Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы организации и проблемы эксплуатации систем поездной радиосвязи 14
1.1 Общие принципы организации систем поездной радиосвязи 15
1.2 Организация систем поездной радиосвязи гектометрового диапазона 19
1.3 Распространение электромагнитных волн по направляющим проводам 24
1.4 Возбуждение направляющих линий 33
1.5 Проблемы эксплуатации систем поездной радиосвязи 39
1.6 Предпосылки к совершенствованию методов контроля и диагностики параметров поездной радиосвязи 43
Выводы к главе 46
Глава 2. Совершенствование метода диагностики направляющих линий с применением вагон-лаборатории . 48
2.1 Существующий метод диагностики систем поездной радиосвязи 48
2.2 Характер изменения поля с расстоянием в системах железнодорожной радиосвязи 54
2.3 Интерпретация данных измерений вагон-лаборатории в системах поездной радиосвязи гектометрового диапазона 60
2.4 Предложения и рекомендации по автоматизации обработки результатов измерений 70
Выводы к главе 74
Глава 3. Разработка метода рефлектометрии для диагностики направляющих линий поездной радиосвязи . 76
3.1 Контроль и диагностика в проводных и кабельных линиях связи 76
3.2 Отражение волн на неоднородностях направляющих линий 80
3.3 Использование рефлектометрического метода для диагностики направляющих линий поездной радиосвязи 85
3.4 Моделирование амплитудно-частотной характеристики направляющих линий 88
3.5 Моделирование работы рефлектометра направляющих линий поездной радиосвязи 94
Выводы к главе 99
Глава 4. Разработка и моделирование работы рефлектометра направляющих линий с применением сложных зондирующих сигналов 101
4.1 Выбор сигналов для системы дистанционного зондирования 101
4.2 Выбор алгоритма корреляционной обработки сигналов 111
4.3 Разработка структурной схемы рефлектометра направляющих линий 115
4.4 Моделирование работы рефлектометра направляющих линий поездной радиосвязи 119
4.5 Обработка результатов моделирования 126
Выводы к главе 128
Заключение 130
Благодарности 133
Список сокращений 134
Список использованных источников 136
- Организация систем поездной радиосвязи гектометрового диапазона
- Характер изменения поля с расстоянием в системах железнодорожной радиосвязи
- Моделирование амплитудно-частотной характеристики направляющих линий
- Моделирование работы рефлектометра направляющих линий поездной радиосвязи
Введение к работе
Актуальность работы. Системы поездной радиосвязи (ПРС) играют важную роль в организации процесса перевозок на железнодорожном транспорте и служат для передачи: команд управления подвижным составом и обмена информацией диспетчеров с машинистами поездов. От надежного функционирования ПРС во многом зависит безопасность движения, возможность предотвращения аварийных ситуаций и оперативное устранение их причин [1]. Поэтому большое внимание уделяется разработке нового и модернизации существующего радиотехнического оборудования ПРС: улучшению характеристик приемо-передающих, антенно-фидерных и других устройств, необходимых для организации бесперебойной радиосвязи. Однако совершенствованию существующих и разработке новых методов контроля и диагностики систем ПРС уделяется недостаточно внимания. Применяемые в настоящее время методы контроля каналов ПРС обладают низкой оперативностью, высокой трудоемкостью, а также недостаточной информативностью для выявления конкретных неисправностей и определения предотказных состояний систем ПРС или ее отдельных элементов. Особенно это касается диагностики систем ПРС гектометрово-го диапазона, которые благодаря применению направляющих линий (НЛ) обеспечивают большую дальность действия и во многих случаях являются основными системами мобильной связи железнодорожного транспорта.
Работы по измерению параметров ПРС производят с помощью измерительных приемников, установленных в специализированных вагонах-лабораториях (ВЛ). Результатами измерений являются протоколы, включающие графики изменения уровней сигнала и помех вдоль перегонов, девиацию и модулирующую частоту [2]. На основе этой информации создается картина состояния радиоканалов, что помогает обслуживающему персоналу обнаруживать повреждения НЛ. К существенным недостаткам методов диагностики параметров ПРС относятся: низкая автоматизация проведения измерений и обработки их результатов, отсутствие возможности проведения измерений в режиме реального времени, высокая трудоемкость и низкая точность в определении координат повреждений. Поэтому требуется совершенствование существующих и разработка новых научно обоснованных методов диагностики направляющих линий ПРС.
Цель и задачи исследования. В диссертационной работе поставлена задача разработки новых и совершенствовании существующих методов и технических средств для контроля и диагностики направляющих линий ПРС гекто-метрового диапазона с целью повышения автоматизации и оперативности измерений, сокращения трудоемкости диагностики каналов радиосвязи и возможности определения их предотказных состояний.
Направление исследований. Одним из возможных решений поставленной задачи является разработка нового метода обработки информации в существующей системе контроля параметров ПРС с использованием вагон-лаборатории и создание на этой основе автоматизированной подсистемы диаг-
ностики НЛ как составной части единой системы мониторинга и администрирования (ЕСМА) [3].
Другим направлением исследований является разработка нового метода диагностики направляющих линий ПРС, основанного на принципах рефлекто-метрии с применением зондирующих сигналов с большими базами.
В качестве основных методов исследований в работе используются методы компьютерного моделирования амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик НЛ, устройств дистанционного зондирования направляющих линий ПРС; метод наименьших квадратов для определения параметров модели при автоматизации обработки результатов измерений вагон-лаборатории; метод Монте-Карло для оценки точности работы устройства дистанционного зондирования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов в работе обусловлена использованием реальных измерений вагон-лаборатории, сопоставлением результатов с известными физическими моделями распространения радиосигналов и с данными, взятыми из литературы, а также применением статистических методов обработки результатов измерений и данных компьютерного моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
1. Выбрана и обоснована модель изменения поля с расстоянием при диаг
ностике направляющих линий с использованием вагон-лаборатории и разрабо
тан метод определения неисправностей НЛ и ее лредотказных состояний.
2. Разработан алгоритм обработки результатов измерений вагон-
лаборатории, позволяющий повысить уровень автоматизации существующих
контрольно-измерительных комплексов и создать подсистему диагностики па
раметров ПРС в ЕСМА.
-
Построена компьютерная модель направляющих линий ПРС, проведено моделирование их амплитудно-частотных, фазо-частотных характеристик и распространения по ним зондирующих сигналов. Результаты моделирования позволили оценить основные свойства НЛ и подтвердили возможность применения импульсной рефлектометрии для их диагностики.
-
Впервые для направляющих линий ПРС на основе принципов рефлектометрии предложен, теоретически обоснован и промоделирован метод диагностики их текущего состояния. В качестве зондирующих сигналов использованы сигналы с большими базами. Метод позволяет постоянно, в режиме реального времени, контролировать текущее состояние НЛ при допустимом уровне помех, создаваемых работе приемного оборудования ПРС.
-
Разработана структурная схема рефлектометра с использованием зондирующих сигналов с большими базами. Компьютерное моделирование его работы подтвердило, что он позволяет выполнять диагностику состояния НЛ в реальных условиях эксплуатации, при уровне помех, не превышающего установленного при работе ПРС значения.
Практическая значимость работы.
Получены результаты, которые позволяют выполнить модернизацию существующих средств измерений параметров НЛ, а также вносят существенный вклад в создание новых автоматизированных контрольно-диагностических
комплексов.
Разработана и экспериментально опробована новая интерпретация измерений вагон-лаборатории, которая позволяет диагаостировать состояние НЛ и определять их возможные неисправности. Метод диагностики, основанный на предлагаемой интерпретации, может быть включен в ЕСМА.
Разработано устройство для дистанционного определения места повреждения направляющих линий ПРС путем их зондирования сигналами с большими базами, при использовании которого могут быть решены следующие практические задачи:
- определение повреждений направляющих линий в режиме реального
времени и их локализация;
- оценка исправных и предотказных состояний направляющих линий
ПРС;
совместная работа устройства зондирования и приемопередающего оборудования ПРС из-за допустимого уровня помех, создаваемых рефлектометром;
возможность включения устройства зондирования в ЕСМА хозяйства
связи ОАО «РЖД».
Новизна этой разработки защищена патентом РФ на полезную модель. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Выбор модели, описывающей изменение поля с расстоянием при рас
пространении радиосигналов по направляющим линиям поездной радиосвязи.
2. Метод и алгоритм обработки результатов измерений вагон-
лаборатории.
-
Результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотной, фа-зо-частотной характеристик направляющих линий поездной радиосвязи и распространения зондирующих сигналов по ним, которые указывают на возможность создания систем диагностики НЛ, совместимых с работой ПРС.
-
Метод и структурные схемы устройств диагностики текущего состояния направляющих линий поездной радиосвязи, основанные на принципах рефлектометр ии.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены либо автором, либо при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация результатов измерений параметров поездной радиосвязи, анализ экспериментальных данных выполнены совместно с научным руководителем.
Автором самостоятельно выполнены следующие работы:
- теоретический анализ возможности создания метода диагностики пара
метров направляющих линий ПРС с использованием зондирующих сигналов с
большими базами;
компьютерное моделирование амплитудно-частотной, фа зо-частотной характеристик направляющих линий ПРС и распространения зондирующих сигналов по ним;
компьютерное моделирование работы рефлектометра НЛ с использованием зондирующих сигналов с большими базами, проведена оценка точности локализации неисправностей в зависимости от уровня помех.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации обсуждались на Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых посвященной Дню Радио (Иркутск: ИрГТУ, 2006-2011 гг.); а также на научных семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» (Иркутск: ИрГУПС 2007-2011 гг.); на международной конференции «Innovation & Sustainability of Modern Railway» (Nanchang, China, 2008); на ежегодной Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 114-й годовщине Дня Радио (Красноярск, ИПК СФУ, май 2009 г.); на межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, ИрГУПС, октябрь 2009 г., май 2011 г.); на научном семинаре Научно-исследовательского института прикладной физики при ИГУ (Иркутск, ИГУ, октябрь 2009 г.); на научном семинаре Иф МГТУ ГА (Иркутск, Иф МГТУ ГА, июнь 2011 г.).
Основные публикации по теме диссертации. Результаты научного исследования отражены в 10 публикациях; из них 2 в отечественных рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК, 1 в материалах международной конференции и 1 патент на полезную модель.
Организация систем поездной радиосвязи гектометрового диапазона
К гектометровым волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м. Относительно хорошие проводящие свойства земли для этих волн обуславливают распространение земной волны на сотни километров. В реальных условиях прием земной волны возможен на расстояниях до 500 км. Характерной особенностью распространения гектометровых волн является прием в дневное время только земной волны, а в ночное - земной и пространственной (ионосферной). Таким образом, в дневное время радиус действия станций обычно составляет несколько сотен километров, увеличиваясь в ночное время до 2000-3000 км и более [21]. Наиболее применимы эти волны в службе вещания, для которой Комитетом частот МККР выделена полоса 187-2000 м, кроме того, они используются для целей морской и сухопутной подвижной связи. Согласно таблице распределения частот между радиослужбами Российской Федерации полосы радиочастот 2125 - 2135 кГц и 2147 - 2153 кГц используются радиостанциями системы железнодорожной радиосвязи.
Волны гектометрового диапазона распространяются в основном вдоль земной поверхности, обладают дифракционной способностью, поэтому связь может поддерживаться вне прямой видимости между радиостанциями, таким образом, передачу информации можно обеспечить излучением и приемом электромагнитных волн при помощи антенн. В этом случае расчет напряженности поля в точке приема производят по формуле Шулейкина-Ван-дер-Поля [21]:
Здесь PA - мощность, подводимая к антенне, Вт; rjA - к.п.д. антенны; D -коэффициент направленного действия антенны; г - расстояние до точки приёма, м; F- множитель ослабления, зависящий от расстояния и параметров почвы; Я - длина волны, м; а - проводимость почвы, См/м; є- относительная диэлектрическая проницаемость почвы.
В условиях железнодорожного транспорта из-за большого уровня помех, создаваемых работой электроподвижного состава и другими высоковольтными устройствами, не удается обеспечить необходимую дальность связи. Для преодоления этого в гектометровом диапазоне волн широкое распространение получила передача высокочастотных сигналов по проводным направляющим линиям, идущим вдоль железнодорожного пути. В этом случае связь с машинистами локомотивов осуществляется не электромагнитными полями излучения, то есть пространственными волнами, а электромагнитными полями индукции, распространяющимися по направляющим линиям с меньшим затуханием, чем при излучении. В результате возрастает дальность радиосвязи. Так как направляющие линии идут вдоль пути, повторяя все изгибы, то и электромагнитная наведенная энергия распространяется вдоль волновода, повторяя все изгибы пути, обеспечивая надежную связь независимо от свойств подстилающей поверхности. В качестве направляющих линий используются специально подвешиваемые одно и двухпроводные линии, провода воздушных линий связи, линии электроснабжения 6, 10 и 27 кВ, провода высоковольтных линий автоблокировки и т.д. Для запитки таких линий высокочастотными сигналами, обхода силовых подстанций и искусственных сооружений, а также для устранения наведенных напряжений, в направляющих линиях устанавливают различные дополнительные элементы - фильтры, разделительные конденсаторы, заградительные резисторы и т.д. Таким образом, НЛ представляет собой сложную распределенную систему.
Однопроводные и двухпроводные волноводы являются наиболее часто встречающимися направляющими системами, используемыми при организации ПРС [7]. В качестве проводов этих систем обычно применяют сталемедную и реже сталеаллюминиевую проволоку. Согласно [54], НЛ на участках с автономной и электрической тягой постоянного тока должна быть гальванически непрерывной, а на участках с электротягой переменного тока -разделяться на секции. На рис. 1.1 и рис. 1.2 показаны схемы секционирования однопроводного и двухпроводного волновода соответственно. Длина секции волновода выбирается такой, чтобы результирующее напряжение на ее концах, наведенное от электрического и магнитного влияний не превышало 250 В при длительном установившемся режиме и 1000 В - в режиме короткого замыкания контактной сети.
Каждую секцию волновода заземляют, чтобы снизить напряжение, наведенное от электрического влияния контактной сети и высоковольтных линий, подвешенных на опорах контактной сети. Заземление осуществляют через высокочастотные заградители, на индивидуальные самостоятельные заземлители (ИСЗ), не соединенные электрически с обратной тяговой рельсовой сетью. В качестве высокочастотных заградителей применяют специальные контура ЗК-4 и СК-6, резонансная частота которых совпадает с рабочей частотой ПРС. Секции НЛ соединяют между собой через разделительные конденсаторы (РК), обладающие сопротивлением не более 25 Ом для радиочастотных сигналов и не менее 10 кОм для тока частотой 50 Гц. В местах анкеровки (крепление НЛ на опорах) волноводный провод нагружают на сопротивление, равное его волновому сопротивлению. Для этого используются специальные блоки согласованной нагрузки: СН-1 - для однопроводного волновода и СН-2 - для двухпроводного. Для защиты от перенапряжения параллельно блоку согласованных нагрузок подключаются разрядники (Р). На рис. 1.3 показаны схемы анкеровки: однопроводного (а) и двухпроводного (б) волноводов.
На участках с электротягой переменного тока для канализации высокочастотной энергии часто применяют провода трехфазной несимметричной системы питания напряжением 27 кВ, основное назначение которой заключается в электроснабжении нетяговых потребителей (станций, разъездов, путевых домов и т.д.). Одна из фаз этой системы подключена к рельсам, а две. другие - к высоковольтным проводам, идущим вдоль перегона, поэтому данную систему называют ДПР (два провода - рельс) [8, 17, 54]. На участках с электротягой постоянного тока канализацию высокочастотной энергии осуществляют с помощью трехфазной симметричной высоковольтной линии 10 кВ (иногда 6 кВ), называемую В Л 10/6 [8, 54]. Использование В Л 10/6 или ДПР выгодно тем, что отпадает необходимость в дополнительных работах по подвеске специального волноводного провода, так как трасса высоковольтных линий совпадает с направлением канализации энергии высокой частоты. Кроме этого, эксплуатация линий В Л 10/6 и ДПР, требующая специальной линейной службы, ведется независимо от того, применяется ли данная система для передачи высокочастотной энергии, и по этим причинам затраты на дополнительную обработку высоковольтной линии значительно меньше затрат на подвеску специального волноводного провода и его обслуживание [7, 8, 54].
Характер изменения поля с расстоянием в системах железнодорожной радиосвязи
Для всех систем связи с подвижными объектами (ССПО) одной из главных особенностей функционирования является изменение мощности принимаемого сигнала Рс в зависимости от расстояния г между передатчиком базовой станции (БС) и приемником мобильного терминала (МТ). От характера изменения Рс (г) зависят основные показатели ССПО - размеры зон обслуживания, необходимые энергетические параметры аппаратуры, уровни взаимных помех и т.д.
Проведем сравнительный анализ экспериментальных данных и выяснении характера изменения Рс(г) для некоторых ССПО. Для этого рассмотрим закон изменения Рс{г), как это сделано в работах [37, 103], в следующем виде:
Здесь Р0 - мощность сигнала на единичном расстоянии г0, у - показатель степени, характеризующий скорость изменения Рс. Заметим, что влияние направленных свойств антенн БС и МТ может быть учтено при определении мощности Р0, и отдельно учитываться не будет.
Рассмотрим возможные законы изменения Рс(г) в различных условиях.
Закон спадания мощности сигнала с расстоянием в свободном пространстве характеризуется сферической расходимостью и описывается выражением (2.1) с у = 2 [37, 103]. Такой характер изменения поля следует ожидать для ССПО, расположенных в космическом пространстве и на воздушном транспорте, а также в спутниковых системах связи и в других случаях, когда линия, соединяющая БС и МТ, большую часть пути проходит вдали от поверхности Земли. Для наземных железнодорожных ССПО необходимо учитывать влияния земной поверхности, рельефа местности, экранирующих сооружений и т.д., что приводит к дополнительному ослаблению сигнала по сравнению со свободным пространством.
В наземных ССПО для равнинного рельефа местности и отсутствия строений, в случаях, когда можно пренебречь сферичностью Земли, в метровом и дециметровом диапазонах длин волн распространение сигналов в первом приближении хорошо описывается квадратичной формулой Введенского [21], из которой следует закон спадания мощности в виде выражения (2.1) с у = 4 . Область применения данной формулы ограниченна расстоянием r \Shlh2//l, где /2j,/ 2 - высоты антенн БС и МТ, Я- длина волны.
Быстрый характер спада поля в этом случае объясняется тем, что, наряду со сферической расходимостью сигнала, происходит сложение прямого и отраженного от поверхности Земли лучей, отличающихся по фазе почти на 180. Формула Введенского имеет фундаментальное значение в расчетах наземных линий связи, поскольку для многих важных на практике ситуаций она является оценкой сверху для энергетики сигналов и наглядно характеризует зависимость мощности сигнала от расстояния. При организации связи на железнодорожном транспорте часто возникает ситуация, когда из-за сложных условий распространения сигналов или большого уровня помех трудно обеспечить необходимую дальность и хорошее качество сигнала. В этом случае, как следует из выводов к первой главе, можно применить способ связи, при котором высокочастотная энергия от БС подводится к направляющей системе, а МТ, двигаясь в непосредственной близости вдоль этой системы, принимает распространяющийся вблизи неё сигнал, излучаемый ею сигнал. В качестве направляющих систем используются «протяженная антенна» или излучающий кабель [35, 98], волноводный тракт в виде двухпроводной или однопроводной длинных линий, а также имеющиеся линии электроснабжения и проводные каналы других систем связи. Направляющие системы находят применение для построения ССПО в шахтах, метро, туннелях, вдоль транспортных магистралей и внутри экранированных сооружений. Подробно о принципах построения ПРС гектометрового диапазона при помощи волноводных проводов, выполняющих функцию направляющей системы, описано в пункте 1.1 диссертации.
Для расчета направляющих систем обычно используют экспоненциальную зависимость спадания мощности от расстояния [8, 10, 54], но многочисленные факты эксплуатации систем ПРС и предварительный анализ результатов измерений указывают на более сложный характер изменения Рс{г).
Поэтому на первом этапе для анализа результатов измерений сигналов ПРС была использована общая формула (2.1).
Таким образом, по экспериментальным данным, описывающих изменения мощности сигнала, необходимо было определить два параметра выражения (2.1)
-Ги о В качестве метода определения параметров функциональной зависимости (2.1) использовался стандартный метод наименьших квадратов. Были обработаны измерения мощности сигнала в зависимости от расстояния до БС для следующих ССПО, применяемых на железнодорожном транспорте:
Система ПРС гектометрового диапазона , В качестве исходных данных были взяты протоколы измерения мощности поля Рс{г), снятые вагон лабораторией на участках Восточно-Сибирской и
Забайкальской железных дорог. На рис. 2.2а для примера представлена зависимость уровня сигнала от расстояния на перегоне Утулик - Байкальск Восточно-Сибирской железной дороги. Точками показаны результаты измерений, а крестиками - аппроксимирующая эти измерения функция (2.1). Рядом даны значения параметров у и Р(). Заметим, что наибольший интерес для анализа представляют значения показателя степени у, а Р0 зависит от энергетического потенциала БС и интереса не представляет. На рис. 2.16 в виде гистограммы показано число попаданий параметра у для всех 12 обработанных сеансов. Как видно наиболее часто п оказывался в промежутке от 1 до 2.
Моделирование амплитудно-частотной характеристики направляющих линий
Высокий уровень помех, присутствующий в НЛ, постоянная работа приемопередающих устройств затрудняет проведение измерительных работ по изучению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) НЛ в реальных условиях. Наиболее простым и достоверным методом определения полосы пропускания является моделирование амплитудно-частотной характеристики с помощью специализированных программных средств.
Современные системы компьютерного моделирования позволяют решать множество различных задач и зачастую становятся основным инструментом исследований, направленных на изучение как вновь разрабатываемых, так и существующих технологий и систем. Это объясняется тем, что создание сложных устройств и последующее изучение их параметров требует больших капитальных затрат. К числу задач, решаемых с помощью компьютерного моделирования можно отнести построение моделей различных линий передачи информации и моделирование их частотных характеристик.
Для построения компьютерной модели линии передачи на основе направляющих линий ПРС необходимо по предварительно составленным схемам замещения составить математическую модель. По полученной математической модели с использованием специальных программных пакетов построить компьютерную модель. Программные средства должны позволять проводить анализ электромагнитных процессов в схемах повышенной сложности. Существуют специализированные программные пакеты для исследования электрических схем, в них упрощена процедура создания математической модели, то есть существует набор готовых моделей блоков электротехнических устройств, из которых составляется нужная схема. К подобным пакетам относится программа схематического моделирования MICROCAP, которая является мощным инструментом имитационного компьютерного моделирования и обладает широким набором функциональных возможностей [56].
Была собрана информация об элементах, входящих в состав НЛ, построены их компьютерные модели, также были рассчитаны первичные погонные параметры линий: индуктивность проводов ДГн/км), активное сопротивления проводов R (Ом/км), емкость С(Ф/км), проводимость изоляции G (См/км). В литературе широко освещен вопрос определения этих параметров. В результате расчета, проведенного по методике, изложенной в [13, 41], были получены следующие значения: R = 40 Ом/км, С = 51,5 нФ/км, = 7,67мГн/км, (7 = 185 мкСм/км для однопроводной и Я = 40 Ом/км, С = 103 нФ/км, L = 3,84 мГн/км, G = 185 мкСм/км для двухпроводной линии.
На основании имеющихся данных о направляющих линиях, типичных для условий Восточно-Сибирской Железной Дороги, были построены тестовые модели однопроводной и двухпроводной НЛ с установкой линейных устройств согласно методике [54] для типичных условий построения НЛ. На рис. 3.6, 3.7 представлены схемы тестовых участков однопроводной и двухпроводной НЛ соответственно. Модель тестового участка содержит генератор, 8 разделительных конденсаторов (РК), 8 заградительных контуров типа ЗК-4 и блок согласованной нагрузки (СН). Параметры блоков СН, РК и ЗК-4 были рассчитаны согласно [54]. Емкость РК Срк=3300 пФ, сопротивление блока РК на рабочей частоте ПРС составляет 22,6 Ом, а для токов промышленной частоты 965 кОм, что соответствует требованиям, предъявляемым к секционированию НЛ на участках с электротягой переменного тока [54]. Высоко добротные контуры ЗК-4 имеют следующие параметры: резонансная частота fps3=2,13 МГц, собственная добротность Q=200, сопротивление контура токам промышленной частоты Z3K50=0 005 Ом, резонансное сопротивление Zpe3=15 кОм. Сопротивление блока СН для однопроводной направляющей линии составляет сні=465 Ом, для двухпроводной линии RCm=665 Ом.
Как видно, полученные АЧХ имеют изрезанный характер на частотах отличных от рабочей частоты ПРС 2,13 МГц. Данный эффект можно наблюдать на выделенных фрагментах АЧХ, на рис. 3.8а и рис. 3.9а. Так, для АЧХ однопроводного тестового участка НЛ полоса частот между соседними всплесками составляет Д/ = 8,5кГц, что соответствует задержке времени At=120 мкс. За это время при скорости, близкой к скорости света, электромагнитная волна проходит /«36 км, что соответствует двойной длине моделируемого участка, и эта картина объясняется тем, что НЛ не согласована на всех частотах кроме рабочей частоты ПРС, и изрезанный характер АЧХ является результатом многократных отражений от конца линии. Полоса пропускания, рассчитанная по уровню -6дБ изрезанной АЧХ составила 1 МГц для однопроводной НЛ.
Изрезанность АЧХ двухпроводного тестового участка НЛ имеет более сложный характер, который можно наблюдать на выделенном фрагменте рис 3.9а. Полоса пропускания двухпроводного тестового участка НЛ составляет 2МГц.
Для моделирования реального участка НЛ была выбрана двухпроводная направляющая линия, расположенная на участке ВСЖД Большой Луг — Подкаменная, длинна которого составляет 23 км. Рассматриваемый участок находится в зоне сложной электромагнитной обстановки, что повлияло на расположение высоковольтного оборудования вдоль НЛ. Так, разделительные конденсаторы на этом участке расположены ближе друг к другу, чем предусматривается [54], а заземление НЛ через запирающие контуры производится неравномерно: при отдалении от станции Большой Луг в сторону станции Подкаменная число запирающих контуров на единицу расстояния возрастает.
На рис. 3.10 представлена амплитудно-частотная характеристика НЛ на участке Большой Луг - Подкаменная. Видно, что полученная АЧХ имеет более сложный и изрезанный характер, чем АЧХ тестовых участков НЛ, что объясняется тем, что при построении тестовых участков линейные устройства устанавливались равномерно по всей длине тракта, а те же устройства для реальной линии передачи расположены не равномерно. Часто из-за сильного индуктивного влияния токов промышленной частоты на НЛ заградительные контура располагаются на небольших расстояниях друг от друга. Тем не менее, полоса пропускания реального участка двухпроводной волноводной НЛ по уровню - 6 дБ составила 1МГц.
Оценка полученных амплитудно-частотных характеристик показала, что полоса пропускания реальных НЛ в виде двухпроводного волновода имеет значение Af \ МГц, что в несколько раз превышает частотный диапазон передаваемых сигналов ПРС. Тогда, полагая скорость распространения зондирующего сигнала близкой к скорости света, имеем оценку разрешающей способности по дальности А/ = 150м. Дальнейшего увеличения разрешающей способности системы диагностики м ожно добиться, ис пользуя специальные методы сверхразрешения, основанные на современных методах обработки сигналов [26, 55, 61]. Кроме оценки разрешающей способности рефлектометра, полученные результаты о полосе пропускания НЛ указывают на возможность развития не только систем контроля НЛ, совместимых с работой ПРС, но и других систем связи с подвижными объектами железнодорожного транспорта, например, систем передачи цифровых данных.
Моделирование работы рефлектометра направляющих линий поездной радиосвязи
Перед моделированием работы рефлектометра НЛ были рассчитаны уровни сигналов, оказывающие влияние на рефлектометр. Для наглядности на рис. 4.12 представлена структурная схема подключения рефлектометра к направляющей линии через согласующее устройство, выполненное в виде направленного ответвителя.
Как видно, на вход рефлектометра поступает аддитивная смесь отраженного от места повреждения сигнала Uoc, шумов иш и сигналов от радиопередающих устройств /рст. Сигналы UpCT, попадая на вход рефлектометра, существенно ослабляется в направленном ответвителе.
Напряжение отраженного от места повреждения сигнала на входе рефлектометра можно найти по формуле: U0C=U3C -2.(5 я +2 ли„ + п). (4-7)
В этой формуле: U3C- напряжение зондирующего сигнала, мощность которого примем равной Рзс =10 Ватт, тогда U3C = 147 дБмкВ. Ln - расстояние от места подключения прибора к линии до моделируемой неисправности, рассмотрим однопроводную направляющую линию с повреждением при Ln = 1000м. аст = П.бдБмкВ - суммарное затухание сигнала в стационарных устройствах; алт = 11.5дБмкВ -суммарное затухание сигнала в линейных устройствах. Расчет аст и алин проведен согласно методике, изложенной в [54]. а — километрический коэффициент затухания, для однопроводной НЛ согласно [54] а=2 дБ/км. Множитель 2 перед скобками в выражении (4.7) означает двойной путь к месту повреждения и обратно.
Тогда напряжение отраженного сигнала на входе рефлектометра: Uoc = 147 - 2 (11.5 +11.6 + 2 1) = 60.8дБмкВ, (Uoc = 1 мВ или для входного сопротивления Rex = 50 Ом Рос = 0,02 мкВт).
По данным измерений вагон-лаборатории, примем максимальный уровень помех в полосе поездной радиосвязи 6 кГц равным 60 дБ относительно 1 мкВ. При условии, что плотность шумов примерно одинакова в полосе, занимаемом зондирующем сигналом, получим уровень помех на входе рефлектометра в полосе 1 МГц -82 дБмкВ (С/ш=12.5мВ или для входного сопротивления 7 =50 Ом Рш = 3,2 мкВт). Напряжение сигналов поступающих от радиостанции через направленный ответвитель претерпевает затухание 20 дБ, тогда /рст = 2,44 В. Таким образом, ориентировочные расчеты показывают, что мощность полезного сигнала на входе прибора будет примерно на два порядка меньше уровня помех, т.е. SNR = - 20дБ. Ясно, что в этом случае определить временное положение каждого отраженного импульса невозможно и требуется повысить энергию полезного сигнала. Поскольку увеличение мощности зондирующего импульса может привести к созданию помех как самой ПРС, так и другим радиотехническим системам, необходимо увеличивать энергию за счет накопления и усреднения экспериментальных данных. Как показано в пункте 3.5 диссертации, чтобы увеличить отношение SNR до приемлемого значения 10 дБ, то есть на 30 дБ необходимо усреднить около 10 отсчетов или более.
На рисунке 4.13 представлена модель рефлектометра НЛ, выполненная в Simulink, за основу взята структурная схема рефлектометра (рис. 4.11).
С помощью блоков «PN Sequence Generator» и «Unipolar to Bipolar Converter» формируется 15 - элементная разнополярная М - последовательность с длительностью одного элемента гимп = 2 мке, которая затем усиливается до U х = 147дБмкВ в блоке БУ. Блоки «DSB AM» представляют собой амплитудные модуляторы, настроенные на формирование амплитудно модулированных колебаний с подавлением несущих частот. Таким образом, на выходе каждого из блоков «DSB AM» формируются сигналы j, и s2, которые имеют вид двухпозиционных фазоманипулированных сигналов с манипуляцией фазы на 180. Значения несущих частот модуляторов составляют /гмі =/гм2 =2 МГц, а начальные фазы отличаются на Д# = 90, благодаря чему обеспечивается ортогональность сигналов sl и s2.
Блок масштабирования БО и блок фиксированной задержки БЗ (в Simulink блок «Transport Delay») задают ослабление сигнала и его смещение по времени.
БО=4.9-10 5 - коэффициент ослабления блока БО, рассчитан с учетом вычислений, проведенных ранее для рассматриваемого участка НЛ. т3 = 6.66 мкс параметр, определяющий задержку сигнала в блоке БЗ, это соответствует времени прихода отраженного сигнала от неоднородности линии, находящейся на расстоянии Lu = 1000 м от измерительного прибора. Генератор шума (в Simulink блок «Gaussian Noise Generator») формирует шумовой сигнал мощностью Рш = 3,2 мкВт. На выходе блока ГТС (в Simulink блок «Signal Generator») формируется гармонический сигнал с частотой /ггс = 2 МГц и амплитудой /рст=2,44В. В схему модели НЛ добавлен полосно пропускающий фильтр (в Simulink блок «Analog Filter Design») с полосой пропускания / = 1 МГц, соответствующей полученным результатам моделирования АЧХ в главе 3.
Сигнал, формируемый на выходе блока ГЛВС (в Simulink блок «Ramp»), имеет вид yramp(t) = kramp t и управляет величиной задержки в блоке БПЗ (в Simulink блок «Variable Transport Delay») r(t) = yramp{t). В условиях моделирования было принято кгатр = , это означает, что скорость изменения задержки t(t) в 18000 раз медленнее модельного времени. Такая скорость изменения задержки позволяет накопить и усреднить 600 зондирующих посылок за время, в течение которого r(t) изменяется на единицу модельного времени.
Блоки усреднения БУС1 и БУС2 (в Simulink блок «Discrete Mean Value») в каждом из каналов обеспечивают накопление и усреднение результатов обработки за время, равное Ттеап1 =Ттеап2 =3,6мс (ІУБУС1 = ЫБУС2 = 3600), что соответствует изменению r{t) на 0,2 единицы модельного времени.
Окончательное накопление и усреднение результатов происходит после объединения результатов обработки в каждом канале. Интервал усреднения блока «Discrete Mean Value 3» Tmean2 = \Suc (NByC3 = 18000), за это время происходит сдвиг зондирующего сигнала на один элемент, входящий в зондирующую последовательность.
Таким образом, на экране ЦО строится огибающая функции, определяемой выражением
