CC BY
44
М. М. Соколов, И. А. Колесников (Россия). - № 2008131276/22; Заявлено 29.07.2008; Опубл. 27.11.2008. Бюл. № 33.
5. Лаврентьев, М. А. Методы теории функций комплексного переменного / М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат. - М: Лань., 2002. - 688 с.
6. Пат. 88158 Российская Федерация, МПК О 01 Я 17/02. Устройство контроля качества электрической энергии / С. А. Лунев, Р. Ш. Аюпов, Д. В. Борисенко, С. А. Сушков, М. М. Соколов, С. В. Гришечко, К. А. Петров (Россия). - № 2009127021/22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.
7. Аввакумов, В. Г. Технико-экономическая оценка качества электроэнергии в промышленности / В. Г. Аввакумов, Г. Л. Багиев, Д. М. Воскобойников / Ленинградский гос. ун-т. -Л., 1977.- 132 с.
8. Хайкин, С. Нейронные сети: полный курс. 2-е изд.: Пер. с англ. / С. Хайкин. М.: Вильяме, 2006. - 1104 с.
9. Пат. 78579 Российская Федерация, МПК О 01 Я 17/02. Устройство автоматического переключения источников электропитания / С. А. Лунев, Д. В. Борисенко, М. М. Соколов (Россия). - № 2008131275; Заявлено 29.07.2008; Опубл. 27.11.2008. // Открытия. Изобретения. - 2008. - № 33.
УДК 656.25+621.396.9
А. А. Любченко
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ
В статье приведены возможные варианты структуры системы определения местоположения подвижной единицы (СОМП) на основе Глобальной навигационной спутниковой системы, полученные в результате анализа зарубежных проектов по исследованию возможности применения спутниковой навигации на железнодорожном транспорте, а также представлены требования, предъявляемые к СОМП со стороны железнодорожного сектора для различных областей применения.
Применение технологий Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) является одним из наиболее активно развивающихся направлений во всем мире, что обусловлено преимуществами глобальной спутниковой навигации и постоянно улучшающимся качеством навигационного сервиса.
Стратегия развития железнодорожного транспорта России до 2030 г. определяет использование средств спутниковой навигации как одно из наиболее перспективных направлений разработки систем интервального регулирования с технологией «подвижного» блок-участка, в том числе и для малодеятельных участков железной дороги, часто имеющих стратегическое значение. Стремление использовать подобный принцип регулирования может объясняться более низкой стоимостью внедрения и обслуживания системы, что является актуальным в последние десятилетия для таких участков дорог, когда много линий с низкой интенсивностью движения было закрыто ввиду высоких затрат на их содержание. В данном случае речь идет о системах, связанных с обеспечением безопасности движения, где определение местоположения подвижной единицы осуществляется с помощью только бортовых устройств.
Реализация такого подхода на практике и его интеграция в систему централизованной автоблокировки может способствовать
- сокращению затрат как на развертывание системы, так и на ее обслуживание, что обусловлено возможностью сокращения или даже, возможно, полной замены традиционных систем оборудования железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ);
- увеличению пропускной способности железнодорожных линий;
- снижению количества случаев вандализма и кражи объектов инфраструктуры;
- сокращению необходимого времени для определения «узких мест» и их устранения;
- менее затратной и более быстрой модернизации инфраструктуры;
- оптимизации потребления энергетических ресурсов.
Однако для железнодорожного сектора применение ГНСС актуально не только в составе систем обеспечения безопасности движения, но и в других областях. Возможные направления применения технологий ГНСС на железнодорожном транспорте представлены на рисунке 1.
Системы управления движением поездов
Направления применения ГНСС в ж.-д. секторе
Обеспечение безопасности движения
Системы контроля за движением поездов
обслуживание железнодорожного полотна
Системы ооеспечения безопасности путевых _рабочих_
Рисунок 1 - Основные направления применения технологий ГНСС
Мониторинг парка подвижного состава и управление им представляют собой комплекс технических и организационных мер по контролю за перемещением подвижного состава для организация учета расходов, предупреждения краж, обеспечения пользователей услугами железной дороги актуальной информацией о возможных задержках прибытия. Спутниковая навигация применяется также для исследования состояния железнодорожного полотна (например, геометрии рельсового пути) для гарантирования безопасного прохождения состава. В обеспечении безопасности движения выделяются системы управления и системы контроля за движением поездов. Разница заключается в том, что в первом случае функции по обеспечению безопасности полностью возложены на СОМП и дополнительные подсистемы, а во втором в контуре управления находится человек, который выполняет функции по обеспечению безопасного движения на основе данных, получаемых от СОМП.
На сегодняшний день существуют различные варианты организации СОМП на базе ГНСС, поэтому проведение анализа возможных решений является необходимым этапом для выбора конкретного подхода при реализации СОМП для направлений, представленных на рисунке 1. Прежде всего для данных направлений необходимо сформулировать требования, которые должны быть предъявлены к СОМП в отношении характеристик навигационного сервиса, определяющих его качество, а именно:
горизонтальной точности положения. Величина, определяющая несоответствие измеренного местоположения в заданный момент времени истинному на горизонтальной плоскости;
предела тревоги для ошибки по горизонтали (ПТГ). ПТГ - максимальная допустимая ошибка в вычисления местоположения;
времени до тревоги (ВДТ). ВДТ - время, в течение которого пользователь должен быть проинформирован, если превышен ПТГ;
риска целостности (РЦ). РЦ определяет вероятность того, что пользователь не будет проинформирован о превышении допустимой величины ошибки в течение ВДТ. РЦ опреде-
лен для наиболее критичных режимов функционирования и поэтому измеряется в единице, деленной на 150 с (1/150 с);
непрерывности (НП). НП характеризует способность навигационной системы гарантированно предоставлять сервис, когда это действительно необходимо, таким образом, определено для наиболее критичных стадий функционирования;
доступности (ДП). ДП - это процент времени от всего срока функционирования системы, когда сервис предоставлен в соответствии с требуемыми точностью, целостностью и непрерывностью в любой точке зоны покрытия.
Требования, предъявляемые к характеристикам навигационного сервиса для конкретной области применения, были определены в ходе работы форума «GNSS Rail Advisory Forum», посвященного данной проблематике. Однако эти требования имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что представленные выше характеристики навигационного сервиса были предложены Международной организацией гражданской авиации (ICAO) и изначально были направлены на сектор авиации, тогда как современные зарубежные системы ЖАТ характеризуются. RAMS-параметрами, определенными стандартами CENELEC (EN 50126, EN 50129 и др.). Как результат, не были определены значения для риска целостности, от которого, исходя из определения, зависит вероятность опасных отказов, которая в свою очередь должна соответствовать четвертому интегральному уровню безопасности (SIL4).
В соответствии с международным стандартом IEC 61508 интегральный уровень безопасности характеризует безопасность всей системы и характеризуется вероятностью опасного отказа в час (Poo), и для систем ЖАТ вероятность опасного отказа должна быть меньше 10-9 1/ч (SIL4). Так как речь идет о возможности использования спутниковой технологии в обеспечении безопасности движения, то отсутствие подтверждения о ПТГ в течение ВДТ можно расценивать как опасный отказ. Тогда значение РЦ, удовлетворяющее SIL4, может быть выражено следующим образом:
РЦ = ^о
150с 150 с
(1)
где Poo = 10
-9
1 1ч
Следовательно, требуемое значение:
1 150 с
РЦ = 10 тр
-9
10
-9
1
3600 с 150 с 24 150 с
= 4,2-10
-11
150 с
(2)
Таким образом, можно определить, что требуемый уровень РЦ для железнодорожной отрасли должен быть приблизительно меньше чем 10 _1° —. Следовательно, требования,
предъявляемые к характеристикам сервиса ГНСС, могут быть представлены данными таблицы 1.
В настоящее время помимо сервисов спутниковой навигации, предоставляемых американской системой GPS и отечественной Глонасс, существуют системы космического базирования, осуществляющие рассылку дифференциальных корректировок и дополнительной информации, которые позволяют повысить характеристики навигационного сервиса как для GPS, так и для Глонасс. В таблице 2 приведены данные по трем таким системам: Гвропей-ской EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), американской WAAS (Wide Area Augmentation System) и отечественной Системы дифференциальных корректировок и мониторинга (СДКМ) [3].
№ 3(3) 2010
Таблица 1 - Требования, предъявляемые железнодорожным сектором к навигационным характеристикам спутниковых систем навигации (доверительная вероятность - 95 %)
Применение спутниковых систем гт Целостность системы нп, % ДП, %
навигации птг РЦ, 1/150с ВДТ, с
Управление парком подвижного состава и мониторинг 50 м 125 м - < 10 - 99,90
Исследование и обслуживание железнодорожного полотна 1 мм 0,1 см - < 10 - 99,00
Обеспечение безопасности движения
Линии с высокой интенсивно-
стью (более 48 пар поездов в сутки для однопутных линий и более 100 - для двухпутных) 1 м 2,5 м < 10-10 < 1 > 99,98 > 99,98
Линии со средней интенсивно-
стью (более 24 пар поездов в сутки для однопутных линий и более 50 -для двухпутных) 10 м 20 м < 10-10 < 1 > 99,98 > 99,98
Линии с низкой интенсивностью 25 м 50 м < 10-10 < 1 > 99,98 > 99,98
(менее восьми пар поездов в сутки)
На основании данных таблицы 2 можно сделать вывод о том, что ни одна из существующих сегодня систем, дополняющих ГНСС, не позволяет достичь требуемого уровня РЦ. Более того, данные, представленные в таблице 2, характеризуют так называемый «сигнал в космосе», т. е. не учитывается реальное окружение подвижного объекта, а следовательно, влияние атмосферы, эффект многолучевого распространения и затенение, что может вносить существенные погрешности в измерения.
Таблица 2 - Сравнительная характеристика, навигационного сервиса системы EGNOS, WAAS и СДКМ (доверительная вероятность - 95 %)
Система дифференциальных корректировок и дополнений ГТ, м Целостность системы ДП, %
РЦ, 1/150с ВДТ, с
СДКМ 1,5 - - 99,7
EGNOS 1,5 2 • 10-7 6,0 99,9
WAAS 1,2 1 • 10-7 6,2 100,0
Из-за случайного характера численных значений характеристик навигационного сервиса могут быть предложены различные варианты структуры СОМП для применения в железнодорожной отрасли, чтобы посредствам избыточной информации от дополняющих подсистем гарантировать требуемый уровень точности, безопасности и доступности.
В ходе анализа результатов европейских проектов по внедрению технологий ГНСС на железнодорожном транспорте было выделено пять возможных вариантов структуры СОМП (рисунок 2).
Автономная система позиционирования фактически представляет собой приемник ГНСС-сигналов, следовательно, точность данного подхода определяется характеристиками конкретной ГНСС, для GPS - от 4 до 10 м, Глонасс - от 10 до 20 мс вероятностью 95 %. Под автономной системой понимается также комплекс оборудования, позволяющий одновременно принимать радионавигационные сигналы от различных ГНСС. В данном случае совместное использование сигналов GPS и Глонасс позволяет повысить доступность радионавигационных сигналов, так как возможность одновременного приема сигналов от двух систем увели-
чивает количество видимых (доступных) спутников. Однако в настоящее время система Гло-насс не представлена полной группировкой спутников, что может приводить к значительным ошибкам при определении координат подвижного объекта.
Рисунок 2 - Варианты структуры СОМП на основе ГНСС
Автономная система с электронной картой пути - это подход, описанный ранее, но комбинирующий данные от ГНСС с данными цифровой карты пути. Данный подход применяется в проекте LOCOPROL и реализует гиперболический позиционный алгоритм 1-D, позволяющий достичь Poo от 10-9 1/ч до 10-11 1/ч. Однако точность в данном случае представлена в виде доверительного интервала, который гарантированно содержит объект (локомотив), и величина этого доверительного интервала - меньше 550 м с вероятностью 95 %.
Автономная система с дифференциальными поправками реализуется через ГНСС-приемник и антенну для приема корректирующих сообщений и другой информации или эти два приемника могут быть совмещены в одном устройстве. Примером может быть система дифференциальных поправок HA-NDGPS (High Accuracy Nationwide Differential GPS), развертываемая на территории США и предназначенная для повышения точности от 10 до 30 см с вероятностью 95 % в интеллектуальной системе управления железнодорожным движением Positive Train Control.
Интегрирующая система позиционирования производит обработку данных спутниковой навигации и дополнительных измерительных преобразователей (датчиков) с применением алгоритма фильтрации (например, фильтр Калмана). При этом могут использоваться три типа дополнительных датчиков: инерциальные датчики (гироскоп, акселерометр и т. д.) [1], датчики приближения (токовихревой датчик) и тахометры (одометр). Инерциальные датчики и тахометры предоставляют относительную координату, более того - они способны накапливать ошибку. Токовихревые датчики так же, как и технология ГНСС, определяют абсолютную координату. Точность интегрирующей системы позиционирования при сочетании данных от систем GPS и Глонасс и инерциальных датчиков может достигнуть 3 мс вероятностью 95 % (проект APOLO).
Характеристики интегрирующей системы позиционирования могут быть улучшены с помощью дифференциальной коррекции. Комбинация данных GPS, Глонасс, поправок Гвро-пейской дифференциальной системы EGNOS и информации от инерциальных датчиков позволяет достичь точности 1 мс вероятностью 95 % (проект APOLO).
Отдельные варианты из приведенных конфигураций СОМП могут быть использованы по направлениям, представленным на рисунке 1, при удовлетворении требований, предъявляемых данной областью применения к характеристикам СОМП (см. таблицу 1). Гели требова-
ния выполняются, то, например, СОМП может быть использована в составе информационной управляющей системы подвижным объектом, принципы построения которой рассмотрены в работе [2].
В ходе анализа результатов проектов по исследованию возможности применения ГНСС на железнодорожном транспорте были сделаны следующие выводы:
1) автономная система позиционирования не позволяет обеспечить выполнение требований к характеристикам ГНСС из-за эффекта многолучевой интерференции и затенения, ошибки от которых могут быть исключены с помощью интегрирующей системы позиционирования с дифференциальными поправками;
2) все варианты структуры кроме автономной системы позиционирования могут быть использованы на малодеятельных участках (проекты APOLO, DemoOrt, INTEGRAL, LOCOPROL);
3) высокоточная электронная карта обязательна для приложений, связанных с безопасностью, так как она позволяет свести задачу к варианту с одним измерением и перевести географические ГНСС координаты в топологические (координаты вдоль рельсового пути). Более того, дешевле построить электронную карту пути, чем разворачивать собственную систему дифференциальных поправок наземного базирования;
4) существующие подходы на основе ГНСС (п. 2) способны удовлетворить требованиям малодеятельных участков, тогда как этого нельзя сказать относительно железнодорожных линии европейской системы ETCS (European Train Control System) ввиду следующих факторов:
различное происхождение требований к ГНСС и системам сигнализации и безопасности;
в железнодорожном секторе отсутствует такая характеристика, как непрерывность, так как сложно определить периоды наиболее опасного функционирования, а следовательно, и продолжительность этих периодов. Необходимо определить, как правильно применять эту характеристику в железнодорожной безопасности;
высокие требования доступности. Например, доступность ETCS подсистемы счета числа оборотов колеса (одометра) должна быть больше чем 99,999 %. Гели система позиционирования гарантирует доступность не выше 99 %, то это будет соответствовать возможным 87 ч недоступности системы. Следовательно, большое число дополнительных измерителей необходимо использовать, чтобы достичь требуемой доступности;
5) интеграция технологии ГНСС, токовихревых датчиков и электронной карты пути (проект DemoOrt) является наиболее подходящей для обеспечения непрерывности позиционирования;
6) использование технологий ГНСС может повысить эффективность работы систем автоматической переездной сигнализации.
Список литературы
1. Инерциальные навигационные системы [Текст] / А. П. Клепач, А. В. Проскуряков и др. // Автоматика, связь, информатика. - 2009. - № 9. - С. 10 - 12.
2. Марюхненко, В. С. Системный анализ навигационного обеспечения подвижных транспортных объектов: Монография [Текст] / В. С. Марюхненко; Под ред. д-ра техн. наук, профессора Ю. Ф. Мухопада / Иркутский гос. техн. ун-т. Иркутск, 2008. - 80 с.
