EP2388857A1 - Antenne destinée à être embarquée sur un véhicule ferroviaire afin de localiser ledit véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée équipée d'un système de balises au sol - Google Patents

Antenne destinée à être embarquée sur un véhicule ferroviaire afin de localiser ledit véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée équipée d'un système de balises au sol Download PDF

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EP2388857A1
EP2388857A1 EP11305559A EP11305559A EP2388857A1 EP 2388857 A1 EP2388857 A1 EP 2388857A1 EP 11305559 A EP11305559 A EP 11305559A EP 11305559 A EP11305559 A EP 11305559A EP 2388857 A1 EP2388857 A1 EP 2388857A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
beacon
loop
receiver circuit
receiver
Prior art date
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EP11305559A
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German (de)
English (en)
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EP2388857B1 (fr
Inventor
Jacques Orion
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Alstom Transport SA
Original Assignee
Alstom Transport SA
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Publication date
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Publication of EP2388857B1 publication Critical patent/EP2388857B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3225—Cooperation with the rails or the road
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/021—Measuring and recording of train speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/026—Relative localisation, e.g. using odometer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L3/00—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal
    • B61L3/02—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control
    • B61L3/08—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control controlling electrically
    • B61L3/12—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control controlling electrically using magnetic or electrostatic induction; using radio waves
    • B61L3/121—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control controlling electrically using magnetic or electrostatic induction; using radio waves using magnetic induction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
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    • B61L3/12—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control controlling electrically using magnetic or electrostatic induction; using radio waves
    • B61L3/121—Devices along the route for controlling devices on the vehicle or train, e.g. to release brake or to operate a warning signal at selected places along the route, e.g. intermittent control simultaneous mechanical and electrical control controlling electrically using magnetic or electrostatic induction; using radio waves using magnetic induction
    • B61L2003/123—French standard for inductive train protection, called "Contrôle de vitesse par balises" [KVB]

Definitions

  • the invention relates to the location of a railway vehicle along a railway line, using a series of beacons equipping the railway and able to cooperate with an antenna embedded in the railway vehicle.
  • the embedded antenna comprises a first receiver circuit in the form of a single loop and a second receiver circuit in the form of an eight loop, the combination of the two circuits making it possible to pick up the electromagnetic signal carrying information transmitted by the beacon and so accurately determine the moment when the antenna is centered on the ground beacon, and this with great precision: we can locate the vehicle on the railway with a precision of the same order (which can be of the order of or less than ⁇ 5 cm, as required for automatic control rail vehicles in particular).
  • the signal picked up by the second the receiving circuit comprising the loop in eight has two central areas, each approximately bell-shaped, with, between these two central regions, a signal which vanishes on the origin of the reference frame, the cancellation of the signal corresponding to the crossing point of the eight of the loop.
  • the detection of the instant when the on-board antenna is centered on the ground beacon is as follows (schematically): There is a phase shift (a phase change of 180 °) between the two signals picked up when the center (the point of intersection) of the eight loop of the second receiver circuit passes to the right of the center of the beacon on the ground.
  • the method therefore consists in detecting this phase change between the two signals picked up, in order to deduce therefrom the precise moment when the antenna is centered on the beacon, and therefore, to deduce therefrom the location of the vehicle with respect to the railway at a given moment.
  • the presence of secondary lobes on the two signals can induce the detection of phase shifts between secondary lobes, thus "parasitic" phase shifts, which can lead to erroneously detect a centering between the antenna and the beacon.
  • a predetermined power threshold which is above the maximum power of the side lobes of the two signals picked up by the antenna: the detection is thus filtered, eliminating from the detection process any inadvertent phase shifts that may appear between secondary lobes.
  • the antenna it is difficult, if not impossible in some cases, to mount the antenna on the vehicle body, since the body is mounted by suspensions to its bogie, as a rule, which involves vertical movements relative box / bogie, that the antenna is obliged to accompany ..
  • the initial antenna-beacon distance in the vertical direction can decrease due to the progressive wear of the wheels of the car or of the motor on which the antenna is mounted, which implies that the antenna must be regularly reset by maintenance operations.
  • the purpose of the present invention is then to propose an improved technique for locating a railway vehicle using a system of ground beacons and on-board antenna.
  • the object of the invention is, more precisely, to overcome the disadvantage of the dimensional constraints related to the prior technical solution described above.
  • the aim of the invention is to propose a technique of this type which is, moreover, simple and economical to produce and to implement, and which, in particular, makes it possible to limit the maintenance operations of railway vehicles by implemented.
  • the invention firstly relates to an antenna intended to be loaded onto a railway vehicle in order to locate said railway vehicle along a railway equipped with a system of beacons on the ground, the antenna being able to capture an electromagnetic signal representative of information transmitted by the beacon when it is crossed by said railway vehicle, said antenna comprising a first simple loop-shaped receiver circuit and a second loop-shaped receiver circuit of two eight-turn turns.
  • the antenna further comprises a third receiver circuit in the form of a loop with three turns with a median turn disposed between two outer turns, the first, second and third receiver circuits being superimposed, the three receiver circuits all having substantially a same axis of longitudinal symmetry and substantially the same axis of transverse symmetry.
  • the circuits are mounted, for example all on the same plane support, one above the other, in parallel planes between them, without the order of the superposition is imposed.
  • at least two of these planes may in fact be confused, depending on the relative dimensions of the three loops. It may be that one of the receiver circuits, for example the first, has a larger perimeter than the second receiver circuit, the smallest circuit then being mounted on a common support inside the most circuit. bulky, the two circuits are actually mounted in a common plane.
  • this third receiver circuit makes it possible to overcome the dimensional constraints mentioned above, because the implementation of such an antenna in a method of locating a railway vehicle in cooperation with a beacon no longer needs to impose a predetermined power filtering threshold. It is both the particular shape in three turns of this third receiver circuit, and the fact that it is centered on the other two receiver circuits, with the same axes of symmetry, which lead to this very interesting result. .
  • the transverse axis of symmetry passes through the point of intersection of the eight loop of the second receiver circuit and the median planes of the single loop of the first receiver circuit and the median turn of the third receiver circuit.
  • the antenna according to the invention is designed so that the loops of the three receiver circuits are devoid of coupling between them, or have negligible residual coupling between them. Indeed, everything happens as if the three loops were orthogonal to each other, the goal being that the signal captured by one of the loops is not disturbed / modified by the signal picked up by the other loops, or that it is, but in a negligible way, this in order to be able to process and compare the signals picked up by the three receiver circuits, as detailed below, without having to take into account any interference between captured signals.
  • the third receiver circuit in the form of a loop with three turns of the antenna according to the invention has an imbalance in the magnetic field captured by the three turns, an imbalance which is adjusted by ensuring that, on the one hand, the sensitivity of the antenna receiver makes it possible to capture a magnetic field of the same phase without alteration in the center of the loop when the beacon is centered with respect to this loop, and that, on the other hand, the coupling between this loop and the loops of the other two receiver circuits remains negligible.
  • receiver sensitivity is known in the field of antennas, the receiver being understood in the broad sense as the antenna associated with all its means of measurement and processing and analysis of the signals received.
  • the antenna according to the invention is dimensioned so that the sum of the areas delimited by the outer turns of the loop of the third receiver circuit is less than the area delimited by the median turn. said loop, in particular less than 10 to 15% of the total area of all the turns of said loop, for example 12 to 13% of said area.
  • the "unbalance" thus chosen between the outer turns on one side and the median turn on the other causes, in the radiation pattern of the third receiver circuit, two field cancellations in favorable zones, offset with respect to the field cancellations. of the other two receiver circuits.
  • This imbalance also induces a minimum signal, non-zero and greater than the sensitivity of the receiver, during the centering beacon / antenna (the loop continues to "see” a magnetic field of the same phase in the area of the median turn).
  • the antenna according to the invention is dimensioned so that the perimeter of the eight loop of the second receiver circuit is substantially equal to that of the single loop of the first receiver circuit.
  • perimeter for the sake of simplification, the congestion, the string of all the loops of the receiver circuits considered.
  • the radiation pattern of the first receiver circuit when crossing the beacon, successively presents a first secondary lobe, a main lobe with a maximum of power and a second secondary lobe, with points of cancellation of the radiation power. separating two successive lobes.
  • This diagram is a representation in an Oxy repository, and represents a first-order approximation of the three-dimensional representation of the real magnetic field captured by the considered receiver circuit.
  • the different lobes thus identified in this diagram can be assigned phases, each lobe being assigned a given phase shift with respect to the previous lobe.
  • the radiation pattern of the second receiver circuit when crossing the beacon, successively presents a first secondary lobe, then two main lobes and a second secondary lobe, with points of cancellation of the radiation power. separating two successive lobes.
  • the radiation pattern of the third receiver circuit when crossing the beacon, successively presents a first secondary lobe, then a main lobe having two power maxima separated by a non-zero minimum, and a second secondary lobe. , with points of cancellation of the power of radiation separating two successive lobes.
  • the antenna is preferably designed so that the non-zero minimum of the radiation pattern of the third receiver circuit corresponds to a residual coupling thereof with at least one of the other two receiver circuits, in particular with the first receiver circuit.
  • the detection method using the antenna according to the invention makes use of this characteristic, which amounts to expressing the fact that the power of the magnetic field captured by the third receiver circuit decreases in a central zone framed by two maxima, this hollow being sufficiently small, moreover, not to go until the cancellation of the magnetic field to the right of the beacon, unlike the eight loop of the second receiver circuit, while being above the sensitivity of the receiver.
  • the cancellation points of the radiation patterns of the loops of the second and third receiver circuits respectively correspond to the crossing points of the turns of said loops.
  • the radiation patterns of the three receiver circuits are substantially centered with respect to an axis corresponding to their transverse axis of symmetry.
  • the antenna in known manner, comprises, in addition to the receiver circuits, electronic / computer means for processing the signals picked up by its receiver circuits, firstly for processing, collecting and transmitting the information contained in the electromagnetic signal emitted by the beacon transmitted by the beacons during their crossing by the antenna, and also intended to locate the railway vehicle, which is the interesting aspect of the invention.
  • These means comprise, in a manner known per se, measurement means, amplification means, etc.
  • these means also comprise coding and signaling means. sequencing the phase shifts of the signals picked up by the three receiver circuits of said antenna.
  • these electronic / computer means also comprise means for determining the location of the antenna with respect to the beacon crossed by comparison between the sequences obtained by coding and sequencing the signals picked up by the three reception circuits of the antenna and at least one predetermined sequence corresponding to the exact centering of the antenna with respect to the beacon.
  • the antenna also comprises a transmitter circuit for supplying power to the beacon during its crossing by the antenna, in particular in the form of a single loop powered by energy which is superimposed on the loops of the receiver circuits of the antenna. the antenna.
  • the arrangement in question provides beacons comprising a circuit emitting an electromagnetic signal, for example in the form of a single loop.
  • the figure 1 represents a point locating device of a rail vehicle V traveling in a direction X on a railway track VF comprising ground installations which consist mainly of beacons 1, of a type known per se, provided with a circuit emitting electromagnetic signals (circuit here in the form of a simple loop) and their control electronics. These beacons 1 are fixed along the railway at known locations.
  • the locating device also comprises equipment on board the railway vehicle V which consists mainly of a receiving antenna 2 comprising receiving circuits detailed below and connected to an evaluation unit 3.
  • the evaluation unit 3 which can be a calculator, is powered by its own converter.
  • the antenna 2 is located under the vehicle V at a location such that the antenna 2 passes in the axis of the beacons 1 when the vehicle V is traveling on the railroad VF.
  • the railway vehicle may be a regional train, a subway ...
  • the antenna is preferably, as shown in FIG. figure 1 , installed on the engine or the locomotive of the vehicle V.
  • the figure 2 represents the receiver circuits of an antenna 2 'according to the prior art as described in FIG. EP patent - 1,227,024 supra.
  • This antenna 2 ' comprises a first receiver circuit in the form of a simple loop A' and a second receiver circuit in the form of an eight-shaped loop B ', the latter being substantially concentric with the simple loop of the first receiver circuit.
  • the representation of the circuits according to the figure shows the two circuits with an offset in the plane of the figure, to make it more readable. In reality, the two loops A and A 'are superimposed, and both are mounted in known manner on a common plane support not shown.
  • the first receiver circuit A ' is intended to pick up the signal transmitted by the beacon 1 and is connected to the evaluation unit 3 of the vehicle V which analyzes the information transmitted by the beacon 1 when it is crossed by the beacon. antenna 2 '.
  • the size of the loop in eight is preferably close to the size of the transmission loop (not shown) of the beacon 1.
  • the figure 3 makes it possible to explain the operation of this antenna 2 'according to the prior art in cooperation with a beacon 1.
  • the beacon 1 When the vehicle V approaches a beacon 1 and the emitter of the antenna 2 'of the vehicle V is in the contact zone of the beacon 1, the beacon 1 emits an electromagnetic signal representative of the information to be transmitted. .
  • the beacon 1 is activated in the contact zone by radiation supply from an on-board transmitter by the antenna 2 'of the vehicle V (This power supply of the beacon 1 is carried out by example by integrating in the beacon an antenna circuit having a receiver coil connected in series to the primary of an isolation transformer, the secondary of the latter being connected to the transmitting circuit of the beacon).
  • This signal is picked up by the two loops A 'and B' of the antenna 2 'of the vehicle V.
  • the power of the signal picked up by the loop A' and by the loop B ', as a function of the displacement of the antenna 2' carried by the vehicle V along the X axis when crossing the contact zone of the beacon 1, is represented on the figure 3 .
  • This is a radiation pattern, that is to say, as mentioned above, a representation of the amplitude of the power of the magnetic field of the signal as a function of the displacement of the antenna 2 'according to the X axis.
  • This diagram is a simplified, approximate representation, which allows simpler analysis / processing than a representation of the three-dimensional magnetic field.
  • the loop A ' receives a signal S A' .
  • This signal comprises a main lobe PL A ' , having the shape of a bell and extending over a relatively wide range centered on the contact zone of the beacon 1, center corresponds to the origin 0 of the OXY repository of the diagram.
  • the amplitude of the signal varies to zero at the beginning and at the exit (0 A ' ) of the zone of contact with the presence of secondary lobes LSA', on the one hand and on the other side.
  • 'other main lobe LP A' with a much smaller maximum amplitude than the main lobe.
  • the loop B 'in eight receives a signal S B' which varies in amplitude at the beginning and at the end of the contact zone of the beacon 1 (points O B ' ) and which is zero in the center of the contact zone, c that is, when the crossing point of the eight-loop is centered on the transmit loop of beacon 1.
  • the signal thus breaks down into two mid-lobes LM B ' canceling at the origin of the repository , on both sides of which one finds again secondary lobes LS B ' of maximum amplitude much smaller than that of the median lobes.
  • phase shift measurement ⁇ of the signals S A ' and S B' when processed with a low-low filter, is shown so as to eliminate the harmonics related to the phase detection.
  • the presence of secondary lobes on the signals could induce the detection of parasitic phase shifts, and therefore the erroneous detection of centering between beacon and antenna, at times Tp.
  • the figure 4 represents, with a mode of representation identical to that of the figure 2 , the receiver circuits of the antenna 2 according to the invention. It comprises a first receiver circuit in the form of a simple loop A similar to the loop A 'of the figure 2 , and a second receiver circuit in the form of an eight-loop B with a crossing point separating two turns B1, B2. It is a loop similar to the loop B 'of the figure 2 . It further comprises a third receiver circuit in the form of a loop C comprising three turns separated by two crossing points: a middle turn C2 arranged between two outer turns C1, C3. The three circuits are superimposed and mounted on a common plane support not shown.
  • the three loops have a similar size (it is understood by clutter the envelope of their perimeters), but the invention can also be applied to loops of different sizes, the third loop C can in particular, be greater than at least one of the other two loops A and B.
  • the three loops A, B, C have the same longitudinal axis of symmetry X contained in their plane ⁇ (making the approximation that the three loops are contained exactly in the same plane ⁇ , whereas in fact they can be superimposed in parallel planes very close to each other), and the same axis of transverse symmetry Y, passing through the middle of the simple loop A, of the turn C2 and the point of intersection of the loop B in eight. All loops A, B, and C are centered to each other, and configured to not have a coupling between them, or negligible residual coupling. Thus, the signal received from the beacon by the three loops is not disturbed by interference between receiving loops.
  • loop A has a bell-shaped main lobe A , the maximum of which corresponds to crossing by the beacon of the Y-axis of transverse symmetry of the loops, with two cancellation points OA and, on both sides of the this lobe, two secondary lobes LS A.
  • the signal SB of the loop B is also similar to that of the eight-loop B 'of the example of the prior art, with two median lobes LM B , three cancellation points, one of which separates the two median lobes and equal to the origin 0 of the reference frame, and two cancellation points OB separating each of the median lobes of a secondary lobe LS B.
  • the signal SC of the three-turn loop C comprises a main lobe LP C , which is centered on the Y axis, and has two maxima M C and M ' C connected by a hollow whose minimum Min C is centered on the Y axis, and is therefore in correspondence with the maximum of the lobe LP A of the loop A and the cancellation point at the origin of the loop in eight (corresponding to its point of intersection).
  • the presence of this minimum is caused by the fact that the area of the turns C1 and C3 is slightly smaller than that of the central turn C2. There is thus a minor imbalance between the magnetic fields corresponding to each of the turns, the integral remaining slightly positive.
  • the signal SC of the loop C also comprises two separate side lobes of the main lobe LP C each with a cancellation point OC.
  • the vertical lines Li dotted represented in figure 5 go through the maxima and the cancellation points of the three signals S A , S B and S C.
  • the Figures 4 and 5 are positioned to show the correspondence between these maxima and these cancellation points and the geometric shape of the corresponding loops.
  • the vertical line L3 passes through the cancellation point OC which is located at the point of intersection between the turn C1 and the turn C2 of the loop C.
  • the line L4 passing through the maximum of the signal SA and by a cancellation point of the loop B in eight and by the minimum Min of the loop C, is at the right of the middle of the main turn C2 of the loop C, to the right of the crossing point of the loop in eight B and by the middle of the simple loop A.
  • the successive lobes of each of the signals have magnetic fields that are out of phase with each other.
  • the detection method according to the invention then consisted in exploiting this phase shift, by "cutting" the signals into segments by the vertical lines Li passing the points of cancellation of the signals.
  • the first three lines marked A, B, C in the table indicate the phase of the magnetic field respectively captured by the loops A, B and C, for each segment considered by assigning them a "+” sign or a "-” sign.
  • a sign "X" indicates an uncertainty on the phase of the magnetic field related to the cancellation of the magnetic field.
  • the row of the table indicated “Sq” is the decimal reading of the three preceding pairs A + B, A + C and B + C.
  • an "X" makes the value of the sequence hesitate between its left value and its right value.
  • the sequence obtained indicated on the table is therefore 0-5-3-0-5-6-0-5 or 5-0-6-5-0-3-5-0 depending on the direction of the crossing of the beacon 1 by the antenna 2. Obtaining one or the other of these characteristic sequences determines the moment of the beacon / antenna centering sought.
  • the centering of the beacon with respect to the antenna can be detected without having to "wait” to obtain one or the other of the complete characteristic sequences indicated above. Obtaining a characteristic portion of this sequence may suffice. Thus, as soon as we obtain the sequence portion 3-0-5, or the sequence portion 6-0-5, we can already deduce the balise / antenna centering.
  • the characteristic sequence portion comprises not three but four or five digits.
  • the process uses only a portion of the sequence, it sets the sequence only until the predefined characteristic sequence portion is obtained (in fact, it is rather a pair of sequence portions, depending on the meaning of crossing the beacon). It is not useful, once the centering determined, to continue the establishment of the complete sequence, which simplifies the implementation of the method.
  • the detection method of the invention thus described also involves filtering steps, processing which will not be detailed here and which are known to those skilled in the art of signal processing.
  • the method according to the invention provides the step of reading the radiation patterns to deduce a coding relative phase shifts of the signals of the different receiver circuits.
  • these phase shifts can be obtained without formally passing by the establishment of these diagrams.
  • the method according to the invention thus provides for processing the signals received by the antenna 2 with, in addition to possible processing steps of the amplification type, filtering in the detail of which we will not enter here, the step of measuring phase shifts of the portions. of signals received by the three loops, the coding steps and finally the sequencing step for comparison with the characteristic sequences indicating the centering of the antenna 2 relative to the beacon 1.
  • the fact that there are two different sequences according to the direction of crossing of the beacon 1 makes it possible to obtain not only the information on the instant T of the beacon 1 / antenna 2 centering, but in addition the information on the direction of movement of the railway vehicle V on the VF railroad.
  • the method is implemented by computer and / or electronic means. Either they are already present in the evaluation unit 3 associated with the antenna, or it is planned to add the appropriate means connected to the antenna to carry out measurement, coding, sequencing and comparison, by incorporating them into the antenna. unit 6 or not.
  • the antenna according to the invention is simple enough to produce, that it does not necessitate radically modifying the usual manufacturing method, and that it can keep a very reasonable bulk compared to existing antennas, and that its implementation method requires only means of conventional electronic / computer type generally already planned / known, it is sufficient to reprogram appropriately.
  • the antenna according to the invention can cooperate with beacons in accordance with the European standard EUROBALISE (that is to say they provide communication by magnetic coupling with the antenna of the vehicle in the frequency band 3.9 - 4.5 MHz, these tags have the advantage of being compact, with a length of about 50 cm and lightweight, with a weight of about 5 kg).
  • the railway vehicle may be equipped not with one but with several embedded antennas according to the invention.
  • Each antenna may include its own computer / electronic processing means. Both antennas can be mounted on the same car or not.
  • Each of the antennas can be active. Alternatively, one antenna can be active when the other is not, providing appropriate means for the active antenna, in case of failure, is no longer taken into account and is replaced by the other antenna.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
  • Near-Field Transmission Systems (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne (2) destinée à être embarquée sur un véhicule ferroviaire (V) afin de localiser ledit véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée (VF) équipée d'un système de balises (1) au sol. L'antenne est apte à capter un signal électromagnétique représentatif d'une information émise par la balise lorsqu'elle est franchie par ledit véhicule ferroviaire, et elle comporte un premier circuit récepteur en forme de boucle simple (A) et un second circuit récepteur en forme de boucle de deux spires en huit (B). L'antenne comporte en outre un troisième circuit récepteur (C) sous forme de boucle à trois spires avec une spire médiane (C2) disposée entre deux spires externes (C1,C3), les premier, deuxième et troisième circuits récepteurs étant superposés, les trois circuits récepteurs présentant tous sensiblement un même axe de symétrie longitudinale (X) et sensiblement un même axe de symétrie transversale (Y).

Description

  • L'invention se rapporte à la localisation d'un véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée, à l'aide d'une série de balises équipant la voie ferrée et aptes à coopérer avec une antenne embarquée dans le véhicule ferroviaire.
  • Il est connu du brevet EP- 1 227 024 un système de balises au sol qui permet d'établir la communication avec une antenne embarquée à bord d'un véhicule ferroviaire. L'antenne embarquée, selon ce brevet, comporte un premier circuit récepteur en forme de boucle simple et un second circuit récepteur en forme de boucle en huit, l'association des deux circuits permettant de capter le signal électromagnétique porteur d'information émis par la balise et ainsi de déterminer précisément l'instant où l'antenne embarquée est centrée sur la balise au sol, et ceci avec une grande précision : on peut donc localiser le véhicule sur la voie ferrée avec une précision du même ordre (qui peut être de l'ordre de ou inférieure à ± 5 cm, comme cela est requis pour les véhicules ferroviaires à contrôle automatique notamment).
  • En effet, si l'on représente le signal capté par les deux circuits récepteurs de l'antenne embarquée, sous forme de graphes - désignés également sous le terme de diagrammes de rayonnement - représentant la puissance captée en fonction de la position relative de l'antenne embarquée par rapport à la balise au sol la plus proche lors de son franchissement, comme représenté aux figures 3 et 4 de ce brevet antérieur, on voit que le signal capté par le premier circuit récepteur présente une plage centrale relativement large et centrée sur la zone de contact de la balise au sol. (On comprend, ici et dans la suite du texte, par zone de contact de la balise la zone où l'antenne est normalement capable de « lire » les informations émises par la balise au sol sous forme d'un signal électromagnétique représentatif de l'information à transmettre de la balise au sol à l'antenne embarquée. C'est aussi dans cette zone que l'énergie émise par l'antenne embarquée et qui est reçue par la balise en vue de son alimentation atteint un niveau suffisant pour assurer l'activation de la balise). Cette plage centrale a approximativement une forme d'un lobe principal de type cloche centrée sur l'axe Oy du référentiel. Aux extrémités de cette cloche, se trouvent deux lobes secondaires de maximum nettement moindre. Le signal capté par le second circuit récepteur comportant la boucle en huit présente quant à lui deux plages centrales, chacune approximativement en forme de cloche, avec, entre ces deux plages centrales, un signal qui s'annule sur l'origine du référentiel, l'annulation du signal correspondant au point de croisement du huit de la boucle. En outre, aux extrémités opposées de ces deux plages centrales en forme de cloche, on trouve deux autres lobes secondaires, de manière analogue au signal capté par le premier circuit récepteur, et qui sont décalés par rapport aux lobes secondaires du signal capté par le premier circuit récepteur.
  • En faisant abstraction de ces lobes secondaires, la détection de l'instant où l'antenne embarquée est centrée sur la balise au sol se fait de la manière suivante (de façon schématique) : Il se produit un déphasage (un changement de phase de 180°) entre les deux signaux captés lorsque le centre (le point de croisement) de la boucle en huit du deuxième circuit récepteur passe au droit du centre de la balise au sol. Le procédé consiste donc à détecter ce changement de phase entre les deux signaux captés, afin d'en déduire l'instant précis où l'antenne est centrée sur la balise, et donc, d'en déduire la localisation du véhicule par rapport à la voie ferrée à un instant donné.
  • Cependant, la présence de lobes secondaires sur les deux signaux peut induire la détection de déphasages entre lobes secondaires, des déphasages « parasites » donc, qui peuvent conduire à détecter de façon erronée un centrage entre l'antenne et la balise. C'est la raison pour laquelle il est prévu d'imposer au procédé de détection un seuil de puissance prédéterminé, qui se situe au-dessus du maximum de puissance des lobes secondaires des deux signaux captés par l'antenne : la détection se trouve ainsi filtrée, en éliminant du processus de détection tous les déphasages intempestifs pouvant apparaître entre lobes secondaires.
  • Mais imposer un seuil de puissance prédéterminé n'est pas sans conséquence : Ce filtrage se traduit concrètement par le respect de contraintes de distance entre l'antenne et la balise. Ainsi, pour que le procédé de détection fonctionne, il est nécessaire de prévoir une distance dans la direction verticale entre la balise et l'antenne qui soit comprise entre deux valeurs limite, une distance minimale et une distance maximale. De même, il est nécessaire que le débattement autorisé dans la direction horizontale transversale soit inférieur à une valeur de débattement maximale. Ces critères dimensionnels peuvent s'avérer contraignants. Ils peuvent compliquer le montage de l'antenne embarquée sur la voiture ou la motrice du véhicule ferroviaire, voire interdire certains emplacements d'antenne sur le véhicule ferroviaire. Ainsi, il est délicat, voire impossible dans certains cas, de monter l'antenne sur la caisse du véhicule, puisque la caisse est montée par des suspensions à son bogie, en règle générale, ce qui implique des mouvements verticaux relatifs caisse/bogie, que l'antenne est obligée d'accompagner.. En outre, ils peuvent évoluer en cours d'exploitation des véhicules ferroviaires. Ainsi, notamment, la distance initiale antenne-balise dans la direction verticale peut diminuer de par l'usure progressive des roues de la voiture ou de la motrice sur laquelle est montée l'antenne, ce qui implique de recaler régulièrement l'antenne par des opérations de maintenance.
  • Le but de la présente invention est alors de proposer une technique améliorée de localisation d'un véhicule ferroviaire utilisant un système de balises au sol et d'antenne embarquée. Le but de l'invention est, plus précisément, de remédier à l'inconvénient des contraintes dimensionnelles liées à la solution technique antérieure décrite plus haut. Accessoirement, le but de l'invention est de proposer une technique de ce type qui soit, en outre, simple et économique à réaliser et à mettre en oeuvre, et qui, notamment, permette de limiter les opérations de maintenance des véhicules ferroviaires la mettant en oeuvre.
  • L'invention a tout d'abord pour objet une antenne destinée à être embarquée sur un véhicule ferroviaire afin de localiser ledit véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée équipée d'un système de balises au sol, l'antenne étant apte à capter un signal électromagnétique représentatif d'une information émise par la balise lorsqu'elle est franchie par ledit véhicule ferroviaire, ladite antenne comportant un premier circuit récepteur en forme de boucle simple et un second circuit récepteur en forme de boucle de deux spires en huit. Selon l'invention, l'antenne comporte en outre un troisième circuit récepteur sous forme de boucle à trois spires avec une spire médiane disposée entre deux spires externes, les premier, deuxième et troisième circuits récepteurs étant superposés, les trois circuits récepteurs présentant tous sensiblement un même axe de symétrie longitudinale et sensiblement un même axe de symétrie transversale.
  • On comprend par « superposés » le fait que les circuits sont montés, par exemple tous sur un même support plan, les uns au-dessus des autres, selon des plans parallèles entre eux, sans que l'ordre de la superposition soit imposé. En outre, au moins deux de ces plans peuvent en fait être confondus, selon les dimensions relatives des trois boucles. Il se peut, en effet, qu'un des circuits récepteurs, par exemple le premier, ait un périmètre plus grand que le deuxième circuit récepteur, le circuit le plus petit trouvant alors monté sur un support commun à l'intérieur du circuit le plus encombrant, les deux circuits se trouvant de fait montés selon un plan commun.
  • Ceci explique que, lorsqu'il est question d'un « même » axe de symétrie longitudinale ou transversale, il faut bien sûr inclure dans cette définition des axes de symétrie parallèles entre eux mais pas exactement confondus, quand ils sont montés selon des plans parallèles entre eux, proches mais distincts.
  • La présence de cette double symétrie conduit à ce que les trois circuits récepteurs sont centrés les uns par rapport aux autres selon un axe commun perpendiculaire à leurs plans de montage.
  • Il s'est avéré que l'ajout de ce troisième circuit récepteur dans l'antenne permet de s'affranchir des contraintes dimensionnelles mentionnées plus haut, car la mise en oeuvre d'une telle antenne dans un procédé de localisation d'un véhicule ferroviaire en coopération avec une balise ne nécessite plus d'imposer un seuil de filtrage de puissance prédéterminé. C'est à la fois la forme particulière en trois spires de ce troisième circuit récepteur, et le fait qu'il est centré sur les deux autres circuits récepteurs, avec les mêmes axes de symétrie, qui permettent d'aboutir à ce résultat très intéressant.
  • Avantageusement, selon l'invention, l'axe de symétrie transversal passe par le point de croisement de la boucle en huit du deuxième circuit récepteur et par les plans médians de la boucle simple du premier circuit récepteur et de la spire médiane du troisième circuit récepteur. C'est en effet cette caractéristique qui traduit le centrage relatif des trois boucles, qui permet d'exploiter, dans le procédé de détection utilisant une telle antenne, comme détaillé plus loin, les signaux captés de manière appropriée.
  • Selon une autre caractéristique de l'antenne selon l'invention, celle-ci est conçue de façon à ce que les boucles des trois circuits récepteurs soient dépourvues de couplage entre elles, ou présentent un couplage résiduel négligeable entre elles. En effet, tout se passe comme si les trois boucles étaient orthogonales entre elles, le but étant que le signal capté par une des boucles ne soit pas perturbé/modifié par le signal capté par les autres boucles, ou qu'il le soit, mais de façon négligeable, ceci afin de pouvoir traiter et comparer les signaux captés par les trois circuits récepteurs, comme détaillé plus loin, sans avoir à prendre en compte d'éventuelles interférences entre signaux captés.
  • Avantageusement, le troisième circuit récepteur sous forme de boucle à trois spires de l'antenne selon l'invention présente un déséquilibre dans le champs magnétique capté par les trois spires, déséquilibre qui est ajusté en veillant à ce que, d'une part, la sensibilité du récepteur de l'antenne permette de capter un champ magnétique de même phase sans altération au centre de la boucle quand la balise se trouve centrée par rapport à cette boucle, et que, d'autre part, le couplage entre cette boucle et les boucles des deux autres circuits récepteurs reste négligeable.
  • Le terme « sensibilité du récepteur » est connu dans le domaine des antennes, le récepteur étant compris au sens large comme l'antenne associée à tous ses moyens de mesure et de traitement et d'analyse des signaux captés.
  • Selon une variante, pour atteindre ce déséquilibre, l'antenne selon l'invention est dimensionnée de façon à ce que la somme des aires délimitées par les spires externes de la boucle du troisième circuit récepteur soit inférieure à l'aire délimitée par la spire médiane de ladite boucle, notamment inférieure de 10à 15% de l'aire totale de l'ensemble des spires de ladite boucle, par exemple de 12 à 13% de ladite aire. Le « déséquilibre » ainsi choisi entre les spires externes d'un côté et la spire médiane de l'autre provoque, dans le diagramme de rayonnement du troisième circuit récepteur, deux annulations de champ dans des zones propices, décalées par rapport aux annulations de champ des deux autres circuits récepteurs. Ce déséquilibre induit aussi un minimum de signal, non nul et supérieur à la sensibilité du récepteur, lors du centrage balise/antenne (la boucle continuant à « voir » un champ magnétique de même phase dans la zone de la spire médiane).
  • Selon une autre variante, éventuellement cumulative avec la précédente, l'antenne selon l'invention est dimensionnée de façon à ce que le périmètre de la boucle en huit du deuxième circuit récepteur soit sensiblement égal à celui de la boucle simple du premier circuit récepteur. On comprend par « périmètre », par soucis de simplification, l'encombrement, la corde de l'ensemble des boucles des circuits récepteurs considérés.
  • Avantageusement, le diagramme de rayonnement du premier circuit récepteur, lors du franchissement de la balise, présente successivement un premier lobe secondaire, un lobe principal avec un maximum de puissance et un second lobe secondaire, avec des points d'annulation de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  • On comprend ici et dans le reste de la demande de brevet, par diagramme de rayonnement la représentation de la puissance du signal capté par le circuit récepteur en question en fonction du déplacement de l'antenne embarquée en cours de franchissement de la balise. Ce diagramme est une représentation dans un référentiel Oxy, et représente une approximation au premier ordre de la représentation en trois dimensions du champ magnétique réel capté par le circuit récepteur considéré. On peut attribuer aux différents lobes ainsi repérés dans ce diagramme des phases, chaque lobe étant affecté d'un déphasage donné par rapport au lobe précédent.
  • Avantageusement selon l'invention, le diagramme de rayonnement du deuxième circuit récepteur, lors du franchissement de la balise, présente successivement un premier lobe secondaire, puis deux lobes principaux et un second lobe secondaire, avec des points d'annulation de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  • Avantageusement selon l'invention, le diagramme de rayonnement du troisième circuit récepteur, lors du franchissement de la balise, présente successivement un premier lobe secondaire, puis un lobe principal présentant deux maxima de puissance séparées par un minimum non nul, et un second lobe secondaire, avec des points d'annulation de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  • On conçoit de préférence l'antenne de façon à ce que le minimum non nul du diagramme de rayonnement du troisième circuit récepteur corresponde à un couplage résiduel de celui-ci avec au moins un des deux autres circuits récepteurs, notamment avec le premier circuit récepteur. Le procédé de détection utilisant l'antenne selon l'invention exploite en effet cette caractéristique, qui revient à exprimer le fait que la puissance du champ magnétique capté par le troisième circuit récepteur décroît dans une zone centrale encadrée par deux maxima, , ce creux étant suffisamment peu important, par ailleurs, pour ne pas aller jusqu'à l'annulation du champ magnétique au droit de la balise, contrairement à la boucle en huit du deuxième circuit récepteur, tout en étant au-dessus de la sensibilité du récepteur.
  • De préférence, les points d'annulation des diagrammes de rayonnement des boucles des deuxième et troisième circuits récepteurs correspondent respectivement aux points de croisement des spires desdites boucles.
  • De préférence, les diagrammes de rayonnement des trois circuits récepteurs sont sensiblement centrés par rapport à un axe correspondant à leur axe de symétrie transversale.
  • L'antenne, de façon connue, comprend, outre les circuits récepteurs, des moyens électroniques/ informatiques destinés à traiter les signaux captés par ses circuits récepteurs, d'une part pour traiter, recueillir et transmettre les informations contenues dans le signal électromagnétique émis par la balise émis par les balises lors de leur franchissement par l'antenne, et également prévus pour localiser le véhicule ferroviaire, ce qui est l'aspect intéressant l'invention. Ces moyens comprennent, de façon connue en soi, des moyens de mesure, des moyens d'amplification etc... Mais, afin de mettre en oeuvre l'antenne spécifique de la présente invention, ces moyens comprennent également des moyens de codage et de séquençage des déphasages des signaux captés par les trois circuits récepteurs de ladite antenne.
  • De préférence, ces moyens électroniques/informatiques comprennent également des moyens de détermination de la localisation de l'antenne par rapport à la balise franchie par comparaison entre les séquences obtenus par le codage et le séquençage des signaux captés par les trois circuits récepteurs de l'antenne et au moins une séquence prédéterminée correspondant au centrage exact de l'antenne par rapport à la balise.
  • De façon connue en soi, l'antenne comprend également un circuit émetteur destiné à alimenter en énergie la balise lors de son franchissement par l'antenne, notamment sous forme d'une boucle simple alimentée en énergie qui est superposée aux boucles des circuits récepteurs de l'antenne.
  • L'invention a également pour objet un agencement pour la localisation d'un véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée, l'agencement comprenant :
    • une série de balises au sol équipant ladite voie ferrée et destinées à émettre un signal électromagnétique représentatif d'une information lorsqu'elles sont franchies par ledit véhicule ferroviaire,
    • une antenne embarquée dans le véhicule ferroviaire destinée à coopérer avec les balises telle que décrite précédemment.
  • L'agencement en question prévoit des balises comprenant un circuit émetteur d'un signal électromagnétique, par exemple sous forme d'une boucle simple.
  • L'invention a également pour objet un procédé de localisation d'un véhicule ferroviaire utilisant l'agencement décrit plus haut, ou utilisant l'antenne selon l'invention décrite plus haut, et qui comprend les étapes suivantes :
    • on détecte le signal émis par la balise lors de son franchissement par l'antenne par les circuits récepteurs de l'antenne embarquée sur le véhicule ferroviaire, notamment sous forme, pour chacun des circuits récepteurs, d'un diagramme de rayonnement,
    • on déduit de ces signaux, notamment à partir de la décomposition de leurs diagrammes de rayonnement, les phases des champs magnétiques des différentes portions de signaux (repérables sous forme de lobes dans chaque diagramme de rayonnement),
    • on compare les phases des champs magnétiques des signaux, (notamment à partir de leurs diagrammes de rayonnement), deux à deux, pour en déduire leurs déphasages relatifs,
    • on fait une lecture décimale des ces déphasages relatifs pour obtenir une séquence,
    • on compare la séquence avec au moins une séquence caractéristique prédéterminée correspondant au centrage exact de l'antenne (2) par rapport à la balise (1) en cours de franchissement,
    • quand la comparaison est positive, on en déduit la localisation spatiale et temporelle (T) du véhicule ferroviaire (V) par rapport à la voie ferrée (VF) où il circule.
  • Avec le procédé de localisation selon l'invention, on peut également déduire de la comparaison entre la séquence obtenue à partir des signaux captés par les circuits récepteurs de l'antenne et la séquence prédéterminée le sens de circulation du véhicule ferroviaire sur la voie ferrée.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation selon l'art antérieur et un mode de réalisation particulier, non limitatif, de la présente invention, en référence aux figures suivantes:
    • Figure 1 : une vue générale d'un agencement de localisation d'un véhicule ferroviaire sur une voie ferrée utilisant une antenne embarquée et des balises au sol,
    • Figure 2 : une vue de dessus en éclaté des deux circuits récepteurs d'une antenne selon l'art antérieur,
    • Figure 3 : un diagramme de rayonnement du signal capté par les deux circuits récepteurs de l'antenne de la figure 2 conforme à 1 art antérieur, avec la représentation du déphasage,
    • Figure 4 : une vue de dessus en éclaté des trois circuits récepteurs d'une antenne selon l'invention,
    • Figure 5 : un diagramme de rayonnement du signal capté par les trois circuits récepteurs de l'antenne selon l'invention de la figure 4, avec la représentation du déphasage,
    • Figure 6 : un tableau représentatif d'un codage en mode binaire des déphasages du signal capté selon le diagramme de rayonnement de la figure 5.
  • Les figures 1, 2 et 4 sont très schématiques et ne respectent pas nécessairement l'échelle entre les différents éléments représentés afin d'en faciliter la lecture. Seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés.
  • Les figures 3 et 5 de diagrammes de rayonnement sont des approximations. Les mêmes éléments portent les mêmes références dans l'ensemble des figures.
  • La figure 1 représente un dispositif de localisation ponctuelle d'un véhicule ferroviaire V circulant selon une direction X sur une voie ferrée VF comportant des installations au sol qui se composent principalement de balises 1, de type connu en soi, munies d'un circuit émetteur de signaux électromagnétiques (circuit ici sous la forme d'une boucle simple) et de leur électronique de commande. Ces balises 1 sont fixées le long de la voie ferrée en des emplacements connus.
  • Le dispositif de localisation comporte également des équipements embarqués à bord du véhicule ferroviaire V qui se composent principalement d'une antenne réceptrice 2 comprenant des circuits récepteurs détaillés plus loin et connectée à une unité d'évaluation 3. L'unité d'évaluation 3, qui peut être un calculateur, est alimentée par son propre convertisseur. L'antenne 2 est située sous le véhicule V à un emplacement tel que l'antenne 2 passe dans l'axe des balises 1 lorsque le véhicule V circule sur la voie ferrée VF. Le véhicule ferroviaire peut être un train régional, un métro... L'antenne est, de préférence, comme représenté à la figure 1, installée sur la motrice ou la locomotive du véhicule V.
  • La figure 2 représente les circuits récepteurs d'une antenne 2' selon l'art antérieur tel que décrit dans le brevet EP - 1 227 024 précité. Cette antenne 2' comporte un premier circuit récepteur sous forme d'une boucle simple A' et un second circuit récepteur sous forme d'une boucle en forme de huit B', cette dernière étant sensiblement concentrique avec la boucle simple du premier circuit récepteur. La représentation des circuits selon la figure montre les deux circuits avec un décalage dans le plan de la figure, pour la rendre plus lisible. En réalité, les deux boucles A et A' sont superposées, et toutes les deux sont montées de façon connue sur un support commun plan non représenté.
  • Le premier circuit récepteur A' est destiné à capter le signal émis par la balise 1 et est connecté à l'unité d'évaluation 3 du véhicule V qui assure l'analyse des informations transmises par la balise 1 quand elle est franchie par l'antenne 2'.
  • La taille de la boucle en huit est de préférence voisine de la taille de la boucle d'émission (non représentée) de la balise 1.
  • La figure 3 permet d'expliciter le fonctionnement de cette antenne 2' selon l'art antérieur en coopération avec une balise 1.
  • Lorsque le véhicule V approche d'une balise 1 et que l'émetteur de l'antenne 2' du véhicule V se situe dans la zone de contact de la balise 1, la balise 1 émet un signal électromagnétique représentatif de l'information à transmettre. A noter que, de façon connue en soi, la balise 1 est activée dans la zone de contact par alimentation par rayonnement en provenance d'un émetteur embarqué par l'antenne 2' du véhicule V (Cette alimentation de la balise 1 est réalisée par exemple en intégrant dans la balise un circuit d'antenne muni d'une bobine réceptrice connecté en série au primaire d'un transformateur d'isolement, le secondaire de ce dernier étant connecté au circuit d'émission de la balise).
  • Ce signal est capté par les deux boucles A'et B' de l'antenne 2' du véhicule V. La puissance du signal capté par la boucle A' et par la boucle B', en fonction du déplacement de l'antenne 2' portée par le véhicule V suivant l'axe X lors du franchissement de la zone de contact de la balise 1, est représentée sur la figure 3. Il s'agit d'un diagramme de rayonnement, c'est-à-dire, comme mentionné plus haut, une représentation de l'amplitude de la puissance du champ magnétique du signal en fonction du déplacement de l'antenne 2' selon l'axe X.
  • Ce diagramme est une représentation simplifiée, approximative, qui permet une analyse/un traitement plus simples qu'une représentation du champ magnétique en trois dimensions.
  • D'après ce diagramme, la boucle A' reçoit un signal SA'. Ce signal comprend un lobe principal PLA', ayant la forme d'une cloche et s'étendant sur une plage relativement large centrée sur la zone de contact de la balise 1, centre correspond à l'origine 0 du référentiel OXY du diagramme. En début et en fin de la zone de contact balise, l'amplitude du signal varie pour s'annuler en début et en sortie (0A') de la zone de contact avec la présence de lobes secondaires LSA', de part et d'autre du lobe principal LPA', d'amplitude maximale bien moindre que celle du lobe principal. Si on faisait une représentation en trois dimensions de ce signal, on aurait une cloche tournée vers le bas centrée sur le centre de la boucle, et entourée concentriquement d'un creux tourné vers le haut et correspondant aux lobes secondaires. Le fait que la portion de signal apparaisse en bosse (en cloche) ou en creux signifie que les portions de signal sont en décalage de phase.
  • La boucle B' en huit reçoit un signal SB' qui varie en amplitude au début et à la fin de la zone de contact de la balise 1 (points OB') et qui est nul au centre de la zone de contact, c'est-à -dire lorsque le point de croisement de la boucle en huit est centré sur la boucle d'émission de la balise 1. Le signal se décompose ainsi en deux lobes médians LMB' s'annulant à l'origine du référentiel, de part et d'autre desquels on trouve à nouveau des lobes secondaires LSB' d'amplitude maximale bien moindre que celle des lobes médians. De la comparaison des signaux SA' et SB', on voit que les points d'annulation OA' sont décalés, sur l'axe X, par rapport aux points d'annulation OB', et que le maximum d'amplitude du lobe LPA' du signal SA' correspond à un point d'annulation du signal SB' (point 0). Les points d'annulation OB' du signal de la boucle B' correspondent, dans cet exemple, aux maxima des lobes secondaires LSA', du signal de la boucle A'.
  • En partie inférieure de la figure 3, on a représenté la mesure du déphasage ϕ des signaux SA' et SB', une fois traités avec un filtre basse-bas de manière à éliminer les harmoniques liées à la détection de phase. Il y a un déphasage en O entre les deux lobes médians LMB' du signal reçu par la boucle en huit, et la détection de ce déphasage permet de déterminer quand (instant T) l'antenne est exactement centrée sur la balise, ce qui est le but recherché. Mais la présence de lobes secondaires sur les signaux pourraient induire la détection de déphasages parasites, et donc la détection erronée de centrage entre balise et antenne, à des instants Tp. Ces « bruits » dans le procédé de détection ont amené à imposer un seuil de puissance Pmin (représenté par commodité qu'au niveau du signal reçu par la boucle A' dans son diagramme de rayonnement), à un niveau supérieur au maximum d'amplitude des lobes secondaires des signaux reçus par les deux boucles. On effectue alors un filtrage des signaux reçus en ne conservant que la partie des signaux située au-dessus de ce seuil P min, on élimine ainsi du traitement des signaux la partie correspondante aux lobes secondaires de ceux-ci, ce qui, de fait, supprime la détection des déphasages intempestifs liés à ceux-ci : on garantit ainsi l'exactitude de la détermination de l'instant T. Mais, en imposant un seuil de puissance Pmin, comme expliqué plus haut, on s'impose des contraintes dimensionnelles, des contraintes de positionnement et de calage de l'antenne embarquée.
  • La figure 4 représente, avec un mode de représentation identique à celui de la figure 2, les circuits récepteurs de l'antenne 2 selon l'invention. Elle comporte un premier circuit récepteur sous forme d'une boucle simple A analogue à la boucle A' de la figure 2, et un deuxième circuit récepteur sous forme d'une boucle en huit B avec un point de croisement séparant deux spires B1, B2. C'est une boucle analogue à la boucle B' de la figure 2. Elle comporte en outre un troisième circuit récepteur sous forme d'une boucle C comprenant trois spires séparées par deux points de croisement : une spire médiane C2 disposée entre deux spires externes C1, C3. Les trois circuits sont superposés et montés sur un support plan commun non représenté. Dans cet exemple donné à titre d'illustration, les trois boucles ont un encombrement voisin (on comprend par encombrement l'enveloppe de leurs périmètres), mais l'invention peut être aussi appliquée à des boucles de tailles différentes, la troisième boucle C pouvant, notamment, être plus grande qu'au moins une des deux autres boucles A et B. Les trois boucles A, B, C présentent un même axe de symétrie longitudinal X contenu dans leur plan π (en faisant l'approximation que les trois boucles sont contenues exactement dans le même plan π, alors que de fait elles peuvent être superposées selon des plans parallèles très proches les uns des autres), et le même axe de symétrie transversale Y, passant par le milieu de la boucle simple A, de la spire C2 et du point de croisement de la boucle B en huit. Toutes les boucles A, B et C sont centrées entre elles, et configurées de façon à ne pas avoir de couplage entre elles, ou un couplage résiduel négligeable. Ainsi, le signal reçu de la balise par les trois boucles n'est pas perturbé par des interférences entre boucles réceptrices.
  • La figure 5 représente, de façon analogue à la figure 3, les diagrammes de rayonnement des trois boucles. On retrouve, pour les boucles A et B, une forme de signal SA analogue à celle observée selon l'art antérieur représenté à la figure 3 : la boucle A présente un lobe principal LPA en forme de cloche dont le maximum correspond au franchissement par la balise de l'axe Y de symétrie transversale des boucles, avec deux points d'annulation OA et, de part et d'autre de ce lobe, deux lobes secondaires LSA.
  • Le signal SB de la boucle B est également analogue à celui de la boucle en huit B' de l'exemple de l'art antérieur, avec deux lobes médians LMB, trois points d'annulation, dont un séparant les deux lobes médians et égal à l'origine 0 du référentiel, et deux points d'annulation OB séparant chacun des lobes médians d'un lobe secondaire LSB.
  • Le signal SC de la boucle C à trois spires comprend un lobe principal LPC, qui est centré sur l'axe Y, et présente deux maxima MC et M'C reliés par un creux dont le minimum Min C est centré sur l'axe Y, et se trouve donc en correspondance avec le maximum du lobe LPA de la boucle A et le point d'annulation à l'origine de la boucle en huit (correspondant à son point de croisement). La présence de ce minimum est provoquée par le fait que l'aire des spires C1 et C3 est légèrement inférieure à celle de la spire centrale C2. On a ainsi un déséquilibre mineur entre les champs magnétiques correspondant à chacune des spires, l'intégrale restant légèrement positive. Le signal SC de la boucle C comprend aussi deux lobes secondaires séparés du lobe principal LPC chacun par un point d'annulation OC.
  • Les lignes verticales Li en pointillés représentées en figure 5 passent par les maxima et par les points d'annulation des trois signaux SA,SB et SC.
  • Les figures 4 et 5 sont positionnées de façon à montrer la correspondance entre ces maxima et ces points d'annulation et la forme géométrique des boucles correspondantes. On voit ainsi que, dans cet exemple, la ligne verticale L3 passe par le point d'annulation OC qui se trouve au droit du point de croisement entre la spire C1 et la spire C2 de la boucle C. La ligne L4, passant par le maximum du signal SA et par un point d'annulation de la boucle B en huit et par le minimum Min de la boucle C, est au droit du milieu de la spire principale C2 de la boucle C, au droit du point de croisement de la boucle en huit B et par le milieu de la boucle simple A. On remarque que les points d'annulation OA,OB et OC séparant les lobes secondaires des trois signaux du lobe adjacent sont décalés les uns par rapport aux autres, et que le positionnement de ces lobes secondaires, s'ils sont, pour chacun des signaux, disposés symétriquement par rapport à l'axe Y, ne sont pas en coïncidence les uns ave les autres. Dans d'autres modes de réalisation de l'antenne selon l'invention, ce décalage relatif des lobes d'une boucle à une autre peut varier.
  • Par ailleurs, les lobes successifs de chacun des signaux présentent des champs magnétiques déphasés les uns par rapport aux autres. Pour mieux visualiser comment l'invention est mise en oeuvre, comme, on a affecté de signes + et - successivement les différents lobes de chacun des signaux à la figure 5.
  • Comme explicité dans le tableau de la figure 6, le procédé de détection selon l'invention a alors consisté à exploiter ce déphasage, en « découpant » les signaux en segments par les lignes Li verticales passant les points d'annulation des signaux..
  • Les trois premières lignes notées A, B, C du tableau indiquent la phase du champ magnétique capté respectivement par les boucles A, B et C, pour chacun des segments considérés en leur affectant un signe « + » ou un signe « - ». Un signe « X » indique une incertitude sur la phase du champ magnétique liée à l'annulation du champ magnétique..
  • Les trois lignes suivantes du tableau indiquent, pour chacun des trois couples de boucle, A + B, A + C et B + C, le déphasage relatif entre lesdits couples, selon un codage binaire qui va affecter la valeur « 0 » si les champs magnétiques des deux boucles du couple considéré sont en phase (ce qui ce traduit par des segments correspondants affectés tous les deux d'un signe « + » ou d'un signe « - » selon les trois premières lignes du tableau), et qui va affecter la valeur « 1 » si les champs magnétiques des deux boucles du couple considéré sont en opposition de phase (ce qui ce traduit par des segments correspondants affectés, l'un d'un signe « + » et l'autre d'un signe « - », selon les trois premières lignes du tableau). Un « X » est obtenu dans le cas où l'un des segments correspondant du couple considéré est affecté d'un signe « X », l'incertitude étant maintenue. Cette combinaison est de type « OU exclusif », appelée aussi communément « XOR » en langage informatique.
  • Enfin, la ligne du tableau indiquée « Sq » est la lecture décimale des trois couples A + B, A + C et B + C précédents. un « X » fait hésiter la valeur de la séquence entre sa valeur de gauche et sa valeur de droite. La séquence obtenue indiquée sur le tableau vaut donc 0-5-3-0-5-6-0-5 ou 5-0-6-5-0-3-5-0 en fonction du sens du franchissement de la balise 1 par l'antenne 2. L'obtention de l'une ou l'autre des ces séquences caractéristiques détermine le moment du centrage balise/antenne recherché.
  • Il est à noter que le centrage de la balise par rapport à l'antenne peut être détecté sans avoir à « attendre » l'obtention de l'une ou l'autre des séquences caractéristiques complètes indiquée plus haut. L'obtention d'une portion caractéristique de cette séquence peut suffire. Ainsi, dès qu'on obtient la portion de séquence 3-0-5, ou, la portion de séquence 6-0-5, on peut déjà en déduire le centrage balise/antenne.
  • Il est aussi possible de considérer que la portion de séquence caractéristique comporte non pas trois mais quatre ou cinq chiffres.
  • Quand le procédé n'exploite qu'une portion de séquence, il n'établit la séquence que jusqu'à obtention de la portion de séquence caractéristique prédéfinie (en fait, il s'agit plutôt d'une paire de portions de séquence, selon le sens de franchissement de la balise). Il n'est pas utile, une fois le centrage déterminé , de poursuivre l'établissement de la séquence complète, ce qui simplifie la mise en oeuvre du procédé.
  • Il est à noter également que le procédé de détection de l'invention ainsi décrit implique aussi des étapes de filtrage, de traitement qui ne seront pas détaillés ici et qui sont connus de l'homme de l'art du traitement du signal.
  • On peut mentionner cependant deux traitements particulièrement intéressants pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention :
    • On peut prévoir de filtrer, notamment par filtrage numérique, les signaux de façon à pouvoir, dans la lecture des séquences ou portions de séquence caractéristiques, faire abstraction des bagottements de signaux, au voisinage des segments affectés d'un signe « X » (cf. tableau 6). Ainsi, on supprime les « X » des séquences caractéristiques, qu'il faut sinon repérer pour les éliminer.
    • On peut prévoir que le procédé ne retienne que la première déclaration de centrage balise/antenne lors de la lecture de la séquence ou portion de séquence caractéristique, notamment par des opérations de filtrage numérique. En effet, on peut, sinon, obtenir plusieurs déclarations de centrage, dont une seule est exacte, les suivantes étant dues à des vibrations ou des bagottements dans les signaux captés et analysés.
  • Le procédé selon l'invention prévoit l'étape de la lecture des diagrammes de rayonnement pour en déduire un codage des déphasages relatifs des signaux des différents circuits récepteurs. Alternativement, et sans sortir du cadre de l'invention, on peut obtenir ces déphasages sans passer formellement par l'établissement de ces diagrammes.
  • Le procédé selon l'invention prévoit donc de traiter les signaux reçus par l'antenne 2 avec, outre des étapes éventuelles de traitement du type amplification, filtrage dans le détail desquelles on ne rentrera pas ici, l'étape de mesure de déphasages des portions de signaux reçus par les trois boucles, les étapes de codage et enfin l'étape de séquençage aux fins de comparaison avec les séquences caractéristiques indiquant le centrage de l'antenne 2 par rapport à la balise 1. Le fait qu'il y ait deux séquences différentes selon la direction de franchissement de la balise 1 permet d'obtenir non seulement l'information sur l'instant T du centrage balise 1/ antenne 2, mais en plus l'information sur le sens de circulation du véhicule ferroviaire V sur la voie ferrée VF.
  • Le procédé est mis en oeuvre par des moyens informatiques et/ou électroniques. Soit ils sont déjà présents dans l'unité d'évaluation 3 associée à l'antenne, soit on prévoit d'ajouter les moyens appropriés connectés à l'antenne pour mener à bien mesure, codage, séquençage et comparaison, en les incorporant dans l'unité 6 ou pas.
  • Avec une telle antenne et un tel procédé de mise en oeuvre, on n'a plus besoin d'imposer un filtrage avec un seuil de puissance minimum comme dans la solution de l'art antérieur. On peut donc monter l'antenne sur le véhicule avec beaucoup moins de contraintes dimensionnelles, et d'espacer les opérations de maintenance de l'antenne embarquée, ce qui élargit considérablement ses applications. On obtient une précision dans la localisation spatiale et temporelle du véhicule qui est excellente, et qui permet l'exploitation de ce procédé pour tout type de véhicule, dont ceux à contrôle automatique nécessitant une précision très grande (+/- 5 cm). On note que l'antenne selon l'invention est assez simple à réaliser, qu'elle ne nécessite pas de modifier radicalement le procédé habituel de fabrication, et qu'elle peut garder un encombrement très raisonnable par rapport aux antennes existantes, et que son procédé de mise en oeuvre ne nécessite que des moyens de type électronique/informatique classiques généralement déjà prévus/ connus, qu'il suffit de reprogrammer de façon appropriée.
  • A noter que l'antenne selon l'invention peut coopérer avec des balises conformes à la norme européenne EUROBALISE (c'est à dire qu'elles assurent la communication par couplage magnétique avec l'antenne du véhicule dans la bande de fréquence 3,9 - 4,5 MHz, ces balises présentant l'avantage d'être compactes, avec une longueur d'environ 50 cm et légères, avec un poids d'environ 5 kg).
  • On précise que, dans le cadre de l'invention, et de manière connue par ailleurs, le véhicule ferroviaire peut être équipé non pas d'une mais de plusieurs antennes embarquées selon l'invention. Chaque antenne peut comporter ses moyens de traitement informatiques / électroniques propres. Les deux antennes peuvent être montées sur la même voiture ou non. Chacune des antennes peut être active. Alternativement, une antenne peut être active quand l'autre ne l'est pas, en prévoyant des moyens appropriés pour que l'antenne active, en cas de défectuosité, ne soit plus prise en compte et soit remplacée par l'autre antenne.

Claims (19)

  1. Antenne (2) destinée à être embarquée sur un véhicule ferroviaire (V) afin de localiser ledit véhicule ferroviaire le long d'une voie ferrée (VF) équipée d'un système de balises (1) au sol, l'antenne étant apte à capter un signal électromagnétique représentatif d'une information émise par la balise lorsqu'elle est franchie par ledit véhicule ferroviaire, ladite antenne comportant un premier circuit récepteur en forme de boucle simple (A) et un second circuit récepteur en forme de boucle de deux spires en huit (B), caractérisée en ce que l'antenne comporte en outre un troisième circuit récepteur (C) sous forme de boucle à trois spires avec une spire médiane (C2) disposée entre deux spires externes (C1,C3), les premier, deuxième et troisième circuits récepteurs étant superposés, les trois circuits récepteurs présentant tous sensiblement un même axe de symétrie longitudinale (X) et sensiblement un même axe de symétrie transversale (Y).
  2. Antenne (2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'axe de symétrie transversale (Y) passe par le point de croisement de la boucle en huit (B) du deuxième circuit récepteur et par les plans médians de la boucle simple (A) du premier circuit récepteur et de la spire médiane (C2) du troisième circuit récepteur (C).
  3. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les boucles (A,B,C) des trois circuits récepteurs sont dépourvues de couplage entre elles, ou présentent un couplage résiduel négligeable entre elles.
  4. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diagramme de rayonnement du premier circuit récepteur (A), lors du franchissement de la balise (1), présente successivement un premier lobe secondaire (LSA), un lobe principal (LPA) avec un maximum de puissance et un second lobe secondaire (LSA), avec des points d'annulation (OA) de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  5. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diagramme de rayonnement du deuxième circuit récepteur (B), lors du franchissement de la balise (1), présente successivement un premier lobe secondaire (LSB), puis deux lobes principaux (LMB) et un second lobe secondaire (LSB), avec des points d'annulation (O,OB) de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  6. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diagramme de rayonnement du troisième circuit récepteur (C), lors du franchissement de la balise (1), présente successivement un premier lobe secondaire (LSC), puis un lobe principal (LPC) présentant deux maxima de puissance (MC,M'C) séparées par un minimum (Min) non nul, et un second lobe secondaire (LSC), avec des points d'annulation (OC) de la puissance de rayonnement séparant deux lobes successifs.
  7. Antenne (2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le minimum non nul (Min) du diagramme de rayonnement du troisième circuit récepteur (C ) correspond à un couplage résiduel de celui-ci avec au moins un des deux autres circuits récepteurs (A, B), notamment avec le premier circuit récepteur (A).
  8. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les diagrammes de rayonnement des trois circuits récepteurs (A,B,C) sont sensiblement centrés par rapport à un axe correspondant à leur axe de symétrie transversale (Y).
  9. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le troisième circuit récepteur présente un déséquilibre dans le champs magnétique capté par les trois spires de sa boucle, déséquilibre qui est ajusté pour que, d'une part, la sensibilité du récepteur de l'antenne permette de capter un champ magnétique de même phase sans altération au centre de la boucle quand la balise se trouve centrée par rapport à cette boucle, et que, d'autre part, le couplage entre cette boucle et les boucles des deux autres circuits récepteurs reste négligeable.
  10. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le périmètre de la boucle en huit (B) du deuxième circuit récepteur est sensiblement égal à celui de la boucle simple (A) du premier circuit récepteur.
  11. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend également des moyens électroniques et/ou informatiques de traitement des signaux émis par les balises (1) lors de leur franchissement par l'antenne (2) et captés par les trois circuits récepteurs (A, B, C) de ladite antenne, lesdits moyens comprenant des moyens de codage et de séquençage des déphasages des signaux captés par les trois circuits récepteurs de ladite antenne.
  12. Antenne (2) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens électroniques/informatiques comprennent également des moyens de détermination de la localisation de l'antenne par rapport à la balise (1) franchie par comparaison entre les séquences obtenus par le codage et le séquençage des signaux captés par les trois circuits récepteurs (A, B, C) de l'antenne et au moins une séquence prédéterminée correspondant au centrage exact de l'antenne (2) par rapport à la balise (1).
  13. Antenne (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend également un circuit émetteur destiné à alimenter en énergie la balise (1) lors de son franchissement par l'antenne, notamment sous forme d'une boucle simple alimentée en énergie qui est superposée aux boucles des circuits récepteurs de l'antenne.
  14. Agencement pour la localisation d'un véhicule ferroviaire (V) le long d'une voie ferrée (VF), l'agencement comprenant :
    - une série de balises au sol (1) équipant ladite voie ferrée et destinées à émettre un signal électromagnétique représentatif d'une information lorsqu'elles sont franchies par ledit véhicule ferroviaire,
    - une antenne embarquée (2) dans le véhicule ferroviaire destinée à coopérer avec les balises, caractérisé en ce que l'antenne est conforme à l'une des revendications précédentes.
  15. Agencement selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la balise (1) comprend un circuit émetteur d'un signal électromagnétique sous forme d'une boucle simple.
  16. Procédé de localisation d'un véhicule ferroviaire (V) utilisant l'agencement selon l'une des revendications 14 ou 15, ou utilisant l'antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que :
    - on détecte le signal émis par la balise (1) lors de son franchissement par l'antenne (2) par les circuits récepteurs (A,B,C) de l'antenne embarquée sur le véhicule ferroviaire (V), notamment sous forme, pour chacun des circuits récepteurs, d'un diagramme de rayonnement,
    - on déduit desdits signaux, notamment à partir de la décomposition de leurs diagrammes de rayonnement, les phases des champs magnétiques des différentes portions de signaux, notamment sous forme de lobes dans chaque diagramme de rayonnement,
    - on compare les phases des champs magnétiques, deux à deux, pour en déduire leurs déphasages relatifs,
    - on fait une lecture décimale des ces déphasages relatifs pour obtenir une séquence,
    - on compare la séquence avec au moins une séquence caractéristique prédéterminée correspondant au centrage exact de l'antenne (2) par rapport à la balise (1) en cours de franchissement,
    - quand la comparaison est positive, on en déduit la localisation spatiale et temporelle (T) du véhicule ferroviaire (V) par rapport à la voie ferrée (VF) où il circule.
  17. Procédé de localisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on a deux séquences caractéristiques prédéterminées selon le sens de franchissement de la balise (1) par l'antenne embarquée (2), et en ce qu'on compare la séquence obtenue avec les deux séquences prédéterminées, de façon à en déduire également le sens de circulation du véhicule ferroviaire (V) sur la voie ferrée (VF).
  18. Procédé de localisation selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce qu'on prévoit de filtrer, notamment par des opérations de filtrage numérique, les signaux captés par les circuits récepteurs (A, B, C) de l'antenne (2), notamment de façon à pouvoir, dans l'établissement des séquences et leur comparaison avec la ou les séquences caractéristiques prédéterminée, faire abstraction des bagottements de signaux.
  19. Procédé de localisation selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que, lors d'un franchissement de balise (1) par l'antenne embarquée (2), on ne retient qu'une seule localisation spatiale et temporelle de l'antenne lors de son centrage sur la balise, notamment par des opérations de filtrage numérique.
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