Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование электронной карты для КЛУБ-У

спутниковый навигационный железнодорожный транспорт

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 20-30 м. 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 5 м) 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.

Устройство формирования электронных карт

Для создания электронной карты служит сервисное устройство формирования карты (УФК).

УФК включает следующие компоненты:

- переносной персональный компьютер, с установленным на нем программным комплексом «Конструктор». Компьютер предназначен для создания, длительного хранения и редактирования макетов ЭК, привязки этих макетов к реальным объектам на местности и перезаписи отконвертированных электронных карт в память аппаратуры КЛУБ-У и КЛУБ-УП;

- блок приемника СНС, в корпусе которого находится вторичный источник электропитания, а также приемник СНС. Источник электропитания служит для питания переносного компьютера и приемника СНС и подключается на транспортном средстве к его бортовой сети с номинальными напряжениями в диапазоне от +18 до +55В. СНС передает результаты расчетов в виде сообщений через последовательный порт компьютера;

- антенна СНС, принимающая сигналы от спутников и передающая их в блок приемника СНС.

В состав УФК, кроме технических средств, входит пакет программного обеспечения «Конструктор», который состоит из следующих программ:

- программы «Constructor», предназначенной для создания макетов электронных карт, их хранения в компьютере пользователя и дальнейшей конвертации в формат, используемый в системах КЛУБ-У и КЛУБ-УП;

- программы «Corrector», осуществляющей групповое изменение (корректировку) свойств объектов в макете электронной карты;

- программы «Navigator», которая служит для заполнения макетов электронных карт географическими координатами характерных объектов (километровых столбов) непосредственно во время движения поезда по маршруту;

- программы «MapsAdd» («Соединитель карт»), предназначенной для «склеивания» карт различных участков между собой;

- программы «BvdShell» («Загрузчик карт»), которая служит для перенесения (загрузки) отконвертированных данных электронной карты из памяти персонального компьютера в память одной из ячеек аппаратуры КЛУБ-У или КЛУБ-УП;

- программы «Split» («Разъединитель карт»), которая вырезает из электронной карты участок, указанной протяженности, и создает из него новую карту;

- программы «MapCleaner» («Стиратель карт»), которая стирает из электронной карты ошибочно внесенные или испорченные данные.

Пакет «Конструктор» инсталлируется на компьютер пользователя с компакт-диска, поставляемого вместе с УФК. Для установки программ пользователь запускает программу Setup.exe и далее в процессе установки отвечает на вопросы, задаваемые программой установки. Готовые к использованию программы пакета «Конструктор» находятся в папках, ссылки на которые были указаны пользователем во время установки. Для их запуска на выполнение пользователь последовательно выбирает опции главного меню Windows: «Start», «Programs» и «Пакет Конструктор» и затем указывает имя вызываемой программы.

Этапы создания электронных карт

Разработка каждой электронной карты (ЭК) состоит из трех последовательных этапов:

1. Создание макета электронной карты.

2. Привязка макета ЭК к местности, то есть снятие географических координат километровых столбов.

3. Запись ЭК в память КЛУБ-У, КЛУБ-УП.

Создание макета электронной карты (ЭК)

Создание макета ЭК (файл с расширением «*.map») удобно осуществлять на стационарном персональном компьютере после предварительной установки на нем пакета ПО «Конструктор».

Перед началом работ оператор должен получить данные по ж.д. объектам, находящимся в пределах создаваемой электронной карты (либо в табличном виде, либо путевые планы станций и перегонов).

Затем необходимо представить весь объем работы: определить количество заносимых элементарных участков и их протяженность. Элементарным считается участок пути, у которого на всем его протяжении нет ни одного бокового ответвления или пересечения с другими участками. Любое станционное развитие считается как многопутное продолжение того же самого участка, а не как несколько новых участков. Целесообразность внесения в ЭК каждого из боковых путей на станции определяется наличием на этом пути хотя бы одного из железнодорожных объектов: «платформа», «светофор», «тупик», «мост», «тоннель» и т.п.

Вводить участки можно в любой последовательности, не обязательно в той, в которой они следуют друг за другом на местности. Границами участков служат признаки «начало / конец участка», относящиеся к соответствующим километровым столбам («1» - начало, «2» - конец, «0» - промежуточные километровые столбы).

Для ввода элементарного участка запускается для исполнения программа «Constructor» (рис. 4.1).

В верхнем выпадающем подменю «Карта» производится однократное нажатие левой кнопкой «мыши» по строке «Новая карта». В открывающемся затем окне с заголовком «Новая карта…» вводятся свойства карты: «номер карты» и «номер оператора» (рис. 4.2).

Далее следует закрыть диалоговое окно нажатием кнопки ОК. При этом создается новая ЭК, содержащая пустое рабочее поле (рис. 4.3), на котором вертикальными светло-серыми линиями обозначены направления, на которых можно в ходе дальнейшей работы размещать участки пути.

Программа «Constructor» позволяет сформировать до 30 путей на участке. Правильные направления путей вводятся под номерами 1…15, неправильные - 16-30. Пути, по которым возможно двухстороннее движение, считаются различными путями и вводятся каждый отдельно.

Создание участков пути осуществляется на рабочем поле снизу вверх, от наименьшей координате к большей, независимо от направления движения. Поэтому, необходимо установить курсор вниз рабочего поля (рис. 4.3) на соответствующий путь, что отражается в строке состояния.

Внесение участка начинается с расстановки километровых столбов. Для этого левой клавишей «мыши» выбирается кнопка «Участок» на панели ж.д. объектов. Затем указывается место на рабочем столе, где необходимо разместить участок. Далее в открывшемся окне «свойства объекта» указываются: линейная координата, признак начала участка и направление изменения координаты. Затем нажимается кнопка ОК. После этого введенный километровый участок прорисуется на карте. Затем курсор устанавливается в продолжение созданного участка, выберается объект «Участок», нажимается «Enter», изменяется признак участка на промежуточный - «0» и нажимается «Enter» нужное количество раз с тем, чтобы ввести требуемое количество километровых участков по всему протяжению предполагаемого маршрута движения. В параметрах последнего километрового столба устанавливается признак конца участка - «2». При формировании участка необходимо учесть, что объекты последнего километра участка не читаются.

Направление движения на данном участке определяется параметром «изменение координаты». Поля «Географическая широта» и «Географическая долгота» на первом этапе создания карты имеют нулевые значения.

Далее в карту вносятся различные ж.д объекты («светофоры», «стрелки» и т.п.). Для этого мышью выбирается одна из кнопок верхнего меню с изображением требуемого объекта, затем нажимается левая кнопка мыши по той половине километрового участка, на котором требуется разместить объект. Объект автоматически устанавливается на соответствующем пикете выбранного километра, при этом его значок отображается справа от пути.

Для просмотра и редактирования свойств уже внесенных объектов следует подвести указатель мыши и щелкнуть левой кнопкой по участку пути, к которому относится объект. Справа от рабочего поля карты появится панель свойств выбранного объекта (рис. 4.4).

Если возникла необходимость в удалении объекта с рабочего поля карты, следует подвести указатель мыши и щелкнуть уже не левой, а правой кнопкой мыши по соответствующему участку пути, рядом с которым изображен объект. Затем в появившемся диалоговом окне «Список…» нужно указать тип удаляемого объекта и подтвердить удаление нажатием кнопки «Удалить» (рис. 4.5).

При выборе объекта «Путь» надо иметь в виду, что удаление километрового участка влечет за собой удаление всех расположенных на нем объектов.

Чтобы сохранить созданную карту под именем, задаваемым пользователем программы, следует выбрать команду «Карта / Сохранить карту как…».

Для склеивания отдельно составленных электронных карт имеется программа «MapsAdd». После вызова этой программы на экране открывается таблица (рис. 4.6). С помощью клавиш «Browse» в первой и второй строках указываются имена склеиваемых карт, а в третьей - имя новой получаемой карты. Исполнение операции осуществляется нажатием кнопки RUN.

Привязка макета электронной карты к географическим координатам участка

На этом этапе организуются поездки по участкам, для которых предполагается сформировать электронную карту. Поездки могут проходить на любом ССПС или локомотиве, оборудованном или необорудованном аппаратурой КЛУБ-У. Обязательное требование к подвижной единице состоит только в одном: должна быть предусмотрена возможность подключения к розетке бортовой сети ССПС (+24В) или локомотива (+48В).

Оператор берет с собой в поездку УФК. Перед началом поездки в кабине локомотива или ССПС он осуществляет следующие подготовительные действия:

- подключает аппаратуру в соответствии со схемой включения УФК. Все подключения проводятся при отключенных блоках преобразователя и приемника (тумблеры питания соответствующих блоков должны находиться в положении «ОТКЛ»);

- магнитное основание антенны СНС прикрепляют к любой горизонтальной поверхности на крыше ССПС или локомотива;

- на блоке преобразователя напряжений приемника СНС осуществляют переключение тумблеров питания в положение «ВКЛ.»;

- включается персональный компьютер и из программы «Конструктор» запускается на исполнение программа «Навигатор» (файл Navigator.exe) (рис. 4.7);

- в работающей программе «Навигатор» из ее главного меню с помощью мыши выбирается пункт «Карта / Загрузить карту». Затем в стандартном диалоговом окне Windows указывается полный путь к требуемому файлу электронной карты участка пути, по маршруту которого предполагается движение, созданному на первом этапе при работе с программой «Конструктор»;

- до начала движения по маршруту производится проверка достаточности набранных приемником СНС решений и правильности монтажа аппаратуры УФК. Для этого в уже работающей программе «Навигатор» оператор нажимает мышью кнопку «Прием координат», на которой изображена спутниковая антенна. Программа реагирует на нажатие кнопки появлением информационного окна «Идет прием координат». Через 1-2 с. это окно исчезает с экрана компьютера. В случае «зависания» окна на время более 3 с. необходимо нажать кнопку «Отмена» в самом окне, проверить правильность коммутации блоков и повторить все действия данного пункта. Если после исчезновения информационного окна в главном окне программы появится надпись «Недостоверное решение», что свидетельствует о недостаточном количестве принятых приемником СНС решений, необходимо нажатием на кнопку с изображением направленной вниз стрелки вернуться к начальной точке карты маршрута и через 1-2 мин. заново произвести все действия этого пункта. Случай, когда после исчезновения информационного окна в главном окне появится надпись «Правильное решение», соответствует правильной работе устройств УФК и достаточности количества принятых приемником решений. Только после этого можно начинать движение ССПС или локомотива.

В процессе поездки оператор, при работе с персональным компьютером, фиксирует географические координаты железнодорожных объектов, которые он проезжает, находясь в кабине. Для программы «Навигатор» нет необходимости снимать географиические координаты всех интересующих объектов (светофоров, переездов, мостов), а достаточно зафиксировать координаты наиболее распространенных, так называемых - «характерных объектов». Такими «характерными объектами» в программе «Навигатор» являются километровые столбы. Географические координаты всех остальных объектов рассчитываются программно.

Красной пунктирной рамкой на экране компьютера отмечается тот километровый столб, для которого должна быть определена географическая координата. Левой клавишей мыши следует нажать на кнопку с изображением антенны на экране (рис. 4.7). Красная рамка автоматически передвигается к следующему километровому столбу. Возникает надпись зеленого цвета - «Решение достоверно». В противном случае координаты не записываются.

После завершения поездки по маршруту оператор выбирает в программе «Навигатор» пункт главного меню «Карта / Сохранить как…» и в стандартном диалоговом окне указывает имя сохраняемого файла карты. Файл соответствует тому же шаблону «*.map», что и исходный файл, загруженный в программу перед поездкой.

В заключение оператор отключает УФК и производит декоммутацию всех его блоков в той же последовательности, которая была при включении и коммутации.

По завершению всех поездок оператору следует, уже в стационарных условиях, проверить целостность снятой с реальной местности карты. Для этого оператор за своим рабочим столом снова загружает программу «Конструктор», открывает в ней файл, который является результатом всех поездок, и просматривает итоговые отчетные таблицы. Электронная карта считается окончательно снятой, когда каждому километровому столбу в итоговой таблице поставлено в соответствие значение его географических координат.

Окончательным результатом второго этапа в создании электронной карты должно стать формирование компьютерного файла, содержащего макет электронной карты, в котором всем километровым столбам приписаны их географические координаты. После этого требуется конвертировать файл электронной карты из формата «*.map» в формат «*.gps». Эта процедура осуществляется в программе «Конструктор» выбором из главного меню команды «Карта / Конвертировать в ЭК».

Запись электронной карты в бортовую аппаратуру безопасности

На третьем этапе происходит перезапись электронной карты из памяти персонального компьютера в память аппаратуры КЛУБ-У, КЛУБ-УП. Для этого оператор соединяет кабелем переносной компьютер из состава УФК, в памяти которого находится подготовленная на двух предыдущих этапах карта, с аппаратурой КЛУБ-У (КЛУБ-УП). Соединение устройств производится непосредственно в кабине транспортного средства без демонтажа аппаратуры КЛУБ-У (КЛУБ-УП).

Поскольку используемый персональный компьютер оснащен интерфейсом типа RS-232, а аппаратура КЛУБ-У - CAN-интерфейсом, то их стыковка возможна только с помощью специального развязывающего устройства, функции которого выполняет БВД-У(Т).

Оператор, закончив подключение, вводит с пульта БВД-У(Т) ряд команд, позволяющих стереть старое содержимое электронной карты внутри аппаратуры КЛУБ-У. Затем оператор запускает в компьютере программу «MapLoad», выбирает в ней по имени тот файл электронной карты, который он желает записать в память аппаратуры КЛУБ-У и дает команду начала записи. Если запись прошла успешно, соответствующее сообщение выводится на экран компьютера.

Электронная карта сохраняется в памяти аппаратуры КЛУБ-У постоянно и не требует перезаписи после выключения питания. В любой момент времени электронная карта может быть считана из КЛУБ-У для проверки ее целостности. Если возникла необходимость внести изменения в электронную карту, то оператор вносит необходимые исправления в компьютерный файл прямо в программе «Конструктор», а затем осуществляет его конвертацию в формат «*.gps» и запись в КЛУБ-У по описанной выше методике.

Предельная протяженность участка дороги, которую можно занести в память КЛУБ-У, составляет 7000 км. Если локомотив или ССПС в процессе работы вышел за пределы ЭК, записанной в память КЛУБ-У, то КЛУБ-У продолжает осуществлять контроль за движением транспортного средства в режиме движения без электронной карты.

Время, отводимое на выполнение первого этапа (создание макета электронной карты), в общем случае зависит от протяженности вносимого в ЭК участка дорог. Из опыта работы известно, что внесение в электронную карту двухпутного участка протяженностью 100 км со всеми его объектами может занять у одного оператора два полных рабочих дня.

Продолжительность второго этапа (привязка ЭК к местности) равна суммарному времени проезда оператором всех внесенных в ЭК участков дорог. Время, затраченное на третьем этапе (программирование аппаратуры КЛУБ-У), целиком определяется количеством программируемых комплектов КЛУБ-У.

Если количество таких комплектов велико, то целесообразно использовать следующий режим работы. Первоначально ЭК записывается из компьютера только в БВД-У(Т). Для этого в программе BvdShell выбирается режим «Запись ЭК в БВД» и последовательно нажимаются кнопки «Загрузить файл», «Включить в связь», «Записать». После этого на борту можно работать только с блоком БВД-У(Т). Достаточно лишь установить на нем режим «Запись ЭК». При этом сначала будет идти стирание старой электронной карты, хранящейся в памяти КЛУБ-У, а затем начнется запись новой ЭК. Запись идет 3-4 мин. Этот режим работы дает выигрыш во времени.

Размещено на Allbest.ru