Содержание к диссертации
Введение
1 Задачи и методы исследования распространения укв в горной местности для сетей поездной радиосвязи
1.1 Обзор общих принципов организации поездной радиосвязи и параметров оценки ее качества 6
1.2 Обзор инженерных методик расчета напряженности электромагнитного поля при распространении УКВ в горах и над пересеченной местностью 10
1.3 Оценка технической возможности применения типовых устройств ретрансляции сигналов для сетей поездной радиосвязи на частотах 160 и 460 МГц 28
1.4 Обзор методов разнесенного приема для преодоления замираний в системах подвижной связи 3S
1.5 Особенности применения электронных карт для решения задач моделирования радиотрасс 46
1.6 Обзор типовых способов технической реализации немеханического сканирования луча 53
1.7 Выводы. Цель и задачи исследования 63
2. Исследование малоэлементной кольцевой фазированной антенной решетки
2.1 Расчет диаграмм направленности малоэлементных кольцевых фазированных антенных решеток 65
2.2 Оценка взаимного влияния аксиальных вибраторов в малоэлементных кольцевых фазированных антенных решетках 86
2.3 Оценка параметров сканирующей системы на основе спектрального анализа 92
2.4 Выводы Ill
3. Моделирование радиотрасс на основе цифровых моделей рельефа для участков железных дорогв условиях низкогорной местности
3.1 Исследование возможности применения геоинформационных технологий для моделирования радиотрасс на основе цифровых моделей рельефа 113
3.2 Исследование распространения УКВ в низкогорной местности для сетей поездной радиосвязи на
основе цифровых моделей рельефа 123
3.3 Выводы 140
4. Экспериментальное исследование малоэлементной кольцевой фазированной антенной решетки в сетях поездной радиосвязи
4.1 Конструкция кольцевой фазированной антенной решетки и схема экспериментальной установки 141
4.2 Методика проведения эксперимента и результаты измерений на исследуемом участке железной дороги 144
4.3 Выводы 152
Заключение 153
Список литературы.
- Обзор общих принципов организации поездной радиосвязи и параметров оценки ее качества
- Особенности применения электронных карт для решения задач моделирования радиотрасс
- Исследование возможности применения геоинформационных технологий для моделирования радиотрасс на основе цифровых моделей рельефа
- Конструкция кольцевой фазированной антенной решетки и схема экспериментальной установки
Введение к работе
Оперативное и бесперебойное управление, перевозками на сети железнодорожного транспорта Российской федерации обеспечивается в значительной степени устойчивой работой сетей поездной радиосвязи (ПРС). Реформирование отрасли в связи с созданием РАО «Российские железные дороги» затрагивает хозяйство информатизации и связи не только в части внедрения новых систем и устройств, но и совершенствования имеющихся, что способствует снижению эксплуатационных расходов и повышению безопасности движения. Удлинение значительного количества перегонов в связи с закрытием промежуточных станций обуславливает необходимость выполнения дополнительных работ по реконструкции сетей ПРС, построенных по схеме линейной радиопроводной сухопутной подвижной связи. Данная задача наиболее актуальна для малодеятельных участков железной дороги, где в ряде случаев [1 ] длина перегонов достигает 70 км в связи с сокращением ряда малодеятельных станций. При этом из-за отсутствия перспектив внедрения дорогостоящих современных средств связи на таких участках дороги ставится задача модернизации имеющихся средств связи для работы по медным аналоговым линиям на удлиненных перегонах, а существующие в настоящее время на мало деятельных участках оборудование связи характеризуется для большинства случаев как морально и физически устаревшее.
Следует также отметить, что на ряде дорог до настоящего времени остается актуальной [2] задача сокращения зон неуверенного приема, в т.ч. на Октябрьской, Северо-Кавказской, Свердловской, Красноярской, Восточно-Сибирской дорогах..
Особенности местности со сложным рельефом и низкой плотностью населения затрудняют техническое обслуживание стационарных устройств вне станций в связи с отсутствием подъездных автомобильных дорог. Возможность несанкционировэнного доступа к этим устройствам со стороны посторонних лиц исключает целесообразность размещения дорогостоящего оборудования. Отсутствие контактной сети и линий электропередачи затрудняет установку энергоемких устройств и обеспечение необходимого температурного режима для устройств радиосвязи в необслуживаемых стационарных пунктах, что наиболее актуально для сетей ПРС в районах Крайнего Севера. Кроме того, для условий горной местности значительный интерес представляет решение задачи оптимизации сетей поездной радиосвязи с учетом большого количества кривых участков железнодорожного пути, когда каждая точка этих кривых является потенциально корреспондирующей, а ее положение (с учетом исполнения графика движения поездов) является фактически функцией времени. Последнее обстоятельство затрудняет внедрение на таких участках стационарных устройств пассивной ретрансляции, требующих достаточно точной настройки их конструктивных параметров по отношению к корреспондирующим точкам.
Объектом исследования в работе являются аналоговые сети подвижной радиосвязи на неэлектрифицированных участках железных дорог в условиях низкогорного рельефа местности. Исходя из этого, целью настоящей диссертационной работы, состоящей из четырех глав, является повышение качества поездной радиосвязи, которое в работе определяется выигрышем по ряду параметров: сокращение протяженности зон электромагнитной недоступности, увеличение вероятности уверенного приема при заданном отношении сигнал/шум, уменьшение значения дисперсии огибающей сигнала и др. Для достижения дайной цели усовершенствована методология проектирования сетей ПРС с применением цифровых моделей рельефа и исследована эффективность применения локомотивных кольцевых фазированных антенных решеток (ФАР) с адаптивной угловой селекцией.
Все экспериментальные исследования в работе проводились на неэлектрифицированных участках Мурманского отделения Октябрьской железной дороги с отметками низкогорных высот до 1000 метров. Решению этих задач и посвящена данная работа.
Обзор общих принципов организации поездной радиосвязи и параметров оценки ее качества
В «Правилах технической эксплуатации:: железных дорог Российской Федерации» [3 ] - определено в качестве основной: задачи решаемой поездной-: радиосвязью- обеспечение надежной двусторонней связью машинистов: поездных локомотивов (электровозы тепловозы газотурбовозы паровозы)-моторвагонных поездов (электропоезда дизель-поезда и автомотрисы), специального самоходного подвижного состава (мотовозы дрезины ) со следующими специалистами : поездным диспетчером в пределах; всего диспетчерского участка , дежурными по станциям, ограничивающим перегон, машинистами встречных и вслед идущих, локомотивов, моторвагонныХ: поездов; и. специального самоходного подвижного- состава находящихся на одном перегоне, дежурными по:переездам:И депо, руководителями ремонтных работ и специалистами; а также: со- стрелками В ОХР, помощником машиниста при выходе его из: кабины, начальником пассажирского поезда и осмотрщиками-ремонтниками; вагонов При этом- связь с поездным диспетчером устанавливается по: комбинированному радиопроводному: каналу, а. с остальными из перечисленных абонентов — по радиоканалам;
Схемы поездной; радиосвязи:.- ( ИРС ) строятся по линейному принципу сухопутной подвижной радиосвязи. В - системах ЇГРС для- группового; избирательного вызова используются тональные; сигналы:.различной; частоты. Ири посылке соответствующего тонального сигнала; машинисту локомотива все локомотивные;: радиостанции- принявшие его; переводятся в/: режим приема; Вызываемый: машинист снимает микротелефонную трубку и вступает в: переговоры; Остальные радиостанции: через установленное: время: автоматически переводятся в режим дежурного приема, который является исходным режимом.
При увеличении протяженности перегонов (т.е. части железнодорожной линии, ограниченной смежными станциями, разъездами или путевыми постами) свыше 15 км вследствие закрытия станций или отмены дежурств дежурными по станциям, впредь до введения новых систем поездной радиосвязи, разрешается обеспечивать радиосвязь машинистов поездных локомотивов, моторвагонних поездов и специального самоходного подвижного состава при следовании по перегону с дежурным по ближайшей станции при условии устойчивой радиосвязи с поездным диспетчером.
Использование нетиповых технических решений в устройствах связи на железнодорожном транспорте не допускается. Проектируемые конструкции (антенны и пр.) должны иметь необходимые размеры исходя из установленных габаритов подвижного состава и искусственных сооружений.
Типовые методики инженерного расчета сетей поездной радиосвязи для фиксированных частот ПРС в диапазонах 2МГц, 160 МГц и 330 МГц изложены в «Правилах организации и расчета сетей поездной радиосвязи» [4].
В обновленной редакции ( ХЗ-7970 ) Правил организации и расчета сетей поездной радиосвязи открытого акционерного общества «Российские железные дороги» предусматривается, что при отсутствии направляющих линий, а также на малодеятельных участках железных дорог линейные сети поездной радиосвязи должны организовываться в метровом диапазоне воле:. В отдельных случаях радиостанции метрового диапазона должны использоваться для организации « вставок » в линейную сеть гектометров ого диапазона.
Введение в действие новой редакции данных Правил обусловлено, главным образом, широким внедрением на сети железных дорог цифровых систем связи в дециметровом диапазоне волн. При этом методика расчета сетей поездной радиосвязи в метровом диапазоне не претерпела каких-либо изменений.
Качество радиосвязи как термин не имеет определения. Данное понятие не определено ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь.Термины и определения», в связи с чем его характеризуют рядом произвольных параметров.
К наиболее важным в большинстве случаев относят следующие : верность передачи информации, скорость передачи и надежность устройства.
Нормы качества передачи речи устанавливаются.в соответствии ГОСТ 166000-72 «Передача речи по трактам радиотелефонной связи. Требования к разборчивости речи и методы артикуляционных измерений».
Достоверность передачи дискретных сообщений оценивается вероятностью ошибки Рош. При передаче непрерывных сигналов для оценки качества передачи непрерывных сообщений ограничиваются критерием относительной среднеквадратической ошибки (СКО). В соответствии с этим критерием оценки является квадрат относительной СКО, который определяется величиной : представляющей собой отношение средней мощности помехи к средней мощности сообщения на выходе канала. В некоторых случаях при оценке качества передачи непрерывных сигналов помимо величины СКО целесообразно вычислить вероятность того, что абсолютная величина ошибки єх не превысит заданного порогового значения А , т.е. д Р(\єх\ А) =\Рі Ю-сІєх -А где р,(sr) - одномерная плотность распределения вероятности помехи.
Для оценки помехоустойчивости системы связи применяют различные критерии. Наиболее распространенным из них является критерий, в соответствии с которым помехоустойчивость оценивается требуемым отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приемника системы qBI=(Pe P„)ex , обеспечивающим заданную достоверность передачи или Рош.
В качестве эксплуатационного- показателя оперативности: передачи: информации можно использовать1 суммарное в- течение- часа время8 ожидания освобождения канала всеми абонентами, которое: можно: рассматривать как время простоя-о дного маневре вого локомотива.
Эффективность системы, связи характеризует экономичность, системы- с точки зрения затрат на-- ее реализацию и техническое обслуживание. Качественным показателем надежности; системы является коэффициент технического; использования, определяемый как вероятность нахождения системы радиосвязи в работоспособном состоянии
Особенности применения электронных карт для решения задач моделирования радиотрасс
Вопросам компьютерного моделирования зон- радиопокрытия с использованием электронных карт в настоящее время, уделяется значительное- внимание в: связи с активным, внедрением сетей СОТОВОЙ: связи и персонального радиовызова [19-23].
Современные: технические средства-, обеспечивают метаданные, необходимые для построения, достаточно; точных топографических основ.. Достигнутая точность измерений в: спутниковых навигационных системах ГЛОНАСС/GPS с вероятностью 99% , в т.ч. для картографических задач, составляет [47]: следующие значения: ошибка в- плане - 1,0 м, ошибка по вертикали-1,7 м.
Указанная точность измерений; позволяет достаточно точно построить профиль вершины, существенной для дифракции; в. особенности: для дециметрового диапазона волн. Однако применение: картографических данных, определенных: с точностью выше 1G0 м ,.. ограничивается для: инженерных расчетов существующими режимными ограничениями по использованию топографических основ [7 8:]:.
Использование; среднемасштабных карт обуславливает наличие значительного количества недостающих, данных, об уровнях: промежуточных; высот точек;, расположенных; между горизонталями; ( расстояние между, горизонталями составляет не.-., менее 20; м). Вычисление значений высот для промежуточных; между горизонталями точек реализуется, рядом интерполяционных. методов в. геоинформационных технологиях, предуематривающих:иепользование электронных; карт.
В- общем, случае: под/ электронными картами ( ЭК ).- понимаются-цифровые; карты, визуализированные с использованием программных № технических: средств; в? принятой системе: условных знаков,- предназначенные для. отображения: и, анализа местности; а .также решения задач е использованием дополнительной1 информации.. Таким образом, электронные карты, являются частным случаем, цифровых карт. По способам оцифровки карты; разделяют: на векторные и растровые.
В 16]; к электронным картам относят векторные или растровые карты, сформированные на машинном: носителе (например; на оптическом диске) е использованием: программных; и технических средств в принятой проекции, системе координат и высот, условных знаках, предназначенные для: отображения анализа и моделирования, а также решения1 информационных и расчетных задач по данным о местности: и обстановке.. В:набор данных любой электронной карты включен ряд сегментов; из которых сегмент МБР (матрица высот рельефа) не отнесен к обязательным сегментам; в: связи с чем; он включается; в состав ЭК при: наличии соответствующих данных или по требованию потребителя..Метаданные любой электронной карты [18] должны наряду с: другими обязательными сведениями содержать, следующую информацию: наличие МБР и ее параметры (шаг дискретизации, количество, столбцов: и строк), способ изображения рельефа и форма представления информации, о нем, исходный уровень высот (система: высот) и др. Здесь же определено понятие цифровой модели рельефа;, которая является- цифровой картографической- моделью,, содержащей информацию о неровностях земной поверхности. Данные о цифровых; матрицах рельефа : идентификатор (код); тип, формат представления, система координат и высот, положение точки привязки; матрицы, значение координат юго-западного: и северо-восточного углов рамки,... размеры: сторон, шаг дискретизации, единица представления: значений высот в элементах матрицы, показатели, точности, представления; рельефа?, (средние квадратичеекие погрешности релье фа в: плане и по- высоте).
Растровой-электронной; картой: является матрица, элементами- которой являются; значения кодов цвета картографического изображения. Растровая; форма представления,обеспечивает управлением-изображения;на;:уровне цвета: В [23] приводятся сведения, о технологии изготовления; растровой карты для. участка, горного рельефа и моделировании на ее основе радиотрасе для сетей;
ПРС на: основании методики;, изложенной в [4].. Очевидный недостаток растровых моделей местности— требование большого объема памяти.
Матрица высот строится по: любым, трехмерным объектам; Метаданными являются в основном, блоки снимков центральной проекции, и одиночных стереопар аэрофотосъемки;. В качестве: входных данных для цифровой обработки и трансформирования блоков снимков используются цифровые изображения в- исходных, форматах, например: BMP, TIFF, JPEG. Контроль построения.: цифровой матрицы рельефа производится по опорным точкам.
Точность расчетов радиотрасс в значительной степени определяется масштабом карт, при этом наибольшие сложности вызывает значительное расстояние между горизонталями ( изолиниями высот ).. При расстояниях между горизонталями 20 метров, и более на среднемаештабных картах для-открытого применения; возникают сложности аппроксимации горных вершин сферами, что требуется, рядом: инженерных методик расчета радиотрасс. В частности, в [67] приводятся сведения о том, что размер области: возле горной вершины, играющий: роль при дифракции, вызывает удивление своей незначительностью. При этом на трассах протяженностью около 100 км: на дециметровых волнах размер этой области не превышает нескольких метров;
Недостающие значения высот точек между горизонталями могут быть, получены посредством интерполяции, экстраполяции или аппроксимации известных значений опорных точек [60-62].. В [63]; описан- метод математического моделирования:, рельефа: местности, разработанный Е.А. Мйтельманом; еновой этого метода является; требование такого размещения исходных данных, чтобы.элементарные участки, опирающиеся на три; соседние опорные точки, представляли собой плоскость. По координатам вершин: треугольника определяют уравнение плоскости, проходящей через три точки. Подставляя» в: это; уравнение- координаты любой точки-;- на плоскости, находят значение: ее высоты.
Исследование возможности применения геоинформационных технологий для моделирования радиотрасс на основе цифровых моделей рельефа
Правила организации и расчета сетей поездной радиосвязи [4] предусматривают для расчета радиотрасс использование крупномасштабных топографических карт масштабов М 1 : 100000 (для среднепересеченной и легкой горной местности) и М 1:25000 или М 1:50000 ( для сложного горного рельефа). В [9] приводятся рекомендуемые масштабы для построения профилей и значения средних ошибок ( табл.3.1), обусловленные неточностью карт. В таблице 3:2 приведены возможные средние ошибки в метрах, возникающие из-за неточности карт различного масштаба, при условии, что предельные ошибки не превышают удвоенной величины средней ошибки.
Однако стандартные топографические карты не обеспечивают рекомендуемое в данных таблицах масштабирование по высоте при одновременном выполнении указанных требований масштабирования по плану.
Например, расстояние между горизонталями на картах М 1:200 000 и М 1:100 000 составляет 20 м, а на топографических основах М 1:50 000 расстояние между изолиниями высот составляет 10 м.
Как указывалось в разделе 1.5 , отсутствие развитой номенклатуры цифровых карт и ограничения [78] на использование крупномасштабных карт, начиная с М 1:100 000, существенно затрудняет решение задач моделирования радиотрасс. Указанные проблемы устраняются в большинстве случаев методами интерполяции высот, позволяющими с помощью стандартных программных средств получить электронные карты необходимого масштаба по любым исходным топоосновам.
Аналогичные задачи решаются с помощью, программных средств в ГИС-технологнях, реализующих географические информационные системы. Основой для представления данных в ГИС и автоматизированной картографии являются цифровые модели, представляющие собой определенную форму представления исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий- выполнять, математические операции с: массивом данных;, объекта путем интерполяции-, аппроксимации и экстраполяции; Относительно; рельефа такая, модель называется ! цифровой; моделью рельефа (ITMP) ;. В; связи с высокой;;стоимостью;- аэроснимков;: юкосмоенимковф 66-:]; в:качестве основы для создания; ЦШ в;, большинстве случаев. используются топографические, карты,.
Построение ЩМР путем интерполяции; оцифрованных. ИЗОЛИНИЙ С: топографических, карт в.качестве примера рассмотрим для участка исследуемой; территории, ограниченной: координатами. (32,061-:69,080; 32,156:69,099; 32,305:69,012; 32;213:68 993); Основой; для; создания;: Щ№ послужила: доступная для открытого применения, топографическая карта Ш 1:200-1 000 с расстоянием между горизонталями 20 м.. Посредством: методов интерполяции высот : TIN ( Triangulated Irregular Network), Topogrid , Spline:,-построена; новая сеть горизонталей (рие.З Л. и рис.3.2); с,расстоянием;между горизонталями 10" м. Сравнительный; анализ результатов- интерполяции- приведен: в: виде:: разностных матриц; на рие.З:ЗС Наименьшая: величина погрешности; обнаруживается- при сравнении методов ТЩ и Topogrid. Данное: обстоятельство? объясняется тем, что; в указанных методах, используются локальные: методы интерполяции (например; IPWT - метод обратных взвешенных расстояний), которые не изменяют значений опорных точек; в отличие:от глобальных;методов ( Spline, Trend; и др.):
В" приведенных в разделе: 1.2 инженерных методиках расчета значения множителя- ослабления, электромагнитного поля, не приводится ссылок на; необходимость: достижения определенной, точности- вычисления геометрических параметров про филей радиотрасс.
Конструкция кольцевой фазированной антенной решетки и схема экспериментальной установки
В экспериментальной установке используется типовая возимая двухдиапазонная ( УКВ, KB ) локомотивная симплексная локомотивная радиостанция «Транспорт-РВ-1 ,1М», предназначенная для работы в системе поездной и стационарной радиосвязи на железнодорожном транспорте. В диапазоне УКВ обеспечивается работа в диапазоне частот от 151,7125 МГц до 156,01250 МГц с частотным разносом между соседними каналами 25 КГц. Максимальная девиация частоты передатчика в диапазоне УКВ - не более 5 КГц,
Мощность несущей частоты - 10 Вт. Чувствительность приемника при соотношении сигнал / шум 12 дБ в диапазоне УКВ - не более 0,5 мкВ. Мощность, потребляемая радиостанцией в режиме «Передача» - не более 100 Вт. Радиостанция предусматривает работу с аппаратурой передачи данных со скоростью 1200 Бод. Обмен между аппаратурой АПД производится последовательным старт-стопным кодом [82,С. 194].
Схема установки обеспечивает управление сканированием луча в режиме автовыбора, который реализован следующим образом : низкочастотная огибающая УКВ сигнала, поступающая с выхода приемника локомотивной радиостанции, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем, подключенным через контроллер к порту ПК. В персональном компьютере осуществляется анализ текущих уровней сигнала для реализации адаптивной угловой селекции с использованием метода автовыбора. Структурная схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.1, внешний вид экспериментальной установки представлен на рис. П4Л, схема электрическая принципильная фазовращателя приведена на рис. П4.4.
Конструкция делителя - сумматора для подключения к локомотивной возимой радиостанции РВ-1.1 из расчета выходной мощности 10 Вт с количеством выходов - 4 приведена на рис. П.4.2 Развязка между выходами - не менее 20 дБ, ослабление между входом и выходом - 6,8 дБ.
Подключаемые к выходам делителя-сумматора фазовращатели выполнены с.разрядами 22,5; 45; 90 и 180. Потери фазовращателя - не более 2.5 дБ. Время переключения дискретов— не более 1 мкс. Дискреты изготовлены на основе 3-х децибельных направленных ответвителей, в соответствующие плечи которых включены отражательные фазовращатели на p-i-n диодах..
Управление дискретами фазовращателя для достижения максимального излучения в требуемом направлении осуществляется через LPT порт персонального компьютера ( ПК ). Подключение разных сочетаний дискрет обеспечивает 16 значений фазового сдвига : 0; 22,5; 45; 67,5; 90; 112,5; 135; 157,5; 180; 202,5; 225; 247,5; 270; 292,5; 315; 337,5; 360. Управление фазовращателями осуществляется программным способом, от персонального компьютера на основании соотношения (2.1). Вычисленные значения фазовых сдвигов для каждого из вибраторов приведены в таблицах 4.1.... 4.3 в зависимости от геометрических параметров кольцевой ФАР.
Конструктивно дискретный фазовращатель выполнен в виде гибридной интегральной микросборки СВЧ. Схема фазовращателя исполнена на двух подложках из керамики поликор с диэлектрической проницаемостью 9,6 по тонкопленочной технологии на несимметричной полосковой линии. Фазовращатель размещен ( см. рис.П.4.3 ) в металлическом корпусе чашечного типа [81 ,С.206] размером 100x100x15 мм3.
ИЗМЕРЕНИЙ; В -ходе-проведения эксперимента выполнены: следующие: исследования : Г. Измерены- спектральные: характеристики- частотно-модулированных; сигналоБшрИ различных:частотах сканирования луча и: выполнен их анализ на: соответствие государственным: стандартам для: соответствующего- класса излучения.
2. Измерена: диаграмма направленности-: методом,: вышки в- дальней ЗОНЄ:
3. Выполнены измерения- уровня:сигнала1 на входе приемника вдоль исследуемой трассы: железной дороги в условиях низкогорного рельефа..
Цель эксперимента\:
1. Определение допустимого диапазона частот сканирования-луча при передаче речевого сигнала-: с. частотной модуляцией: Сравнение полученных данных, с расчетными;. прив еденными в; главе: 2..
2. Сравнение: экспериментально: полученных диаграмм направленности однокольцевых малоэлементных ФАР с диаграммами вычисленными по предложенной в главе 2 методике.
3. Сравнение результатовэкспериментальныхизмерений:уровня:сигналана: входе/приемника (дБ): на исследуемом; низкогорном., участке железной дороги. при: использовании экспериментальной :локомотивной::четырехэлементной; кольцевой ФАР с данными полученными дорожной вагон-лабораторией. № 72262 при использовании типовой дискоконусной антенной: АЛП/2,3.
Спектральные.: характеристики- исследуемых: сигналов: получены с использованием типов ого аппаратно-программного комплекса: «Ирга» [84,С. 194-]; на базе: частотомера И2:-2. Данная установка предназначена- для-решения: задач радиоконтроля. и: смонтированна: на базе радиоприемного устройства- IC-R 8500;.. подключенного к- логопериодичеекой антенне.
