U_c (t) с выхода генератора 3 высокой частоты. На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Узкополосным фильтром 25 выделяется напряжение доплеровской частоты

U₆(t)= ₆×Cos(± _д+ ₆), 0 t Т_с,

где ₆=1/2 ₅× _c;

₆= _пр2- _с;

который поступает на вход измерителя 26 доплеровской частоты, который обеспечивает измерение доплеровской частоты ± _д. Причем величина и знак доплеровской частоты определяют величину и направление радиальной скорости локомотива. Значение доплеровской частоты фиксируется блоком 27 регистрации и анализа.

Одновременно напряжение U_пр2 (t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на первый вход перемножителя 29, на второй вход которого подается сложный ФМн-сигнал U₁(t) с выхода фазового манипулятора 4 через блок 32 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 29 напряжение пропускается через фильтр 30 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R₁ ( ). Экстремальный регулятор 31, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R₁( ) и подключенный к выходу фильтра 30 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 32 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку равной _З1( = _З1), что соответствует максимальному значению R₁( ). Индикатор 33 дальности, связанный со шкалой блока 32 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение расстояния R между диспетчерским пунктом 1 и локомотивом

R=с× _З1/2.

Следовательно, задача измерения расстояния (дальности) R сводится к измерению временной задержки _З1 ретранслированного сигнала относительно запросного.

Напряжение U_пр3(t) с выхода усилителя 37 второй промежуточной частоты поступает на первый вход перемножителя 39, на второй вход которого подается напряжение U_пр2 (t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты через блок 42 регулируемой задержки. Полученное на выходе перемножителя 39 напряжение пропускается через фильтр 40 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R₂ ( ). Экстремальный регулятор 41, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R₂( ) и подключенный к выходу фильтра 40 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 42 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку равной _З2( = _З2), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R₂( ). Шкала блока 42 регулируемой задержки (индикатор 43 азимута) проградуирована непосредственно в значения угловой координаты локомотива

=arcCosс× _З2/d,

где - азимут локомотива;

d - измерительная база.

Значение азимута локомотива фиксируется блоком 27 регистрации и анализа.

Следовательно, задача измерения азимута локомотива сводится к измерению относительной временной задержки _З2 между ретранслированными сигналами, принимаемыми антеннами 16 и 34.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают измерение дальности, радиальной скорости и азимута локомотива в реальном масштабе времени, т.е. местоположение локомотива и параметры его движения в реальном масштабе времени. Тем самым функциональные возможности способа и устройства расширены.