Повышение точности работы навигационных систем для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта

Повышение точности работы навигационных систем для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта

По оценкам экспертов применение современных технологий спутниковой навигации позволит увеличить пропускную способность транспорта не менее чем на 25%, эффективность общественного транспорта - на 50%, грузооборот - на 5-10%. а также снизить количество происшествий до 60% на отдельных участках и уменьшить время реагирования служб в экстренных случаях [1]. Интеграция и усовершенствование систем точно определения координат — ключ к безопасному, эффективному и оптимизированному будущему высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Основы построения спутниковой навигации. Инфраструктура навигационного позиционирования логически разделена на сегменты:

1. Космический — сеть спутников на круговых орбитах (при эллиптической выше шанс ошибки расчетов). Спутник только передает навигационный сигнал, пользовательская аппаратура — принимает и обрабатывает данные. Так система обеспечивает глобальный охват Земли при малом количестве спутников, например, ГЛОНАСС предусматривает всего 24.
2. Наземный — комплекс наземных контрольно-измерительных станций (КИС), которые производят коррекцию траектории и бортового времени спутников.
3. Пользовательская аппаратура с функциями приема и обработки сигналов (навигационных сообщений).

Для определения местоположения объекта в поле его видимости должно располагаться, как минимум, 4 спутника: формируется система из 4 уравнений для определения положения по трем пространственным осям и определения псевдодальности, возникающей вследствие влияния неконтролируемых факторов. С ростом числа задействованных спутников растет точность позиционирования. Для корректировки параметров спутников в областях без доступа к КИС используется прогнозируемая (эфемеридная) информация, что вносит некоторую погрешность.

Цели и требования. Цели применения систем определения координат на железнодорожном транспорте в соответствии с постановлением 2015 года [2]: отслеживание работ по проектированию, строительству и ремонту; мониторинг состояния объектов инфраструктуры; контроль постановки объектов в положенные позиции; построение цифровой модели пути и обеспечение безопасности движения. Железнодорожный транспорт определяется как один из наиболее требовательных [3] к точности и временной доступности позиционирования в соответствии с рисунком1.[pic 1]

Рисунок 1 — требования доступности и точности для разных видов транспорта

Европейские спецификации [4] расширяют область применения: автоматическая компенсация отклонения скорости движения от заданной, контроль расхода топлива и соблюдения графика, точное место остановки состава на станции; предотвращение столкновения поездов, схода с рельс, заезда на ремонтируемую территорию, некорректной работы стрелочного перевода.

Как показывают результаты экспериментов [5], наблюдаются значительные отклонения данных даже при многократном измерении расстояния между двумя недалекими неподвижными объектами на открытом пространстве. В реальных условиях измерения осложняются подвижностью участников (спутников, пользователей), вносящими шум препятствиями (строения, деревья), неоднородностью состава магнитного поля, ландшафта и ионосферы, где распространяется навигационный сигнал. Например, вследствие только релятивистских эффектов [6] бортовые часы спутника могут насчитывать лишних 23нс в день, то есть возникают ошибочные 18,4м при определении координат.

Двуантенные системы и ИНС. При применении систем глобального позиционирования точность определения координат не превышает 5-15м [7]. Для соответствия требованиям прибегают к дополнительным средствам корректировки.

Развитие науки и техники позволяет создавать с необходимой точностью инерциальные навигационные системы (ИНС), единственно имеющие преимущества в виде постоянной временной доступности, помехозащищенности и возможности определения местоположения при движении объектов по туннелям.

В основе работы ИНС лежит использование акселерометра: измеряя силу поступающего давления, можно найти ускорение объекта, скорость в исходный и последующие моменты времени (при известных начальных координатах), а значит и местоположение. Эксперименты [3] по определению величины ошибки позиционирования железнодорожных составов при разной скорости движения показывают, что применение двуантенной ИНС системы (VN-300) позволяет значительно повысить точность в сравнении с одноантенной ИНС (VN-200). Снижение погрешности на более высоких скоростях обуславливается при этом более точной работой акселерометра.