СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА, ТЕРПЯЩЕГО БЕДСТВИЕ НА ВОДЕ
SYSTEM TO DETECT PERSON IN MARINE DISASTER

Предлагаемая система относится к спасательным средствам и может быть использована для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения.
Известны системы для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде (авт. свид. СССР №№ 431.063, 637.298, 765.113, 988.655, 1.348.819, 1.505.840, 1.588.636, 1.615.054, 1.643.325, 1.664.653; патенты РФ №№ 2.000.995, 2.009.956, 2.038.259, 2.043.259, 2.051.838, 2.193.990; патенты США №№ 3.621.501, 4.889.511; патент Великобритании №1.145.051; патент Дании №1.103.118; Дикарев В.И. Безопасность, защита и спасение человека. СПб.: Наука и Техника, 2007. - 574 с. и другие).
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде» (патент РФ №2.193.990, В63С 9/20, 2000), которая и выбрана в качестве прототипа.
Указанная система содержит спасательный жилет, одеваемый на человека и снабженный двумя источниками света и двумя миниатюрными передатчиками, которые обеспечивают обнаружение человека, терпящего бедствие на воде, в светлое время и в условиях плохой погоды на больших расстояниях. При этом для пеленгации источника излучения сигнала бедствия используется фазовый метод с использованием пяти изотропных приемных антенн, расположенных в виде геометрического прямого угла. В каждой плоскости используются две шкалы отчета: большая - точная, но неоднозначная и малая - грубая, но однозначная.
1
2
5
6
1
2
3
4
Однако в ряде случаев при больших диапазонах измерения угловых координат источника излучения сигнала бедствия грубые измерительные базы d могут быть столь малы, что на них физически невозможно разместить две приемные антенны. В таких случаях возможно образование грубых шкал косвенным методом. Для этого в каждой плоскости выбираются две измерительные неравные базы d и d, d и d (фиг.4) и на каждой из них измеряются фазовые сдвиги Δφ, и Δφ, Δφ и Δφ. Измерение разности разностей фаз.
p1
1
2
p2
3
4
Δφ=Δφ-Δφ и Δφ=Δφ-Δφ
эквивалентно измерению фазовых сдвигов на базах, длина которых
3
1
2
7
5
6
d=d-d, d=d-d.
3
7
Таким образом, выбирая разности баз d и d достаточно малыми, можно обеспечить формирование соответствующих грубых измерительных баз.
Следует заметить, что суммарные фазовые сдвиги
∑1
1
2
∑2
3
4
Δφ=Δφ+Δφ и Δφ=Δφ+Δφ
4
8
могут использоваться для формирования измерений, эквивалентных измерению разности фаз на измерительных базах d и d, длина которых равна сумме двух исходных баз:
4
1
2
8
5
6
d=d+d и d=d+d.
Технической задачей изобретения является увеличение диапазона однозначного измерения угловых координат источника излучения сигнала бедствия при малой длине грубых измерительных баз.
3
4
7
8
3
1
2
4
1
2
7
5
6
1
2
5
6
3
7
4
8
Поставленная задача решается тем, что система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи, две сообщающиеся герметичные емкости, каждая из которых отделена от окружающей среды мембраной, при этом одна из герметичных емкостей расположена в грудной области спасательного жилета, а другая - в заспинной его области, мембрана каждой емкости связана с размыкателем электрической цепи соответствующего ей источника света посредством рычага, а оба источника света через размыкатели соединены с источником тока параллельно, два миниатюрных передатчика с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и приемник, установленный на пункте контроля и содержащий измерительный канал, состоящий из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, амплитудного детектора, линии задержки, первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, блока интегрирования, блока деления, второй вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, вычислительного блока и блока регистрации, и четыре пеленгационных канала, каждый из которых состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, перемножителя, второй вход которого через ключ соединен с выходами усилителя промежуточной частоты и блока сравнения, узкополосного фильтра и фазометра, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена вторым и третьим блоками вычитания и двумя сумматорами, причем к выходу первого фазометра подключен второй блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго фазометра, а выход подключен к второму входу блока регистрации, к выходу первого фазометра подключен первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго фазометра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, к выходу третьего фазометра подключен третий блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазометра, а выход подключен к четвертому входу блока регистрации, к выходу третьего фазометра подключен второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом четвертого фазометра, а выход подключен к пятому входу блока регистрации, приемные антенны размещены в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещена приемная антенна измерительного канала, общая для приемных антенн пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и d, d и d, равные d=d-d, d=d+d, d=d-d, где d, d - измерительные неравные базы в азимутальной плоскости, d, d - измерительные неравные базы в угломестной плоскости, при этом меньшими базами d и d образованы грубые, но однозначные шкалы отсчета углов, а большими базами d и d образованы точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов.
Сущность изобретения состоит в том, что спасательный жилет, одетый на человека, терпящего бедствие на воде, снабжен радиоизлучателем, а на пункте контроля периодически производится не менее двух последовательных измерений интенсивности принимаемого сигнала, определяется разностный сигнал двух последовательных измерений, интегрируется разностный сигнал, делится разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал и сравнивается полученное значение с заданным пороговым значением. Это позволяет компенсировать помехи естественного (грозовая активность, возмущение в ионосфере и т.д.) и искусственного (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.) происхождения и на определенной частоте обнаружить сигнал радиоизлучателя.
Для определения координат радиоизлучателя используется фазовый метод пеленгации, которому свойственно противоречие между точностью и однозначностью определения координат источника излучения сигналов бедствия. С целью устранения этого противоречия в каждой плоскости используются две шкалы отсчета: большая - точная, но неоднозначная и малая - грубая, но однозначная.
На фиг.1 схематично изображен спасательный жилет с источниками света 1, 2 и передатчиками 19, 20 с передающими антеннами 21, 22, одетый на человека; на фиг.2 - то же, разрез. Структурная схема приемника, размещаемого на пункте контроля, изображена на фиг.3. Взаимное расположение приемных антенн показано на фиг.4.
Система содержит спасательный жилет с источниками 1 и 2 света, передатчиками 19 и 20 с передающими антеннами 21 и 22 соответственно и приемником, установленным на пункте контроля.
Спасательный жилет, кроме того, состоит из источника 3 энергии, кабелей 4 и 5 подвода энергии к источникам света 1, 2 и передатчикам 19, 20, патронов 6 и 7, мембран 8, 9 и связанных с ними рычагов 1 и 11 с контактами 12 и 13, а также герметичной пневмомагистрали 14, связывающей герметичные воздушные полости 15 и 16. Места ввода кабелей 4 и 5 от источника энергии 3 в полости 15 и 16 загерметизированы уплотнительными кольцами 17 и 18. Источник света 1 и передатчик 19, источник света 2 и передатчик 20 подключены параллельно к источнику энергии 3.
Приемник, установленный на пункте контроля, содержит измерительный канал и четыре пеленгационных канала. Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 23, усилителя 28 высокой частоты, смесителя 34, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 33, усилителя 35 промежуточной частоты, амплитудного детектора 36, линии задержки 37, блока 38 вычитания, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 36, блока 39 интегрирования, блока 40 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 38 вычитания, блока 42 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 41 формирования эталонного напряжения, вычислительного блока 43 и блока 57 регистрации.
Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 24 (25, 26, 27), усилителя 29 (30, 31, 32) высокой частоты, перемножителя 45 (46, 47, 48), второй вход которого через ключ 44 соединен с выходами усилителя 35 промежуточной частоты, и блока 42 сравнения, узкополосного фильтра 49 (50, 51, 52) и фазометра 53 (54, 55, 56), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 33, а выход подключен к соответствующему входу блока 57 регистрации через соответствующий блок вычитания 58 (60) или сумматор 59 (61).
Система работает следующим образом.
2
1
В положении, показанном на фиг.1, давление окружающей среды Р на мембрану 9 больше, чем атмосферное давление P на мембрану 8. Мембрана 9 находится в отжатом состоянии. Соответственно, рычаг 11 отжимает контакт 13 от источника 2 света и передатчика 22, а рычаг 10 поджимает контакт 12 к источнику 1 света и передатчику 19. Источник 1 света горит, передатчик 19 излучает сигнал бедствия, источник 2 света не горит, передатчик 20 не работает.
Если человек совершает поворот относительно горизонтальной оси на 180°, то тогда наверху оказывается источник 2 света и передатчик 20 с передающей антенной 22.
Давление среды на мембрану 8 становится больше, чем на мембрану 9, мембрана 8 поджимается, рычаг 10 размыкает контакт 12 с источником 1 света и передатчиком 19 с передающей антенной 21. Цепь разомкнута, источник 1 света гаснет, передатчик 19 выключается. Одновременно воздух из полости 15 перетекает через магистраль 14 в полость 16, мембрана 9 отжимается, рычаг 11 замыкает контакт 13 с источником 2 света и передатчиком 20 с передающей антенной 22. Источник 2 света загорается, а передатчик 20 излучает сигнал бедствия.
В ночное время и в хорошую погоду источник света может быть обнаружен визуально на значительном расстоянии. Однако в светлое время и в плохую погоду обнаружить источник света затруднительно.
n
c
c
Радиоизлучение является всепогодным и обеспечивает передачу сигнала бедствия на большие расстояния. При этом сигнал бедствия (SOS) излучается периодически с определенным периодом T и длительностью Т на определенной частоте f, которая отводится именно для передачи сигнала бедствия и не занимается для передачи другой информации.
Приемник размещается на пункте контроля, который может быть размещен на суше, на кораблях различного назначения, в том числе и на кораблях поиска и спасения, терпящих бедствие на воде, а также на летательных аппаратах (вертолетах, самолетах и космических аппаратах).
Приемные антенны 23-27, поднятые над поверхностью воды, например, с помощью летательного аппарата и расположенные в виде несимметричного геометрического креста (фиг.4), принимают сигнал бедствия:
c
c
c
1
5
где V, w Т, φ-φ - амплитуда, частота, длительность и начальные фазы сигналов бедствия, принятых антеннами 23-27;
±Δw - нестабильность несущей частоты сигнала бедствия, обусловленная различными дестабилизирующими факторами.
1
г
Регистрация сигнала бедствия осуществляется приемными антеннами 23-27. Зарегистрированный приемный сигнал U(t) с выхода приемной антенны 23 через усилитель 28 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 34, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 33, частота w которого стабилизирована, например, кварцем
г
г
г
г
U(t)=Vcos(wt+φ).
На выходе смесителя 34 образуется напряжение промежуточной (разностной) частоты
где
1
К - коэффициент передачи смесителя;
пр
с
г
w=w-w - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ.
Измерение интенсивности сигнала бедствия осуществляется измерителем напряженности электромагнитного поля, в качестве которого используется амплитудный детектор 36. В каждой точке наблюдения производится не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предыдущему измерению, задерживается линией 37 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 38 вычитанием. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производятся в блоках 39 и 40 соответственно. В блоке 42 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемым блоком 41. В вычислительном блоке 43 осуществляется обработка результатов измерения.
с
Указанные выше операции позволяют компенсировать помехи естественного (грозовая активность, возмущение в ионосфере и т.д.) и искусственного (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.) происхождения и на определенной частоте w обнаружить сигнал бедствия.
Сигнал с выхода блока 42 сравнения одновременно поступает на управляющий вход ключа 44, открывая его. В исходном состоянии ключ 44 всегда закрыт.
2
5
пр
При этом сигналы U(t)-U(t), принятые антеннами 24-27 через усилители 29-32 высокой частоты, поступают на первые входы перемножителей 45-48 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение U(t) с выхода усилителя 35 промежуточной частоты через открытый ключ 44.
На выходах перемножителей 45-48 образуются следующие гармонические колебания:
;
где
2
К - коэффициент передачи перемножителей;
α, β - угловые координаты (азимут и угол места) источника излучения сигнала бедствия;
λ - длина волны;
1
2
5
6
d, d, d, d - измерительные базы, образованные антеннами 24 и 23, 23 и 25, 26 и 23, 23 и 27 соответственно,
которые выделяются узкополосными фильтрами 49-52 и поступают на первые входы фазометров 53-56 соответственно.
г
1
4
На вторые входы фазометров 53-56 подается напряжение U(t) гетеродина 33. Фазометры 53-56 измеряют фазовые сдвиги Δφ-Δφ, которые поступают на входы блоков 58 и 60 вычитания и сумматоров 59 и 61.
Измерение разности разностей фаз на выходе блоков 58 и 60 вычитания:
p1
1
2
p2
3
4
Δφ=Δφ-Δφ и Δφ=Δφ-Δφ
эквивалентно измерению фазовых сдвигов на измерительных базах, длина которых определяется разностью:
3
1
2
7
5
6
d=d-d, d=d-d.
3
7
Таким образом, выбирая разности баз d и d достаточно малыми, можно обеспечить формирование соответствующих измерительных баз.
Суммарные фазовые сдвиги
∑1
1
2
∑2
3
4
Δφ=Δφ+Δφ и Δφ=Δφ+Δφ,
4
8
полученные на выходе сумматоров 59 и 61, используются для формирования измерений, эквивалентных измерению разности фаз на измерительных базах d и d, длина которых равна сумме исходных баз:
4
1
2
8
5
6
d=d+d, d=d+d.
При этом между сформированными измерительными базами выполняются следующие неравенства:
p1
p2
∑1
∑2
Фазовые сдвиги Δφ, Δφ, Δφ, Δφ регистрируются блоком 57 регистрации.
Зная высоту h полета летательного аппарата и измерив угловые координаты, можно точно и однозначно определить координаты источника излучения сигнала воздействия (человека, терпящего бедствие на воде).
г
Приемник инвариантен к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, так как пеленгация источника излучения сигнала бедствия осуществляется на стабильной частоте w гетеродина 33. Приемник также инвариантен к виду модуляции принимаемых сигналов, если сигналы бедствия имеют модуляцию (манипуляцию) одного из параметров.
Кроме того, за счет использования неподвижных изотропных приемных антенн значительно упрощается техническая реализация приемника на борту летательных аппаратов и объектов.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом обеспечивает увеличение диапазона однозначного измерения угловых координат источника излучения сигнала бедствия (человека, терпящего бедствие на воде) при малой длине грубых измерительных баз. Это достигается формированием грубых шкал косвенным методом и расположением приемных антенн в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого размещена приемная антенна измерительного канала, общая для приемных антенн, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях.