Qu'est-ce qu'une antenne ferroviaire ? Le guide complet

Avec les progrès de la technologie et le rythme rapide des modes de vie modernes, l'industrie ferroviaire devient également de plus en plus avancée et s'oriente vers des systèmes ferroviaires intelligents. Les antennes ferroviaires sont devenues une nécessité dans les systèmes ferroviaires d'aujourd'hui pour une communication efficace et fiable. Cet article présente une vue d'ensemble des antennes ferroviaires, de leur conception, de leur fonctionnalité, de leurs applications, de leurs avantages et de leur impact sur l'industrie ferroviaire, tout en examinant quelques études de cas réels.

Introduction aux antennes ferroviaires

La fiabilité et l'efficacité de la communication co1TP15 sont une nécessité absolue pour le fonctionnement stable et sans heurts de la plupart des systèmes ferroviaires modernes. Compte tenu du grand nombre de composants corrélés dans un système ferroviaire, tels que les systèmes de signalisation, les systèmes d'alarme, la billetterie, la vidéosurveillance, la gestion du trafic, etc., il est crucial de mettre en œuvre une solution de communication robuste. L'absence de communication appropriée dans un système ferroviaire peut entraîner de nombreux problèmes, notamment des risques pour les opérations, la sécurité et la sûreté.

Les antennes ferroviaires jouent un rôle essentiel dans tous ces systèmes de communication ferroviaire. Elles sont les composants centraux des systèmes de communication et la performance de l'ensemble de l'installation peut dépendre fortement de la performance de l'antenne. Les antennes ferroviaires sont spécialement conçues pour diverses applications de communication ferroviaire, telles que les antennes de toit omnidirectionnelles pour la communication entre les trains en mouvement, les centres d'exploitation et les gares, ainsi que les antennes internes pour le WiFi à l'intérieur des wagons et les antennes multipolarisées. Dans les systèmes ferroviaires, les antennes sont principalement utilisées pour les indicateurs ferroviaires, la surveillance, la navigation et les systèmes de communication pour l'utilisation par les passagers.

Définition de base des antennes ferroviaires

Les antennes ferroviaires sont des dispositifs utilisés par l'industrie ferroviaire pour créer un environnement connecté à la fois pour les passagers et pour les tâches opérationnelles. Le type d'antenne ferroviaire le plus communly requis est l'antenne montée sur le toit, qui est un composant extrêmement crucial dans les trains. Elle est essentielle pour communiquer avec les autres trains en cours, les gares et les centres opérationnels, en guidant et en fournissant les signaux nécessaires aux conducteurs de train et aux passagers.

Les antennes ferroviaires fonctionnent de la même manière que n'importe quelle autre antenne. Une antenne ferroviaire émettrice émet une onde électromagnétique qui peut induire un courant électrique dans un conducteur proche. Dans une antenne ferroviaire réceptrice, le champ électromagnétique appliqué est distribué sur toute la longueur de l'antenne pour recevoir le signal. Les antennes ferroviaires sont généralement placées aussi haut que possible afin de minimiser l'obstruction due à d'autres signaux.

Conception et structure

Lors de la conception d'une antenne ferroviaire, il faut tenir compte des contraintes de taille physique du toit d'un train. L'espace entre les dimensions extérieures du train et le gabarit maximal autorisé est restreint. Par conséquent, lors de la conception d'une antenne ferroviaire, celle-ci doit être aussi petite que possible, sans compromettre la performance ou la fonctionnalité de l'antenne. En général, les antennes ferroviaires ont une hauteur comprise entre 40mm et 80mm et sont conçues pour fonctionner avec différents systèmes de communication tels que GSM-R, UMTS, LTE, LTE MIMO, WiFi 2.4/5GHz, etc.

En général, les antennes omnidirectionnelles sont conçues pour être utilisées dans les trains, car les gares, les centres d'exploitation et les autres trains en mouvement peuvent se trouver dans n'importe quelle direction et doivent communiquer efficacement. Le plan de masse d'une antenne ferroviaire doit être idéalement une grande feuille de métal plate et horizontale située au-dessus de la hauteur de tout autre objet sur le toit du train. Les antennes ferroviaires doivent être placées aussi loin que possible des obstacles situés sur les toits des trains, tels que les dispositifs de climatisation, car ceux-ci peuvent considérablement dégrader les performances de l'antenne. Une autre exigence majeure lors de la conception des antennes ferroviaires est de s'assurer qu'elles résistent aux conditions météorologiques les plus difficiles, car elles sont régulièrement soumises à des vents violents, à des températures élevées, à une forte usure, etc.

Types d'antennes ferroviaires

Il existe de nombreux types d'antennes ferroviaires. En fonction du cas d'utilisation, elles peuvent être divisées en trois catégories : les antennes montées sur les toits des trains, les antennes à l'intérieur des trains et les antennes dans les gares.

Les antennes montées sur le toit des trains sont généralement omnidirectionnelles ou bidirectionnelles. Les antennes ferroviaires omnidirectionnelles émettent des signaux uniformément dans toutes les directions. Elles assurent une couverture complète autour du train. Elles constituent donc une solution utile et polyvalente pour tous les besoins généraux de communication dans les trains, par exemple pour fournir des informations de localisation en temps réel, transférer et recevoir des informations opérationnelles, assurer le suivi, la surveillance, etc. Les antennes ferroviaires bidirectionnelles offrent une couverture d'avant en arrière ou d'un côté à l'autre.

Ces antennes ferroviaires combinent généralement plusieurs technologies de communication pour répondre aux exigences uniques des systèmes ferroviaires. Par conséquent, si l'on considère les types d'antennes ferroviaires, il existe des antennes pour réseaux WiFi et cellulaires, des antennes GPS, des antennes multipolarisées, antennes MIMO, etc, et les antennes compatibles avec plusieurs de ces technologies simultanément.

Les antennes utilisées dans les gares peuvent être directionnelles ou omnidirectionnelles. Les antennes directionnelles émettent des signaux dans une seule direction. Elles peuvent être utiles pour fournir un gain plus élevé pour des zones de couverture spécifiques. Elles sont idéales pour la communication en bord de voie afin d'envoyer et de recevoir des signaux, des informations de suivi, etc. de manière efficace. Les antennes ferroviaires omnidirectionnelles situées dans les gares offrent une couverture plus large et sont donc idéales pour les communications de contrôle des trains, les systèmes d'information des passagers et les activités d'échange de données entre les gares. Les antennes ferroviaires internes sont généralement utilisées pour établir un réseau sans fil afin de fournir une connectivité internet aux passagers et au personnel à bord.

Spécifications techniques

Les antennes ferroviaires doivent fonctionner de manière fiable lorsque le train traverse divers environnements réseau. Les antennes ferroviaires sont donc conçues pour être compatibles avec de multiples technologies telles que la 4G et d'autres réseaux cellulaires, le GPS, le WiFi, etc. Aujourd'hui, les antennes ferroviaires prennent généralement en charge plusieurs réseaux cellulaires, dont la 5G, la 4G et la LTE, et fonctionnent à la fois dans les spectres de fréquences avec et sans licence. Les antennes ferroviaires compatibles avec le WiFi, généralement des antennes de train internes, fonctionnent dans les gammes de fréquences 2.4Ghz et 5GHz.

Ces antennes utilisent des technologies modernes comme MIMO et les concepts de formation de faisceau. La principale raison d'utiliser le concept MIMO dans les antennes ferroviaires est la nature variable du signal et son atténuation en fonction de l'emplacement géographique et de son environnement opérationnel. Les fluctuations fréquentes des paramètres du signal en fonction des facteurs environnementaux entraîneront des modifications du rapport signal/bruit et auront un impact sur le taux d'erreur global des données. En utilisant la technologie MIMO dans les antennes ferroviaires, plusieurs antennes transmettent et reçoivent des données simultanément, ce qui améliore la fiabilité du signal et réduit les interférences. Ainsi, le taux d'erreur des données sera minimisé et l'impact sur la performance globale sera minimal en raison des variations dans les environnements d'exploitation. La formation de faisceaux est une autre technologie de traitement des signaux utilisée dans les antennes ferroviaires. Dans la formation de faisceaux, les signaux à des angles particuliers sont soumis à des interférences constructives tandis que d'autres sont soumis à des interférences destructives en combinant des éléments d'antenne dans un réseau phasé disposé selon un schéma spécifique. La formation de faisceaux est utilisée à la fois à l'émission et à la réception des liaisons de communication dans les systèmes ferroviaires pour améliorer la portée, la capacité et la performance globale.

D'autres technologies modernes telles que la communication optique en espace libre, les méthodes de codage des canaux et les méthodes de transmission adaptative peuvent être utilisées dans les antennes ferroviaires. Toutes ces technologies sont utilisées dans les antennes ferroviaires pour améliorer leurs performances. Les antennes ferroviaires prennent en charge le GPS pour permettre une localisation précise. Comme ces antennes doivent fournir des signaux précis avec un minimum d'erreurs de données pendant les déplacements à grande vitesse, des antennes à gain élevé et des amplificateurs intégrés sont utilisés pour les antennes ferroviaires. Les antennes ferroviaires supportées par le GPS fonctionnent sur les fréquences L1 (1575,42 MHz) et L2 (1227,60 MHz). Les antennes ferroviaires sont communiquement construites pour se conformer aux unités PTC (Positive Train Control) qui fonctionnent dans l'allocation de fréquence 220 MHz pour les communications critiques pour la sécurité. Elles utilisent des alimentations d'antennes multiples et des connexions coaxiales pour la prise en charge simultanée des fréquences et pour assurer la redondance.

Applications dans les systèmes ferroviaires

La communication est vitale dans les systèmes ferroviaires. Les antennes jouent un rôle clé dans le maintien d'une communication stable et fiable entre toutes les parties prenantes telles que les passagers, les opérateurs ferroviaires, les ingénieurs, le personnel des gares, etc. Les antennes ferroviaires sont utilisées à de nombreuses fins dans les systèmes ferroviaires. Les antennes ferroviaires sont utilisées pour la surveillance des trains en temps réel. Grâce au GPS et à la connectivité rapide 4G ou 5G des antennes ferroviaires modernes, il est possible de transférer des données entre les centres opérationnels et les trains avec une latence minimale et une grande précision.

Les antennes ferroviaires sont également extrêmement utiles pour la communication entre les membres du personnel de bord. Une autre application principale des antennes ferroviaires est la sécurité et la surveillance. Les données en temps réel capturées par les caméras ou les dispositifs de surveillance sont transférées aux centres opérationnels en temps réel à des fins de contrôle. Les antennes ferroviaires sont cruciales ici pour recevoir les données avec efficacité et haute résolution. En surveillant les données relatives à la vitesse, à la vigilance de l'opérateur et aux performances des freins et des moteurs, et en les transférant en temps réel aux centres opérationnels, les antennes ferroviaires peuvent contribuer à prévenir les accidents ferroviaires. C'est important pour assurer la sécurité des passagers. Les antennes ferroviaires internes qui sont fixées à l'intérieur des trains sont utilisées pour établir un réseau sans fil pour les passagers à bord. Ces antennes ferroviaires internes sont importantes pour la distribution du WiFi aux passagers, les systèmes de communication internes et les systèmes de divertissement à bord.

Avantages des antennes ferroviaires

Les antennes ferroviaires sont extrêmement utiles dans de nombreux aspects de l'industrie ferroviaire. Elles jouent un rôle essentiel en assurant une bonne communication entre les trains, les centres d'exploitation, les gares, le personnel de bord et les passagers. Le bon fonctionnement de l'ensemble du système ferroviaire dépend fortement des performances des antennes ferroviaires. Les antennes ferroviaires sont également utiles en termes de sécurité et de protection des passagers. Les systèmes de caméras de surveillance en temps réel permettent de contrôler et de minimiser les activités frauduleuses, les vols, etc. Les antennes ferroviaires sont également utiles pour établir des réseaux sans fil à l'intérieur des trains afin que les passagers restent connectés.

Études de cas

Les antennes ferroviaires ont été utilisées pour diverses applications. Vous trouverez ci-dessous quelques scénarios et cas d'utilisation réels des antennes ferroviaires.

Le projet Ferrovie del Gargano démontre l'utilisation d'un réseau sans fil dédié en bord de voie pour fournir un WiFi à bord dans les zones où la couverture LTE de la radio mobile est limitée ou inexistante. Dans ce projet, le réseau WiFi embarqué a été établi à l'aide de deux radios Fluidmesh FM4200 MOBI par train, connectées à des antennes de toit 2×2 MIMO à haut gain. Les 5 stations de base Wi-Fi GHz ont été positionnées à 5 km d'intervalle le long des voies, assurant une couverture à 100 %. Cette configuration a permis de fournir 1 Go de bande passante utilisable à des trains roulant jusqu'à 250 mph.

Comme nous l'avons vu, les antennes ferroviaires sont extrêmement utiles pour assurer la sécurité des passagers et pour les enquêtes sur les incidents. Le réseau ferroviaire de Regina Transit a enregistré une réduction des agressions et des crimes depuis l'installation de plusieurs caméras vidéo et de systèmes de surveillance dans le cadre d'un programme pilote en 2012. Cette vidéosurveillance et ce contrôle en temps réel sont également utiles pour minimiser les fausses réclamations et offrent une protection contre les litiges. Il est également arrivé que des accidents et des incidents de sécurité se produisent en raison de l'absence d'antennes ferroviaires. L'incident survenu le 12 mai 2015 à Philadelphie, l'accident d'Amtrak qui a tué 8 passagers et membres d'équipage, aurait pu être évité si un PTC adéquat avait été mis en place avec des antennes ferroviaires fiables. Le train qui roulait à 102 miles par heure dans une zone de 50 miles par heure sur des voies en courbe a déraillé. Un suivi efficace en temps réel de la vitesse et de la localisation aurait pu permettre un contrôle automatique des trains et limiter la vitesse du train Amtrak avant qu'il n'atteigne la courbe.

Chelton a conçu et fabriqué pour Thales des antennes destinées à la section 2 du projet CTRL (Channel Tunnel Rail Link), entre Fawkham Junction dans le Kent et la gare internationale de Londres St Pancras. Cette section comprend des ponts, des tunnels et des structures le long de l'itinéraire. Avec 25% de l'itinéraire passant par des tunnels et des trains circulant à des vitesses pouvant atteindre 150 mph, des antennes ferroviaires adaptées devaient être utilisées dans le cadre du projet. Les antennes utilisées devaient résister et absorber les vibrations causées par la vitesse du vent des trains dans les tunnels. Les antennes devaient donc être robustes, fiables, avoir une faible charge de vent et répondre aux exigences en matière de radiofréquences. Les antennes utilisées devaient également être discrètes afin de se fondre dans l'environnement et de ne pas nuire à l'esthétique. Les antennes devaient avoir des niveaux de puissance couvrant les fréquences du GSM-R, de la Cab Secure Radio et des services des pompiers de Londres. Une antenne spéciale à panneau mince a été conçue pour soutenir le système de services d'urgence dans le tunnel de Londres et les voies d'évacuation d'urgence.

Impact sur l'industrie ferroviaire

L'importance croissante accordée à la modernisation des chemins de fer et aux systèmes de transport intelligents fait que les antennes ferroviaires auront un impact majeur sur l'industrie ferroviaire. Le besoin croissant de réseaux ferroviaires à grande vitesse va de pair avec la nécessité de systèmes précis de suivi et de contrôle des trains. Pour faciliter une communication fiable, la sécurité et l'amélioration des opérations, les antennes ferroviaires seront un élément crucial. Les antennes ferroviaires auront un impact considérable sur l'industrie ferroviaire dans tous les aspects, y compris la communication radio entre les trains en mouvement, les centres d'exploitation et les gares, la garantie de connexions de données sans fil sûres, la mise en œuvre de systèmes de surveillance et de navigation appropriés, l'installation d'indicateurs ferroviaires stables et la mise en œuvre de systèmes de réseaux sans fil internes destinés aux passagers. Avec l'avancement de technologies telles que la 5G, la navigation par satellite et les dispositifs IoT, ainsi que la tendance croissante à la numérisation du secteur des transports, l'impact des antennes ferroviaires sur l'industrie ferroviaire continuera de croître. Le marché des antennes ferroviaires se développera également à l'avenir avec l'impact massif attendu des antennes ferroviaires sur l'industrie ferroviaire.

Conclusion

Les antennes ferroviaires sont un élément crucial des systèmes ferroviaires modernes. Les antennes ferroviaires sont utilisées dans divers aspects de l'industrie ferroviaire. Cela inclut le suivi et la surveillance en temps réel, la navigation précise et le contrôle de la vitesse, la vidéosurveillance, la garantie de la sécurité des passagers, les systèmes de communication du personnel de bord, le réseau Wifi embarqué pour les passagers, etc. Avec l'avancée des technologies modernes comme la 5G et l'IoT et l'importance croissante accordée à la construction de systèmes de transport intelligents, l'impact des antennes ferroviaires sera encore plus important à l'avenir.