BRPI0601544B1 - Sistema e processo de determinação da velocidade instantânea de um objeto - Google Patents
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Abstract
"sistema e processo de determinação da velocidade instantânea de um objeto". a presente invenção trata de um sistema de determinação em segurança da velocidade de um objeto (1) que circula em uma trajetória conhecida, que compreende: - meios (3, 7) de localização do objeto e de direção de seu deslocamento; - meios (6) de recepção de pelo menos um sinal proveniente de um satélite (4, 5); e - meios (8) de cálculo que compreendem: - meios de medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência do sinal emitido; - meios de determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite por cálculo do efeito doppler; e - meios de cálculo da velocidade instantânea segundo a direção do deslocamento do objeto; e as medidas da defasagem de freqüência são repetidas de modo independente em sinais que provêm de vários satélites, [e os meios de cálculo e de análise compreendem ainda meios de combinação dos resultados obtidos para obter uma velocidade com o nível de segurança desejado.
Description
(54) Título: SISTEMA E PROCESSO DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO (51) Int.CI.: G01P 3/80 (30) Prioridade Unionista: 15/04/2005 FR 05 03803 (73) Titular(es): ALSTOM BELGIUM S.A (72) Inventor(es): JEAN-PIERRE FRANCKART; MAURO BORTOLOTTO
1/11 “SISTEMA E PROCESSO DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE
INSTANTÂNEA DE UM OBJETO”
Campo da Invenção [001] A presente invenção trata de um sistema e de um processo de determinação com segurança da velocidade instantânea de um objeto que circula em uma trajetória conhecida, em particular de um veículo, tal como um trem.
Antecedentes da Invenção [002] O pedido de patente WO 02/03094, depositado em 29 de junho de 2001, descreve um sistema de localização com segurança de um objeto, tal como um trem, a partir das emissões de sinais efetuadas por uma constelação de satélites GNSS (Global Navigation Satellite System - sistema de navegação global por satélite).
[003] No mundo ferroviário, uma localização com segurança é entendida no sentido dado pela norma Cenelec 50129. Trata-se de fornecer um intervalo de localização com uma probabilidade extremamente baixa (10-09 a 10-12) de que o trem possa se encontrar fora desse intervalo.
[004] No que se refere à localização da velocidade instantânea, os sistemas anteriores, baseados classicamente em dispositivos eletromecânicos, apresentam a desvantagem de ser extremamente caros. Eles utilizam, de fato, para melhorar a confiabilidade uma combinação de sensores de rotação de eixos que devem suportar acelerações de mais de 90 g, de acelerômetros mono-eixo e de radares embarcados.
[005] A finalidade da presente invenção é, portanto, propor um sistema de determinação da velocidade instantânea com a segurança requerida pelas ferrovias com um custo muito inferior aos sistemas existentes.
Descrição da Invenção [006] O objeto da presente invenção é, portanto, um sistema de
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2/11 determinação com segurança da velocidade instantânea de um objeto que circula em uma trajetória conhecida, em particular de um veículo, tal como um trem, sistema esse que compreende:
- meios de localização aproximada do objeto e de direção de seu deslocamento;
- meios de recepção de pelo menos um sinal emitido com uma freqüência predeterminada, conhecida do objeto, proveniente de pelo menos um satélite; e
- meios de cálculo e de análise do sinal, que por sua vez compreendem:
- meios de medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência predeterminada do sinal emitido, conectados com
- meios de determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite segundo a direção satélite-objeto por cálculo do efeito Doppler que gerou a defasagem de freqüência; e
- meios de cálculo da velocidade instantânea segundo a direção do deslocamento do objeto, a partir da diferença vetorial determinada anteriormente. As medidas da defasagem de freqüência e os cálculos associados são repetidos de modo independente em sinais que provêm de pelo menos dois satélites diferentes e os meios de cálculo e de análise compreendem ainda meios de combinação dos resultados obtidos independentemente, para obter uma velocidade instantânea com o nível de segurança desejado.
[007] Outras características da presente invenção são:
- os meios de cálculo e de análise do sinal do objeto estão adaptados à determinação da defasagem de freqüência devida ao efeito Doppler de dois sinais que provêm, cada um, de dois satélites distintos, e os meios de determinação da velocidade instantânea do objeto estão adaptados
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3/11 para determinar essa velocidade a partir da defasagem de freqüência dos dois sinais;
- ele utiliza os sinais provenientes de quatro satélites, e os meios de combinação que utilizam as velocidades instantâneas obtidas pelos meios de cálculo a partir de seis pares de satélites, sendo que cada satélite pertence a pelo menos um par;
- os meios de cálculo e de análises do sinal compreendem ainda meios de referenciamento temporal estáveis, e os meios de determinação da velocidade instantânea do objeto estão adaptados para determinar essa velocidade a partir da defasagem de freqüência devida ao efeito Doppler de um único sinal proveniente de um único satélite;
- ele utiliza os sinais provenientes de três satélites; e
- ele compreende meios de recepção do sinal situados em dois pontos distintos desse objeto aptos a receber simultaneamente nesses dois pontos o sinal, sendo que os referidos meios de recepção estão conectados a meios de cálculo do caminho percorrido pelo sinal, aptos a determinar que o sinal chegou aos dois pontos dos meios de recepção por caminhos diferentes e a eliminar, então, durante um tempo predeterminado, o satélite emissor desse sinal da lista dos satélites nos quais os cálculos de velocidade definidos anteriormente são permitidos.
[008] Outro objeto da presente invenção é um processo de determinação da velocidade instantânea de um objeto que circula em uma trajetória conhecida, que compreende as etapas de:
- determinação da localização aproximada e da direção de deslocamento do referido objeto;
- recepção de pelo menos um sinal emitido com uma freqüência predeterminada conhecida do objeto, proveniente de pelo menos um satélite;
- medida da freqüência do sinal recebido pelo objeto;
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4/11
- medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência predeterminada do sinal emitido;
- determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite segundo uma direção satélite-objeto, por cálculo do efeito Doppler que gerou a defasagem de freqüência; e
- cálculo da velocidade instantânea do objeto segundo a direção de deslocamento do objeto a partir da velocidade instantânea determinada anteriormente.
Breve Descrição dos Desenhos [009] A presente invenção será mais bem compreendida com a descrição que será feita a seguir, dada unicamente a título de exemplo, em relação aos desenhos anexos, nos quais:
- a figura 1 é um esquema sinótico de um modo de realização particular da presente invenção;
- a figura 2 é um esquema sinótico dos meios de cálculo e de análise do sinal;
- a figura 3 é um esquema que ilustra a composição das velocidades; e
- a figura 4 é um esquema sinótico de uma variante de realização da presente invenção.
Descrição de Realizações da Invenção [010] O sistema de determinação da velocidade instantânea é descrito em relação à figura 1.
[011] Considere-se, a título de exemplo, um objeto (1), supostamente um trem que circula em uma trajetória conhecida (2).
[012] Ele compreende meios (3) de localização de tipo dos descritos no pedido PCT WO 02/03094 e, portanto, capazes de determinar com segurança a posição do trem (1) na via a partir de sinais provenientes de uma
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5/11 constelação de satélites GNSS (4, 5) e da cartografia da rede na qual o trem circula.
[013] O trem (1) é dotado de meios (6) de recepção dos sinais emitidos por esses satélites (4, 5). Esses meios de recepção compreendem antenas e módulos eletrônicos que funcionam em hiperfreqüência, como é bem conhecido do técnico no assunto, ligados aos meios (3) de localização para fornecer a eles os sinais provenientes dos satélites (4 e 5).
[014] Os meios de localização (3) estão conectados a uma base de dados (7) cartográfica da rede ferroviária. Essa base de dados representa classicamente vias em forma de uma sucessão de segmentos de reta e cada extremidade dessas retas está expressa no sistema de coordenadas WGS84 do sistema GNSS.
[015] Como explica o pedido de patente WO 02/03094, esses meios de localização (3) dão um intervalo de localização do trem com uma probabilidade inferior a 10-9 de que o trem possa se encontrar fora desse intervalo.
[016] Esse intervalo de localização permite determinar a direção de deslocamento.
[017] Em função do percurso da via, a direção de deslocamento é afetada por uma imprecisão angular variável. Essa imprecisão está ligada a dois fatores:
- a imprecisão da base de dados cartográfica uma vez que, como foi dito anteriormente, a via é modelizada em forma de uma sucessão de segmentos de reta; e
- a imprecisão ligada à localização. De fato, se o intervalo de localização corresponder a uma seção de via retilínea, nesse caso a direção é perfeitamente conhecida. Em compensação, se a seção de via for curva, o intervalo de localização pode englobar vários segmentos de reta com direções
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6/11 diferentes.
[018] O sinal recebido dos satélites (4, 5) pelos meios (6) de recepção é também transferido para meios (8) de cálculo e de análise desse sinal.
[019] Esses meios compreendem, como se pode ver na figura 2, meios 10 de medida da defasagem de freqüência do sinal recebido, para cada satélite, em relação a um relógio atômico interno (11). Essa defasagem de freqüência é devida ao efeito Doppler provocado pelas velocidades relativas do trem (1) e do satélite.
[020] Esses meios 10 de medida estão, portanto, conectados a meios (12) de determinação da diferença vetorial das velocidades do trem e do satélite segundo a direção satélite-objeto por cálculo do efeito Doppler, que gerou a defasagem de freqüência, que estão por sua vez conectados a meios 13 de cálculo da velocidade instantânea segundo a direção do deslocamento do objeto a partir da velocidade instantânea determinada anteriormente.
[021] De fato, essa defasagem de freqüência é gerada pelo efeito Doppler segundo a fórmula:
fR = fr (1 - Vr * a) (1) c em que fR é a freqüência do sinal recebido, fr a freqüência do sinal transmitido pelo satélite, e vr é o vetor velocidade relativa satélite-objeto, figura 3, a é o vetor unitário que aparece ao longo da linha que vai do objeto em direção ao satélite denominada linha de vista, e c a velocidade da luz.
[022] O produto vr * a corresponde à projeção do vetor velocidade relativa sobre a linha de vista do satélite.
[023] O vetor Vr da velocidade relativa corresponde à diferença dos vetores velocidade do satélite vs e do vetor velocidade do objeto vo:
Vr = Vs - Vo (2)
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7/11 [024] Os meios (12) de determinação da diferença vetorial das velocidades compreendem meios (12A) de cálculo da velocidade vs do satélite por uso das informações de efeméride e do modelo orbital do satélite por informações que são tele carregadas dos satélites durante uma etapa anterior.
[025] Eles compreendem também meios (12B) de cálculo do vetor a unitário da linha de vista a partir da posição do objeto e da posição do satélite.
[026] Os meios (12) de determinação da diferença vetorial das velocidades do trem (1) e do satélite de acordo com a direção satélite-objeto, ou seja de ( vs - vo) * a calculam esta última pela equação:
Af = fR- fr = - fr - (vs - vo) * a (3) c
que é deduzida das equações (1) e (2).
[027] Os meios (13) de cálculo da velocidade instantânea do trem segundo a direção de deslocamento do trem são efetuados a partir da velocidade instantânea do objeto segundo a direção satélite-objeto, determinada anteriormente, ou seja, vo * a, e do valor do setor a expresso no referencial local da via (em que a velocidade do trem é uma componente única ao longo da via).
[028] Essas medidas e cálculos são repetidos para vários satélites diferentes de modo independente. A combinação efetuada por meios (14) dos resultados obtidos permite, então, determinar um intervalo de confiança da velocidade com uma probabilidade baixa (10-09 a 10-12) de ficar fora.
[029] Assim, três medidas com três satélites diferentes, cada uma delas feita com um intervalo de confiança com uma probabilidade de erro de 10-5 a 10-6, permitem obter uma primeira abordagem, pois são medidas
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8/11 independentes, um intervalo de confiança com uma probabilidade melhor do que 10-15. De fato, constata-se que, devido a certos erros, a probabilidade obtida com os três satélites é da ordem de 10-12 [030] As medições efetuadas com os meios (11) de medida de defasagem da freqüência são afetadas por um certo número de erros, tais como a taxa de defasagem ôto do relógio do receptor em relação ao tempo do sistema, a taxa de defasagem temporal ôtü devida aos fenômenos atmosféricos, ao ruído do receptor, e a taxa de defasagem ôte do relógio do satélite em relação ao tempo do satélite.
[031] No caso de o trem embarcar um relógio atômico, tal como descrito acima, a taxa de defasagem ôto do relógio do receptor pode ser considerada desprezível.
[032] Entretanto, como um relógio atômico é um equipamento relativamente caro, é particularmente vantajoso dispor de um sistema que não requeira seu uso e, portanto, que permita anular o efeito de ôto.
[033] Expressando essa medida de defasagem de freqüência em forma de variação temporal de distância, ou seja, multiplicando a defasagem de freqüência devida ao efeito Doppler pelo comprimento da onda do sinal, então a variação temperatura da distância medida pelo trem-satélite p (em inglês:
“pseudo-range rate”) é tal que p = R + côto - côts + côto (4) em que R é a variação temporal da distância geométrica trem-satélite (em inglês “geometric range rate”).
[034] Sabendo que a taxa de defasagem do relógio do satélite, deduzida a partir da mensagem de navegação do satélite, resume-se a uma constante denominada afi, então:
p = R + cõto - cafi + cõtü (5) [035] Expressando a equação (3) para indicar a variação
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9/11 temporal de distância,
R = Ãrf = Ãrfr ( Vs - Vo) * a = c( Vs - Vo) * a = ( Vs - Vo)_* a (6) c c [036] Por definição, essa variação temperatura de distância é igual a -Ã * Doppler.
[037] Assim, a variação temporal de distância medida p é expressa como menos o produto do comprimento de onda do sinal pelo efeito
Doppler, determinado pelo receptor (L1 Doppler), p = - λ - Li doppler [038] Então, a combinação das equações (5) e (6) dá: vo * a = vs * a + λτ - Lidoppler + cõto - cafi + cõíd (7) [039] Utilizando os sinais provenientes de dois satélites s1 e s2 e combinando as equações (7) correspondentes, obtém-se:
Vo * ( as2 - asi) = Vs2 * as2 - Vsi * asi + Ãr(LiDopplers2 - LiDoppIersi)
- c(afiS2 - afisi) + c(ôtDS2 - õdsi) [040] A taxa de defasagem ôto, proveniente do relógio receptor é eliminado.
[041] Assim, os meios (12) de cálculo da diferença vetorial utilizam a defasagem de freqüência relativa devido ao efeito Doppler de dois sinais que provêm cada um de dois satélites distintos para eliminar a defasagem ligada ao relógio receptor, permitindo, assim, não utilizar um relógio de precisão, tal como um relógio atômico, no trem (1).
[042] Entretanto, para obter a precisão necessária a uma determinação com segurança da velocidade, as medidas feitas com os sinais de pelo menos três satélites são necessárias quando se utiliza um relógio atômico, como explicado anteriormente.
[043] Para obter o mesmo grau de precisão sem o uso de um relógio atômico e, portanto, utilizando os cálculos relativos a dois satélites
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10/11 explicados acima, é preciso utilizar uma constelação de pelo menos quatro satélites que formam, portanto, seis pares diferentes, a fim de dispor do equivalente a três pares de medidas diferentes.
[044] O processo de determinação da velocidade instantânea de um objeto que circula em uma trajetória conhecida compreende as etapas de:
- determinação da localização aproximada e da direção do deslocamento do referido objeto;
- recepção de pelo menos um sinal emitido com uma freqüência predeterminada, conhecida do objeto, proveniente de pelo menos um satélite;
- medida da freqüência do sinal recebido pelo objeto;
- medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência predeterminada do sinal emitido;
- determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite segundo a direção satélite-objeto por cálculo do efeito Doppler que gerou a defasagem de freqüência; e
- cálculo da velocidade instantânea do objeto segundo a direção de deslocamento do objeto a partir da velocidade instantânea determinada anteriormente.
[045] Todos os cálculos anteriores foram feitos supondo-se que o sinal segue um caminho direto entre o satélite e o trem.
[046] Ora, é fato conhecido que as ondas podem se refletir sobre certas superfícies e, portanto, que é possível que o trem receba um sinal refletido em vez do sinal direto.
[047] Percebe-se que isso traz um nível de erro adicional mascarando a defasagem de freqüência do sinal recebido.
[048] Ora, esse fenômeno de “caminho alternativo” só ocorre em um ambiente particular como a passagem em uma zona urbana.
[049] Um meio de eliminar os sinais provenientes de “caminho
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11/11 alternativo” consiste em instalar duas antenas em pontos distintos do trem, tipicamente separadas por uma distância de cerca de vinte metros.
[050] Efetuando uma medida do efeito Doppler nos sinais recebidos simultaneamente em cada antena, determina-se se essa medida é diferente ou não.
[051] Se ela for diferente, isso significa que o sinal recebido por uma das duas antenas provém de um “caminho alternativo”.
[052] De fato, como mostra a figura 4, ao avançar o trem penetra, por exemplo, em uma zona na qual se encontra um imóvel (25). Nesse momento, a antena (20) não capta mais o sinal direto proveniente do satélite (4), ao contrário da antena (21), mas um sinal refletido por esse imóvel (25).
[053] Alguns momentos depois, depois que o trem avançou, a segunda antena (21) penetra por sua vez na zona do imóvel (25).
[054] Nesse momento, como as duas antenas captam o mesmo sinal refletido pelo imóvel (25), os meios de medida não detectam mais uma diferença entre os dois sinais.
[055] Consequentemente, prevê-se uma temporização em forma de um prazo e de uma distância percorrida durante a qual o sinal proveniente do satélite (4) não é utilizado, e essa temporização é reinicializada a cada observação de uma divergência. O satélite (4) no exemplo só será reutilizado depois que um certo período de medida coerente tiver sido observado e/ou que o trem tenha percorrido uma certa distância sem que uma divergência seja observada. Podem-se associar ainda outras condições.
[056] O sistema e o processo assim descritos permitem, portanto, vantajosamente determinar a velocidade de um trem com os níveis de segurança exigidos. Ele tem, portanto, um custo muito inferior aos sistemas anteriores, pois não utiliza nenhuma peça mecânica sujeita a constrições ambientais intensas.
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Claims (7)
- Reivindicações1. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO (1) que circular em uma trajetória conhecida (2), sendo que o referido sistema compreende:- meios (3, 7) de localização aproximada do objeto e de direção de seu deslocamento;- meios (6) de recepção de pelo menos um sinal emitido com uma freqüência predeterminada, conhecida do objeto, proveniente de pelo menos um satélite (4, 5); e- meios (8) de cálculo e de análise do sinal, que por sua vez compreendem:- meios (10) de medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência predeterminada do sinal emitido, conectados com- meios (12) de determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite segundo a direção satélite-objeto por cálculo do efeito Doppler que gerou a defasagem de freqüência; e- meios (13) de cálculo da velocidade instantânea segundo a direção do deslocamento do objeto a partir da diferença vetorial determinada anteriormente, caracterizado pelo fato de que as medidas da defasagem de freqüência e dos cálculos associados são repetidas de modo independente em sinais que provêm de pelo menos dois satélites diferentes, e pelo fato de que meios (8) de cálculo e de análise compreendem ainda meios (14) de combinação dos resultados obtidos independentemente, para obter uma velocidade instantânea com o nível de segurança desejado.
- 2. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO, de acordo com a reivindicação 1,Petição 870170078143, de 13/10/2017, pág. 23/262/3 caracterizado pelo fato de que os meios (8) de cálculo e de análise do sinal do objeto estão adaptados à determinação da defasagem de freqüência devida ao efeito Doppler de dois sinais que provêm cada um de dois satélites (4, 5) distintos, sendo que os meios (13) de determinação da velocidade instantânea do objeto estão adaptados para determinar essa velocidade a partir da defasagem de freqüência dos dois sinais.
- 3. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que se utiliza os sinais provenientes de quatro satélites, sendo que os meios (14) de combinação utilizam velocidades instantâneas obtidas por meios (13) de cálculo a partir de seis pares de satélites, e cada satélite pertence a pelo menos um par.
- 4. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE UM OBJETO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios de cálculo e de análise do sinal compreendem ainda meios de referenciamento temporal estáveis, sendo que os meios de determinação da velocidade instantânea do objeto estão adaptados para determinar essa velocidade a partir da defasagem de freqüência devida ao efeito Doppler de um único sinal proveniente de um único satélite.
- 5. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE UM OBJETO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os sinais são provenientes de três satélites.
- 6. SISTEMA DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO, de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende meios de recepção do sinal situados em dois pontos distintos desse objeto aptos a receber simultaneamente nesses dois pontos o sinal, sendo que os referidos meios de recepção estão conectados a meios de cálculo do caminho percorrido peloPetição 870170078143, de 13/10/2017, pág. 24/263/3 sinal aptos a determinar que o sinal chegou aos dois pontos dos meios de recepção por caminhos diferentes e a eliminar então durante um tempo predeterminado o satélite emissor desse sinal da lista dos satélites nos quais os cálculos de velocidade definidos anteriormente são permitidos.
- 7. PROCESSO DE DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE INSTANTÂNEA DE UM OBJETO (1), que circula em uma trajetória conhecida (2), caracterizado por utilizar um sistema conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, sendo que o método compreende as etapas de:- determinação da localização aproximada e da direção de deslocamento do referido objeto;- recepção de pelo menos um sinal emitido com uma freqüência predeterminada conhecida do objeto, proveniente de pelo menos um satélite;- medida da freqüência do sinal recebido pelo objeto;- medida da defasagem da freqüência do sinal recebido em relação à freqüência predeterminada do sinal emitido;- determinação da diferença vetorial das velocidades do objeto e do satélite segundo uma direção satélite-objeto por cálculo do efeito Doppler que gerou a defasagem de freqüência; e- cálculo da velocidade instantânea do objeto segundo a direção de deslocamento do objeto a partir da diferença vetorial determinada anteriormente.Petição 870170078143, de 13/10/2017, pág. 25/261/22/2
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