1
Aleš Filip, Lubor Bažant, Hynek Mocek
Vlakový polohový lokátor na principu GPS/GNSS pro zabezpečovací techniku
Klíčová slova: GPS, DGPS, GLONASS, GNSS-1, GNSS-2, GALILEO, APOLO.
1. Inteligentní vlaky Očekává se, že začátek nového století přinese několik nových konceptů s cílem zvýšit bezpečnost a produktivitu práce na železnici a též kvalitu služeb pro její zákazníky. Tyto koncepty jsou převážně založeny na pronikání telekomunikačních a informačních technologií do prostředí železnice. Jedním z těchto konceptů je vybudovat systémy pro zabezpečení a řízení vlaků pokud možno nezávislé na zařízení umístěném podél tratí. Cílem těchto konceptů je přenést proces rozhodování a řízení z dispečerských center i na vozidla a vytvořit takzvané distribuované inteligentní systémy řízení vlaků. Jinými slovy je třeba dát vozidlům jistý stupeň inteligence.V konečném výsledku by měl tento koncept znamenat nižší investiční a provozní náklady, což učiní železnice více konkurence schopné vzhledem k ostatním druhům dopravy. Klíčovým prvkem tohoto konceptu je vlakový polohový lokátor založený na satelitní navigaci, který je schopen určit polohu vlaku kdykoliv a kdekoliv na trati s požadovanou přesností, dostupností, integritou risku a ostatními důležitými parametry týkajících se bezpečnosti. Současné samostatné satelitní systémy GPS a GLONASS nesplňují tyto přísné požadavky bezpečnosti. Ani integrace kombinovaných přijímačů GPS/GLONASS s inerciálními navigačními systémy (INS) tyto požadavky nesplňuje. Avšak vhodným kandidátem pro tyto aplikace se jeví evropský navigační systém GALILEO (GNSS-2), který má být vytvořen během let 2000-2008. Evropská komise, ESA, UIC a další organizace tyto záměry velmi podporují. Tento článek je příspěvkem k definici požadavků z hlediska bezpečnosti na systém GALILEO vzhledem k jeho budoucímu použití v aplikacích kritických z hlediska bezpečnosti na železnici. Pro experimenty týkající se určování polohy kolejových vozidel byly využity komerčně dostupné přijímače GPS/GLONASS, aby byla demonstrována jejich možná použitelnost v zabezpečovací technice. Dosažené experimentální výsledky byly detailně analyzovány s ohledem na záměry evropských organizací použít GALILEO v zabezpečovací technice a systémech pro řízení vlaků. ______________________________________________________________________________ Ing. Aleš Filip, CSc. - VUT Brno (1983), ČVUT Praha (1988), University of Tokyo, Institute of Industrial Science (1993-95), ČD SŽT, vedoucí laboratoře. Dr. Ing. Lubor Bažant - ČVUT Praha (1992), ČVUT Praha (1999) , ČD SŽT (1996), systémový specialista. Ing. Hynek Mocek - ČVUT Praha (1996), Technická univerzita Liberec (1997), ČD SŽT (1997), SW specialista.
2
2 Satelitní navigace pro zabezpečovací techniku 2.1. Potřeby železnice V současné době mnoho dodavatelů informačních a telekomunikačních technologií nabízí železničnímu průmyslu relativně levné samostatné „nediferenční “ systémy pro určení polohy vlaků na principu GPS. Jsou určeny především pro regionální jednokolejné trati za účelem „zvýšení bezpečnosti“. Dodavatelé obvykle obhajují své obchodní návrhy s následnou argumentací. Přesnost několika desítek metrů (30 m v 95% času) zmíněného systému je dostatečná pro zastavení vlaku v případě potencionálního nebezpečí na trati mezi železničními stanicemi. I když je poloha vlaku dočasně nedostupná v důsledku ztráty signálu GPS, je systém schopen si zapamatovat poslední polohu před vjezdem do oblasti bez signálu GPS. Takto je dispečer schopen „odhadnout“ úsek trati, na které se vlak nachází. Navzdory těmto „argumentům“ mnoho železničních operátorů tyto návrhy odmítá. Proč ? Jsou si totiž vědomi toho, že na trati jsou obvykle i nějaké železniční stanice. A dispečer musí vědět, na které ze staničních kolejí se vlak nachází. Současná zabezpečovací technika a postupy garantují tyto funkce na jistém stupni bezpečnosti, přestože jsou mnohdy zabezpečovací zařízení zastaralá a překonaná. Výše uvedené „komerčně dostupné“ GPS systémy na určování polohy vlaků nejsou schopny s vysokou pravděpodobností (99.9999%) rozlišit, na které z paralelních tratí se vlak nachází. Kromě toho integrita, dostupnost, čas výstrahy a další parametry důležité z hlediska bezpečnosti jsou zcela opomíjeny. Je zřejmé, že i provozovatel satelitního navigačního systému musí garantovat takové parametry systému, které jsou důležité pro bezpečnost na železnici. Tato služba však doposud nebyla železnici nabídnuta. Proto tyto systémy nemohou být v žádném případě použity pro zabezpečení jízdy vlaků. Nicméně, v současné době jsou komerčně dostupné kvalitní diferenční přijímače GPS, včetně inerciálních senzorů. Proto v těchto počátečních fázích výzkumu a vývoje může být vlakový polohový lokátor testován nezávisle na současném zabezpečovacím zařízení jako součást tzv. dispečerských nástrojů. Tato strategie na rozdíl od předcházející je pro mnoho železničních provozovatelů již přijatelná. Je žádoucí, aby satelitní aplikace týkající se bezpečnosti na železnici byly vyvinuty dříve, než bude uveden do provozu systém GALILEO, tj. před rokem 2008. 2.2 Detekce směrování vlaků na výhybce Nejdůležitější funkcí vlakového lokátoru je jeho schopnost poskytnout velice spolehlivé informace o okamžité poloze vlaku během jeho směrování na výhybce. Dva základní modely detekce směrování vlaku jsou zkoumány v další části. Dvourozměrný model, který se týká určení polohy ve dvou dimenzích a dále jednorozměrný model, jenž pro účely detekce směrování využívá informaci o směrovém úhlu. Je zřejmé, že tyto informace musí být v budoucnu poskytovány systémem s architekturou fail-safe.
3
2.2.1 Dvourozměrný model Výrobci přijímačů GPS obvykle specifikují horizontální přesnost GPS přijímačů pomocí veličiny 2 drms (drms- distance root mean square), která představuje úroveň pravděpodobnosti od 95 do 98 %, v závislosti na geometrii satelitního systému, typu rozptylu naměřené polohy, atd. Tabulka 1: Přesnost přijímače GPS – 2 drms vzhledem k 5 drms. Přesnost (2drms)[m] Přesnost (5drms)[m]
1.0 1.5 2.0 5.0 10 15 2.50 3.75 5.00 7.50 25.0 37.5
Například pro GPS přijímače s přesností jednoho metru (2 drms) je možné odvodit následující tři vztahy: 3 drms – přesnost +/-1.5 m v přibližně 99.7 % času, 4 drms – přesnost +/-2.0 m přibližně v 99.99 % času, 5 drms – přesnost +/- 2.5 m v přibližně 99.9999 % času. Přesnost, která odpovídá 5drms, je uvažována jako minimální hodnota pro účely detekce směrování vlaků s dostatečnou pravděpodobností. Tabulka č. 1 představuje vztah mezi přesnostmi specifikovanými pomocí 2 drms a 5 drms pro různé diferenční přijímače. Minimální osová vzdálenost mezi paralelními kolejemi je 3,8 metru. Obvyklá osová vzdálenost se ve stanicích pohybuje mezi 4,5 až 5 metry. Proto se zdá, že určení polohy vozidla pomocí satelitů by mělo splňovat přísné požadavky a rozlišit s velkou pravděpodobností, na které ze dvou paralelních kolejí se vlak nachází. Nicméně, je nutné dodat, že přesnost 1 metr (2 drms) může být dosažena za následujících podmínek: dobrá viditelnost satelitů (6 nebo více), dobrá geometrie satelitů nad horizontem (PDOP menší než 1,5), přijímač musí pracovat v diferenčním módu, apod. V případě běžně dostupných a levných diferenčních přijímačů, jež dosahují přesnosti 10-15 metrů (2drms), je zřejmé, že dvourozměrný model nemůže být použit pro určení směrování vlaku. Aby mohl být použit GPS přijímač s horší přesností (přesnost 10 metrů při 2drms), byl ve zprávě [1] navrhnut jednorozměrný model. 2.2.2 Jednorozměrný model Jednorozměrný model je založen na myšlence, že se vlak pohybuje pouze po určených kolejích. Vykolejení se pochopitelně nepovažuje za běžný stav. Znamená to, že vlak jezdí po předem známé trajektorii (předem vyměřené např. s centimetrovou přesností) a může změnit směr svého pohybu jedině na přesně známých místech – výhybkách. Protože přijímače GPS poskytují jako výstupní informaci kromě polohy též směrový úhel pohybu, byl tento směrový úhel navržen jako základní informace pro detekci přechodu z jedné koleje na druhou. Ze všech známých situací změny směru vlaku je nejtěžší detekovat přechod vozidla mezi dvěma paralelními kolejemi. Minimální délka trati, která se může použít pro určení směrování mezi dvěma paralelními kolejemi, je přibližně 30 m. Podél tohoto relativně krátkého úseku trati musí přijímače GPS a senzory INS dát odpověď, jestli vlak přejel z jedné koleje na druhou, nebo ne. Níže uvedené experimentální výsledky dávají odpověď, který z modelů je více přijatelný pro použití v zabezpečovací technice a jaká přesnost GPS přijímače je vyžadována.
4
3 Metody ověřování Aby bylo možné ověřit výše uvedené předpoklady a požadavky týkající se satelitní detekce směrování a určení polohy vlaků, je důležité přesně určit skutečnou polohu kolejového vozidla a to s velkou přesností, nezávisle na určování polohy pomocí satelitů. Toto je velmi důležité, protože potom vlakový polohový lokátor může být testován jak na úsecích trati s dobrým příjmem signálu od GPS satelitů, tak i na úsecích trati s horším příjmem GPS signálu, nebo dokonce žádným signálem. Metodika ověřování, která je navržena v tomto článku, je založena na interpolaci přesně zaměřených úseků trati za použití analytických matematických vzorců. Okamžitá poloha vozidla na zkušební trati je počítaná v reálném čase na základě informace o ujeté vzdálenosti poskytované odometrem. Referenční poloha je počítána v souřadnicích x, y. Obr. 1: Analytický popis zkušební trati. x7,y7
oblast s dobrým příjmem signálu od navigačních satelitů x10,y10
c2xc2y
R2 x3,y3
x3,2y3,2
tři paralelní koleje
x5,y5 křižovatková výhybka
x4,y4
d3,2
x9,y9
jednoduchá výhybka
x6,y6
∆ϕ3,2
oblast s omezeným příjmem signálu od navigačních satelitů R1 ϕ 3
ϕ2 c1xc1y
∆ϕ2,3 x2,3y2,3 d2,3
y 0,0
Legenda: xi,yi ....zaměřené body na ose koleje di,j ..... ujetá vzdálenost měřená odometrem Ri ......poloměr traťového oblouku cixciy... střed traťového oblouku
R1 dozadu
x2,y2
x
d2,1
ϕ1 x2,1y2,1
dopředu x1,2y1,2
d1,2
x1,y1
Na obr. 1 je schematicky uvedena mapa zkušební trati. Zkušební trať je rozdělena na řadu úseků, které jsou interpolovány přímkami a oblouky kružnic. Vzorce, které interpolují referenční dráhu pro směr jízdy dopředu a dozadu, jsou uvedeny v Dodatku. Je nutné připomenout, že z důvodu jednoduchosti jsou uvedené vzorce odvozeny pro nulový sklon trati. Při skutečném měření na trati je nutné do vzorců začlenit závislost na klesání popř. stoupání, abychom se vyhnuli zavedení chyb do výpočtu polohy. Jestliže je skutečný tvar trati více komplikovaný (jako například na výhybkách), může být trať rozdělena na větší počet úseků, které je možné aproximovat pomocí polynomů. Ve mnoha případech jsou postačující polynomy třetího stupně. U interpolované osy koleje může být dosažena přesnost +/- 2 cm.
5
Aby při počítání polohy vozidla bylo možné přejít od jednoho souboru vzorců k druhému, je nutné na trať umístit značky, jejichž poloha je známá (určena s chybou +/- 2 cm). Z důvodů dalšího snížení chyby výpočtu polohy způsobené chybou měření ujeté vzdálenosti, je možné na trať nainstalovat další značky a tak rozdělit zkušební úsek do více segmentů.V případě ověřování detekce směrování vlaku na výhybkách nejsou potřebné žádné další značky. Navržená metodika je použitelná pro všechny tvary trati včetně různých typů výhybek. Její přednost spočívá v možnosti nepřetržitého počítání referenční trajektorie v reálném čase s dostačující přesností: méně než +/-5 cm v příčném směru a méně než +/-20 cm v podélném směru. Kromě toho může být výpočet referenční trajektorie synchronizován s přesnými hodinami GPS přijímače. Potom jsou změřené a spočítané referenční polohy (v souřadnicích x, y) poskytovány ve stejném čase. Pro detailní ověření parametrů vlakového lokátoru je tato skutečnost velmi důležitá.
4 Zkoušky V minulosti uskutečnilo specializované pracoviště SŽT řadu zkoušek určení polohy na principu diferenční metody pomocí kombinovaných GPS/GLONASS přijímačů. K tomu byly použity různé typy kolejových vozidel. Praktická zkušenost vyplývající z těchto zkoušek je následující. Pro sledování viditelnosti satelitů podél trati, ověření protokolů a formátů dat mobilní radiové sítě, pozorování vlivu provozních podmínek včetně podmínek klimatických a elektromagnetického rušení jsou nutné dlouhodobé provozní testy na trati o délce několika desítek kilometrů. Na druhou stranu, pro vývoj, detailní a rychlé laboratorní ověření funkce jednotlivých subsystémů vlakového lokátoru jsou výhodnější krátké úseky tratě s výhybkami, nepřevyšující délku několika kilometrů. 4.1 Dlouhodobé provozní ověřování Pro účely dlouhodobých provozních zkoušek satelitního sledování polohy vlaku vybavilo pracoviště SŽT diferenčním GPS lokátorem elektrickou lokomotivu řady 130-023-05 (obr.2). Lokátor sestává z diferenčního přijímače G-12 firmy Ashtech (přesnost 90 cm 2 drms v 95% času) a z radiomodemu 150 MHz/19,2 kbs s vysokofrekvenčním výkonem 5 W. Lokomotiva je také vybavena optoelektronickým odometrem, který je v současné době používán pro zkoušky vlakového lokátoru na principu GNSS/INS. Tyto zkoušky provádí pracoviště SŽT v rámci mezinárodního projektu APOLO a národních projektů GAČR a MŠMT. Lokomotiva je řazena do osobního vlaku, který jezdí denně na elektrifikované trati PardubiceHradec Králové-Choceň s celkovou délkou kolejí asi 100 km. Osa tratě byla vyměřena za použití diferenčního kombinovaného (GPS/GLONASS ) přijímače GG-24 s následným zpracováním naměřených dat pomocí programového balíku WINPRISM. Chyba zaměření osy koleje se většinou pohybovala v rozmezí +/- 3 cm. Na některých úsecích trati s horším příjmem signálu od GPS satelitů byla dosažena přesnost +/- 20 cm. Zbytek trati nemohl být zaměřen vůbec v důsledku velmi špatného příjmu signálu GPS. Proto byly použity klasické mapy trati s přesností +/- 20 cm od SŽG Praha. Trať byla pokryta radiovou sítí s časovým dělením (TDMA), která sestává z osmi základnových stanic firmy RACOM. Architektura této sítě je uvedena na obr. 3. Síť slouží pro obousměrný přenos dat mezi lokomotivou a laboratoří SŽT a je určena výhradně pro potřeby výzkumu a vývoje pracoviště SŽT. V současné době není na ČD dostupná žádná jiná digitální radiová síť.
6
Z dnešního pohledu se zdá být vhodným kandidátem pro účely satelitního určování polohy kolejových vozidel digitální radiová síť GSM-R, zejména s ohledem na mezinárodní použití.
(a) (b) Obr. 2: Polohový lokátor DGPS instalovaný na elektrické lokomotivě 130 023-5: (a) anténa na střeše vozidla, (b) lokátor v kabině – předešlý prototyp. Pro korigování systematických chyb v poloze přijímá palubní přijímač G-12 korekční signál RTCM-104 vysílaný z referenční stanice GG-24 (GPS+GLONASS). Tato stanice je umístěná v laboratoři SŽT v Pardubicích. Vlakový lokátor vysílá zpět do laboratoře zprávy NMEA-183 GGA. Zpráva GGA obsahuje informace o poloze lokomotivy, počtu přijatých GPS satelitů, Obr. 3: Radiová síť pro zkoušky vlakového lokátoru. žst. Hradec Králové nádražní věž (výška 40 m)
Třebechovice pod Orebem 13 km
Týniště nad Orlicí 8 km
22 km žst. Pardubice
8 km Borohrádek
radiová digitální síť TDMA, 19,2 kbs/ 150.225MHz/ 5 W
5 km
Laboratoř inteligentních systémů 1 km
Klíč:
nádraží - hotel (výška 30 m)
220 V/ 50 Hz
Umístění radiových základnových stanic podél zkušební tratě.
Zdroj
12 V ss
Nabíječka
Záložní baterie
Čermná nad Orlicí
11 km Choceň
12 V ss
zdroj odolný proti výpadku elektrické energie
7
PDOP, stáří korekcí a další údaje. Lokátor na vlaku může být dálkově konfigurován prostřednictvím radiové sítě a tudíž mohou být do laboratoře vysílány i jiné údaje. Všechna data jsou zaznamenávána v laboratoři a zpracovávána off-line. 4.2 Laboratorní zkoušky Protože je elektrická lokomotiva 130 023-5 začleněna v osobnímu vlaku, není možné z důvodu bezpečnosti modifikovat hardware a software vlakového polohového lokátoru za provozu. To je jedině možné při provozním ošetření a údržbě lokomotivy. Aby bylo možné provádět častější zásahy do hardware a software vlakového lokátoru souvisejícími s vývojovými pracemi a laboratorními zkouškami, SŽT používá i další vozidla, na které lze vlakový lokátor instalovat jako přenosné zařízení. Jedná se zejména o dieselová vozidla MUV-69 a DGKU a dále speciální Obr. 4: Speciální elektrický kolejový vozík pro laboratorní zkoušky.
lehký elektricky poháněný vozík (viz. obr. 4). Lehký kolejový vozík je poháněn elektrickým motorem s výkonem 750 Wattů a je dálkově ovládán RC ovladačem pracujícím v pásmu 35 MHz. Tento vozík je využíván pro zkoušky lokátoru na méně frekventované vlečkové trati Nemošická – jižní v Pardubicích. Tato vlečková trať byla pokryta korekčním signálem RTCM-104 pro kódové měření (zpráva typu 1,31) a dále korekčním signálem pro velmi přesné měření RTK (zpráva typu 18,19). V té časti vlečkové tratě, kde se nachází traťový oblouk o délce cca 600 m v hlubokém zářezu, lze velmi obtížně přijímat signál od navigačních satelitů. Na druhé straně dobrý příjem navigačních satelitů je v místě výhybek a na navazujícím tříkolejném úseku. Zatímco „zastíněná“ část trati je využívána zejména ke zkouškám lokátoru na principu GPS/INS, „otevřená“ část byla využita ke zkouškám detekce směrování vozidla na výhybkách pomocí kombinovaného přijímače GPS/GLONASS, což je popsáno v části 5.
8
Osa této trati byla vyměřena pomocí dvou kombinovaných diferenčních přijímačů GPS/GLONASS umístěných na speciálním tříkolovém kolejovém vozíku. Zaznamenaná data z těchto dvou přijímačů a z přijímače referenčního byla následně zpracována programem WINPRISM. Tímto způsobem bylo možné zaměřit trať v „otevřeném“ úseku s chybou nepřevyšující +/- 2 cm. „Zastíněná“ část trati v oblouku byla vyměřována podobně. Měření bylo však nutné několikrát opakovat s cílem vyloučit nahodilé chyby měření v důsledku příjmu nedostatečného počtu satelitů. Kromě toho bylo možné umístit antény přijímačů GPS/GLONASS i na konstrukcích mostu a parovodu nacházejících se nad zářezem. Tedy v místě s příjmem dostatečného počtu satelitů. Body na ose trati byly promítnuty směrem nahoru do bodů vyměřovaných přijímači GPS/GLONASS na uvedených konstrukcích. Tímto způsobem bylo možné dále zmenšit chybu měření. Tak byly všechny uvedené úseky trati včetně výhybek zaměřeny s přesností +/-3 cm a interpolovány matematickými vzorci, jak je popsáno v části 3. 4.3 Měřící zařízení Kolejový měřící vozík na obr. 4 je vybaven dvěma odometry, jak je zřejmé z uspořádání experimentu na obr. 5. Jeden odometr je určen k výpočtu referenční polohy měřícího vozíku nezávisle na satelitní navigaci. Druhý slouží ke zkouškám fúze dat ze senzorů vlakového lokátoru. Okamžitá diferenční poloha a směr pohybu jsou měřeny prvním přijímačem GG-24. Druhý přijímač GG-24 pracující v přesném modu RTK (+/- 2 cm) poskytuje další informace o poloze, ovšem jenom v „otevřeném“ úseku tratě. Tato informace je důležitá pro ověření schopností určení směru u přijímačů GPS/GLONASS. Podobně, další informace o směru jsou poskytovány laserovým gyroskopem KVH s optickým vláknem. Referenční signál RTCM-104 je
Satelity GPS/GLONASS/GNSS odometr č.1
odometr č. 2 12 pulsů na otáčku DGPS/RTK přijímač č.1, kódový mód
referenční přijímač DGPS/RTK
paměť 4 MB radiomodem
PC č.1 záznam dat laboratoř
radiová síť TDMA 150 MHz, 19.2 kbs
korekční signál RTCM-104, poloha, směr a další údaje
DGPS/RTK přijímač č. 2 RTK mód
ujetá dráha pro fůzi dat
ujetá dráha pro výpočet ref. trajektorie
COM 1 poloha (kódový mód) a směr poloha RTK mód a směr
RTCM-104 COM 1
kolejový vozík
Obr. 5: Uspořádání experimentu.
PC č.2 výpočet trajektorie a řízení pohybu vozidla
PC č.3 měření a záznam údajů
COM 1
paměť 20 MB radiomodem
Lokátor na principu GPS/INS
gyroskop s optickým vláknem
9
přenášen z laboratoře k oběma mobilním přijímačům GG-24 radiovou sítí. Referenční data o poloze a směru jsou počítány pomocí matematických vzorců (popsaných v části 3). 4.4 Cíle a postupy zkoušek Experimentální výsledky uvedené v tomto článku byly získány během testů jednak pomocí diferenčního lokátoru GPS pevně nainstalovaného na elektrické lokomotivě 130 023-5, a dále pomocí přenosného zařízení (viz. obr. 5), které bylo nainstalované na speciálním vozíku (obr. 4). Hlavní pozornost byla věnována experimentálnímu ověřování schopnosti přijímače GG-24 určit směr pohybu vozidla na výhybkách. Dále pak vzhledem k budoucím aplikacím v zabezpečovací technice bylo prováděno pozorování viditelnosti satelitů GPS a GLONASS, určení přesné polohy a sledování dalších parametrů za rozdílných podmínek na trati. Experimentálně byly zkoumány dva modely směrování: jednorozměrný a dvourozměrný model. V případě dvourozměrného modelu projížděl kolejový měřící vozík přes výhybku a jeho poloha byla měřena a zaznamenávána přijímačem GG-24. Trajektorie změřená v kódovém módu byla porovnávána s počítanou referenční trajektorií. Podobně, okamžitý směr v závislosti na ujeté vzdálenosti byl zaznamenáván a porovnáván s referenčním směrem počítaným z referenční trajektorie. Z důvodu dalšího nezávislého ověření funkce směrování byl směr pohybu měřen laserovým gyroskopem KVH a data zaznamenávána s frekvencí 10 Hz. Protože přijímač GG-24 poskytuje údaje o naměřené poloze v souřadnicích WGS-84, byly tyto údaje převáděny do souřadnic x, y.
5 Experimentální výsledky V tomto článku jsou uvedeny výsledky, které charakterizují směrování pro následující konfigurace: a) smíšený mód (GPS+GLONASS) diferenčně korigovaný se stářím korekcí RTCM-104 1 sekunda, b) GPS diferenčně korigovaný mód se stářím korekcí RTCM-104 50 sekund a c) okamžitý směr změřený laserovým gyroskopem. Kromě tohoto je ukázána výhoda kombinovaného přijímače GPS/GLONASS při zaměřování tratě v hlubokém zářezu. Nakonec jsou uvedeny výsledky týkající se počtu přijímaných navigačních satelitů v kopcovité krajině na tratích s jednou kolejí a v železničních stanicích. 5.1 Detekce směrování kolejových vozidel Osy kolejí vstupujících (vystupujících) do (z) výhybky byly vyměřeny za použití DGPS s chybou +/- 2 cm a aproximovány za použití kubických polynomů s cílem získat referenční trajektorii. Referenční směr v závislosti na ujeté vzdálenosti byl odvozen z referenční trajektorie. Vzhledem k tomu že se na hraničních bodech dvou přilehlých kubických parabol objevovaly malé rozdíly, které dosahovaly hodnot 1 až 2 cm, referenční trajektorie není spojitá křivka a v referenčním úhlu se objevují malé skoky. Nicméně tyto změny jsou zanedbatelné z hlediska ověřovací metody. Záměrným zvětšováním intervalu generování korekcí RTCM-104 referenčním přijímačem GG-24 v rozmezí 1 až 50 sekund byl simulován pokles v přesnosti mobilního GPS přijímače.
10
5.1.1 Dvourozměrný model detekce směrování – měření polohy Údaje o poloze, průměrný počet přijatých satelitů (SV), PDOP, stáří korekcí (t), a další informace byly získány ze zprávy NMEA-183 GGA. Tyto parametry jsou uvedeny v každém grafu. Níže uvedené výsledky byly dosaženy při rychlosti vozidla 8 km/hod. Obrázek 6 představuje záznam polohy kolejového vozidla při pohybu na výhybce podle konfigurace a). Chyba určení polohy byla menší než 1 metr. Jak vyplývá z tabulky 1, je možné rozlišit s pravděpodobností větší než 99.9999% (v čase), na které ze dvou paralelních kolejí se vozidlo nachází. Naměřená trajektorie podle konfigurace b) je na obr. 7. Přesnost polohy se
700
680
666
reference meas. track 1
664
meas. track 2 662
660
tongue
660
y [m]
658 3518.5 3519
3519.5 3520
3520.5
640
620
600
608 606 track 1
580 3480
track 2 3485
3490
3495
604 3496 3500 3505 x [m]
3510
3497 3515
3498 3520
3525
Obr. 6: Naměřená poloha kolejového vozidla na výhybce. (GPS+GLONASS, SV=10.5, PDOP=1.1, t=1 s)
11
Obr. 7: Naměřená poloha kolejového vozidla na výhybce. (GPS, SV=7.63, PDOP=1.4, t=50 s)
Obr. 8: Naměřený směr kolejového vozidla na výhybce. (GPS+GLONASS, SV=10.5, PDOP=1.1, t=1 s)
12
Obr. 9: Naměřený směr kolejového vozidla na výhybce. (GPS, SV=7.63, PDOP=1.4, t=50 s)
208 207 206 track 1
heading [deg]
205 204 203 202
track 2
201 200 199 198
0
20
40
60
80
100
d [m]
Obr. 10: Směr pohybu kolejového vozidla na výhybce měřený gyroskopem. zhoršila přibližně na 10 metrů. Tato přesnost není postačující pro detekci směru v rámci dvourozměrného modelu. Stáří korekcí 60 sekund zvětšuje chybu měření na úroveň 15 metrů a pro detekci směrování vlaku není použitelné vůbec. Z dalších experimentů, které nejsou v tomto článku graficky prezentovány vyplývá, že stáří korekcí do 15 sekund nezavádí pozorovatelné snížení přesnosti přijímače GG-24 v módu GPS. Stáří korekcí 30 sekund zvětšuje chybu na 2
13
metry. Z důvodu úspory kapacity radiového kanálu se jeví jako optimum doručovat korekce RTCM-104 každých 5 sekund. 5.1.2 Jednorozměrný model detekce směrování – měření směru Přijímač GG-24 poskytuje informaci o směru pohybu ve zprávě NMEA-183 VTG. Obrázky 8 a 9 ilustrují naměřené směry přijímačem GG-24 v závislosti na ujeté dráze podle konfigurací a) a b). Obrázek 10 představuje změřený úhel směru pomocí gyroskopu KVH. V případě a) je naměřený směr vhodný pro detekci směrování. Jestliže bylo zavedeno stáří korekcí 50 sekund, což odpovídá zhruba 10-ti metrové chybě v poloze, naměřený směr byl nepřesný do té míry, že nemohl být použit na určení směrování vozidla (viz obr. 9). Jak vyplývá z ostatních testů, je pro detekci směrování přijatelné stáří korekcí do 30 sekund. Jak je zřejmé z obr. 10, gyroskop KVH poskytuje při měření směru na výhybce velmi dobrou reprodukovatelnost. 5.2 Viditelnost satelitů podél tratě GPS přijímače umístěné na vlaku projíždějícím po jednokolejné trati v rovinaté krajině lesem obvykle přijímají signál ze dvou až pěti satelitů. Občas GPS přijímače nemohou vůbec spočítat polohu (viditelné jsou pouze 2 nebo 3 satelity), anebo je chyba diferenčně korigované polohy zvýšena z jednoho metru na několik desítek metrů. Podobná situace nastává na trati v kopcovitém terénu s hlubokými zářezy a vysokými úbočími podél tratě. Avšak v kopcovitém terénu je na trati mnohem více míst, kde GPS přijímač není schopen vůbec určit polohu vlaku. Jestliže je šíření satelitního signálu blokované stromy bez listů, např. v zimním období, potom lze přijmout navíc signál od dvou až tří satelitů. GLONASS obvykle zvýší počet viditelných satelitů o jeden až tři. Ve stanicích na zhlaví, kde je kolejiště širší a obloha otevřenější, než je tomu na jednokolejné trati vedoucí lesem, je možno přijímat signál od šesti a více GPS satelitů. To platí přibližně stejně pro stanice jak v kopcovitém, tak i rovinatém terénu. V některých stanicích může být příjem satelitního signálu ještě lepší. GLONASS opět přidá signál od jednoho do čtyř satelitů. Toto je důležité pro určení směrování vlaku. Na dvoukolejném koridoru je většinou situace podobná té ve stanicích. Ačkoli současná konstelace GLONASSu sestává pouze z 11 fungujících satelitů, jeho přínos je pro železniční aplikace velmi pozitivní. Především pro mapování tratí v hlubokých zářezech, jak je zřejmé na obr. 11.
14
1540 track GPS + GLONASS
1535
GPS 1530 y 1525 [m ] 1520 1515 1510 1505 3660
3665
3670
3675
3680 x [m]
3685
3690
3695
3700
Obr. 11: Rozdíl mezi trasami vyměřovanými za použití GPS a GPS+GLONASS (GPS SV – 4.5, GPS+GLONASS SV – 7.5)
6. Závěr Výsledky zkoušek uvedené v tomto článku ukazují, že pro budoucí použití v zabezpečovací technice a dalších železničních aplikacích kritických z hlediska bezpečnosti je zapotřebí přijímač GPS s chybou jednoho metru (2 drms, 95% času). Tento přijímač poskytuje informace o poloze a směru, které mohou být použity k detekci směrování vlaku na výhybce. Přijímače GPS s touto přesností jsou nutné i pro další aplikace, jako např. pro určování polohy vozidel při posunu nebo řízení zastavení vlaku u nástupiště. Model detekce směrování podle [1] je v tomto článku zamítnut, protože GPS přijímač s přesností 10 metrů není schopen podávat spolehlivé informace o směrování pro aplikace v zabezpečovací technice. Na druhé straně doporučujeme kombinovat jedno a dvourozměrné modely při integraci GPS s INS, nicméně musí byt použit přijímač GPS s přesností jeden metr. Je zřejmé, že současné navigační systémy GPS a GLONASS nesplňují požadavky z hlediska bezpečnosti na železnici. Navzdory tomu jsou tyto současné satelitní systémy dostačující pro výzkum aplikací kritických z hlediska bezpečnosti. Tyto aplikace by měly být v budoucnosti provozovány pomocí satelitního navigačního systému GALILEO. Které ze základních požadavků týkajících se bezpečnosti by měl systém GALILEO splňovat ? Za prvé je zřejmé, že současné pokrytí signálem ze satelitů GPS/GLONASS je nedostačující pro bezpečnostní aplikace na železnici. Ani GNSS-1, který byl uveden zkušebně do provozu tento rok, nevyřeší problémy s pokrytím. Přestože konečný model nového systému GALILEO
15
nebyl doposud definován, měl by přinést nejméně dalších 21 navigačních satelitů. Pak je možné snadno odhadnout, že přijímač GPS bude schopen přijímat signál nejméně od šesti satelitů na jednokolejné trati. Ten samý přijímač bude schopen přijmout signál nejméně od dvanácti satelitů v kolejišti ve stanici. To je naprosto dostačující počet satelitů pro detekci směrování vlaku ve stanicích. V každém případě se však počítá s detekcí směrování na základě fúze dat i od jiných senzorů, které podstatně zvýší pravděpodobnost určení polohy při směrování. Ačkoliv je satelitní systém GNSS-1 s překryvnou vrstvou EGNOS schopen šířit korekce prostřednictvím satelitů EGNOS, tato funkce se nezdá být rozhodující v aplikacích týkajících se bezpečnosti na železnici. Korekční signál RTCM-104 může být totiž přenášen z pozemní referenční stanice GPS na vlaky prostřednictvím digitální radiové sítě podél tratě, která je i tak nezbytná pro zajištění dalších funkcí moderních zabezpečovacích systémů. Objem dat ve zprávách RTCM-104 je v nejhorším případě 380 Bytů a je možné jej na základě příslušných formátů dat redukovat na polovinu. Jestliže budou takto redukované zprávy poslány na jednotlivé vlaky každých 5 sekund, jak je navrhnuto v části 5.1.1, je zde dostatek volné kapacity k zajištění ostatních zabezpečovacích funkcí. Distribuce korekčních signálů přes satelit EGNOS je již experimentálně ověřována v rámci mezinárodního projektu APOLO (DG-XIII, 4. rámcový program, TELEMATICS) na tratích RENFE a ČD. Pracoviště SŽT specifikovalo i další parametry týkající se bezpečnosti pro systém GALILEO. Tyto parametry jsou následující: dostupnost větší než 99.99% , riziko integrity nejméně 3x10e-9 [1/hodina], riziko kontinuity 4.0x10e-6/30 sekund, čas k vyhlášení výstrahy menší než 1 sekunda. Předpokládá se, že budoucí provozovatelé systému GALILEO budou garantovat tyto bezpečnostní parametry uživatelům na železnici v rámci speciálních služeb. Dodatek Následující vzorce spojitě aproximují referenční trajektorii podél osy koleje (obr. 1). Tyto vzorce jsou odvozeny pro pohyb směrem dopředu i dozadu. Lineární úsek trati 1-2 Směr dopředu: x1, 2 = x1 − d1, 2 cos(ϕ1 ) ; y1, 2 = y1 + d1, 2 sin (ϕ1 )
kde cos(ϕ1 ) = (x1 − x2 )
(x1 − x2 )2 + ( y1 − y2 )2
sin (ϕ1 ) = ( y2 − y1 )
(x1 − x2 )2 + ( y1 − y2 )2
Směr dozadu: x2,1 = x2 + d 2,1 cos(ϕ1 ); y2,1 = y2 − d 2,1 sin (ϕ1 )
16
Kruhový úsek trati 2-3 Směr dopředu:
[ ] + R [sin (ϕ ) cos(∆ϕ ) − cos(ϕ ) sin (∆ϕ )]
x2,3 = c1x + R1 cos(ϕ 2 − ∆ϕ 2,3 ) = c1x + R1 cos(ϕ 2 ) cos(∆ϕ 2,3 ) + sin (ϕ 2 ) sin (∆ϕ 2,3 ) y2,3 = c1 y + R1 sin (ϕ 2 − ∆ϕ 2,3 ) = c1 y
1
2
2,3
2
2,3
kde
(
)
∆ϕ 2,3 = d 2,3 R1 ; cos(ϕ 2 ) = (x 2 − c1x ) R1 ; sin (ϕ 2 ) = y 2 − c1 y R1
Směr dozadu
[ ] + R [sin (ϕ )cos(∆ϕ ) + cos(ϕ )sin (∆ϕ )]
x3, 2 = c1x + R1 cos(ϕ 3 + ∆ϕ 3, 2 ) = c1x + R1 cos(ϕ 3 )cos(∆ϕ 3, 2 ) − sin (ϕ 3 )sin (∆ϕ 3, 2 ) y3, 2 = c1 y + R1 sin (ϕ 3 + ∆ϕ 3, 2 ) = c1 y
kde
1
3
3, 2
(
3
3, 2
)
∆ϕ 3, 2 = d 3, 2 R1 ; cos(ϕ 3 ) = (x3 − c1x ) R1 ; sin (ϕ 3 ) = y3 − c1 y R1
Literatura: Differential GPS: An aid to positive train control. Federal Railroad Administration, Report to the Committees on Appropriations, June 1995.
V Praze, červen 2000
Lektoroval: Ing. Bohumil Nádvorník ČD DDC O14 Ing. František Šebek TESTCOM Praha
Poznámka redakce: Podle názoru našich předních odborníků z oboru telekomunikací je vhodnější používat namísto termínů satelit, satelitní, český ekvivalent družice, družicový.
