УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОИСКА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЛЮДЕЙ
APPARATUS FOR SEARCHING FOR AND LOCATING PEOPLE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для поиска и обнаружения людей, например, затерявшихся в горах или лесу, попавших под снежную лавину либо находящихся под развалинами зданий, основанное на получении направленного приема специализированных радиосигналов и основанное на использовании квазиизотропного направления излучения и узконаправленного приема специальных сигналов.
Известно изобретение под названием «Способ и устройство дистанционного определения местоположения погребенных под обширными завалами людей» [1], принцип действия которого основан на применении техники активной радиолокации и измерения доплеровского сдвига частоты. Недостатками изобретения являются сложность генерации, обработки обратно принятых сигналов и необходимость менять местоположение приемопередающего блока.
Более простое устройство имеет изобретение «Способ обнаружения живых объектов и устройство для его осуществления» [2], позволяющее регистрировать частоту дыхания и частоту сердечных сокращений человека, занесенного толстым слоем снега, основанное на принципах стандартной радиотелеметрии. Недостаток изобретения в том, что оно не имеет узконаправленной антенны, а поэтому может регистрировать только факт сохранения жизнедеятельности человека без указания его местоположения.
Наиболее простым по устройству и удобным в эксплуатации можно считать устройство спутникового телевидения индивидуального пользования, обладающее большой дальностью обнаружения источника СВЧ-излучения и высокой точностью целеуказания по азимуту и углу места. Подробное описание состава и принципа его действия приведено в разделе «Индивидуальный комплект спутникового телевидения» на с.157-184 книги [3].
Согласно [3] устройство состоит из радиопередатчика и узконаправленной излучающей антенны, находящихся на борту ИСЗ-ретранслятора, выведенного на геостационарную орбиту в некоторой фиксированной точке на высоте 36000 км над экватором, и наземного радиоприемного комплекта, находящегося в индивидуальном пользовании. Радиоканал между передатчиком и радиоприемником использует стандартный трехсантиметровый диапазон радиоволн 10,7-12,75 ГГц, разбитый на два поддиапазона: 10,6-10,75 ГГц (нижний) и 10,7-12,75 ГГц (верхний) поддиапазоны. При мощности радиопередатчика в несколько сотен ватт и наклонной дальности связи в 40000 км наземный приемный комплекс обеспечивает высококачественный прием ТВ программ на малогабаритную приемную антенну с параболическим рефлектором диаметром всего 0,5-0,6 м.
Достоинством данного устройства, который выбран в качестве прототипа, является то, что практически все элементы радиоприемной части комплекса могут быть использованы из числа узлов серийного промышленного производства, входящих в состав радиоприемного комплекса индивидуального пользования [3, с.158-167, 179-184]:
приемная антенна с параболическим рефлектором, имеющая офсетный (смещенный в вертикальной плоскости) фокус;
приемная головка, содержащая последовательно соединенные приемную рупорную антенну, апертура которой размещена в офсетном фокусе рефлектора, полосовой усилитель СВЧ, преобразователь частоты и предварительный усилитель промежуточной частоты 0,95-2,15 ГГц;
индикатор мощности принятого сигнала, содержащий основной усилитель промежуточной частоты, пороговое устройство и непосредственно стрелочный или светодиодный индуктор мощности сигнала на промежуточной частоте [9,10].
Согласно [4, с.9] параболические антенны отечественного производства диаметром 600 мм в диапазоне частот 10,7-12,75 ГГц имеют усиление 38 дБ (6000 раз) при ширине главного лепестка диаграммы направленности на уровне половинной мощности 2,9º, что обеспечивает высокую точность наведения на источник по азимуту и углу места.
В свою очередь, большой запас усиления по мощности на несущей и промежуточной частотах приемно-усилительного тракта гарантирует значительную дальность обнаружения радиосигнала даже с учетом потерь энергии в завалах и снежных заносах.
Вместе с тем, индивидуальный комплект спутникового телевидения [4, с. 157-185] при всех своих перечисленных достоинствах обладает недостатком, не позволяющим полностью реализовать их. Причина в том, что фиксирование направления приема по главному лепестку диаграммы направленности требует применения дополнительного визира - механического или оптического и магнитного компаса. И чем больше дальность, тем труднее указать фактическое местоположение радиопередатчика, находящегося у разыскиваемого человека.
Другим недостатком прототипа является объективная трудность определения местоположения обнаруженного объекта в темное время суток и в сложных метеорологических условиях.
Требуемый технический результат - значительное повышение точности указания местоположения разыскиваемого человека в любых метеорологических условиях, в любое время суток может быть достигнут посредством установки на рефлекторе приемной антенны источника лазерного излучения видимого (зеленого или красного) диапазона длин волн, излучающего вдоль медианы главного лепестка диаграммы ее направленности. При этом для полной реализации высокой точности указания по лазерному лучу требуется, чтобы максимальная ошибка рассогласования углов между направлениями на источник радиоизлучения медианы главного лепестка диаграммы направленности и лазерного излучения составляла не более ±0,1º. Добиться выполнения столь высокого требования можно, если в геометрическом центре параболического рефлектора приемной антенны сделать отверстие и установить в нем указанный источник лазерного излучения, повернув ее продольную ось симметрии, совпадающую с направлением излучения, вверх в вертикальной плоскости под углом α, где α - угол смещения фокуса для выбранной антенны офсетного типа.
Выбор геометрического центра параболического рефлектора в качестве места размещения источника лазерного излучения объясняется высокой жесткостью этой части рефлектора, которая не подвержена внешним воздействиям в отличие от периферии рефлектора. Кроме того, отверстие в центре рефлектора позволяет жестко зафиксировать то требуемое направление излучения посредством применения эпоксидного клея или пайкой низкотемпературным припоем.
Техническая сущность заявленного устройства иллюстрируется чертежом, приведенном на фиг.1, где используются следующие обозначения.
1. Малогабаритный маломощный СВЧ-радиопередатчик, находящийся у человека, рискующего оказаться в критической ситуации.
2. Первый автономный источник питания радиопередатчика.
3. СВЧ-автогенератор.
4. Излучающая антенна СВЧ с квазиизотропной диаграммой направленности излучения.
5. Направление излучения радиопередатчика.
6. Рефлектор приемной антенны, где
F1 - положение прямого фокуса на продольной оси симметрии рефлектора ОХ;
F2 - положение смещенного (офсетного) фокуса рефлектора;
α - офсетный угол сдвига фокуса рефлектора в вертикальной плоскости.
7. Направление переизлучения сигнала 5, принятого рефлектором 6.
8. Приемная головка.
9. Жесткий металлический кронштейн.
10. Гибкий коаксиальный кабель СВЧ.
11. Блок усиления и индукции мощности сигнала на промежуточной частоте 0,95-2,15 ГГц.
12. Второй автономный источник питания.
13. Отверстие в геометрическом центре рефлектора 6.
14. Источник видимого лазерного излучения, снабженный встроенным источником питания.
15. Направление видимого лазерного излучения.
Взаимная связь элементов устройства осуществляется следующим образом. Первый источник автономного питания 2 радиопередатчика 1 соединен с автогенератором СВЧ-диапазона радиоволн 3, нагрузкой которого является излучающая антенна 4. Апертура рупорной антенны (рупора) приемной головки 8 размещена в офсетной фокальной плоскости F2. Фиксация положения апертуры в фокальной плоскости F2 и направления продольной оси симметрии головки 8 под углом α относительно продольной оси симметрии рефлектора 6 в вертикальной плоскости осуществляется с помощью жесткого металлического кронштейна 9, один конец которого закреплен на внешней поверхности рефлектора 6, а другой охватывает цилиндрический корпус головки 8, выход которого через гибкий коаксиальный кабель СВЧ 10 соединен со входом блока усиления и индикации мощности сигнала 11 на промежуточной частоте 0,95-2,15 ГГц, подключенного ко второму автономному источнику питания 12. В геометрическом центре рефлектора выполнено дополнительное отверстие, в котором жестко закреплен источник лазерного излучения 14 видимого диапазона длин волн таким образом, что его продольная ось симметрии находится в нижней части вертикальной плоскости под углом -α к продольной оси симметрии рефлектора 6.
Функционирование предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Радиопередатчик 1 находится у человека, который рискует оказаться в одной из чрезвычайных ситуаций, упомянутых выше. При возникновении опасности производится включение первого автономного источника питания 2, после чего осуществляется возбуждение автогенератора 3, снабженного антенной с квазиизотропной диаграммой направленности излучения 4. Излучаемая антенной радиоволна 5 распространяется в пространстве и достигает внутренней поверхности параболического рефлектора приемной антенны 6. Далее отраженная от рефлектора 6 радиоволна 7 фокусируется в плоскости апертуры рупора приемной головки 8, где преобразуется в ток СВЧ, после чего он проходит через усилительно-преобразовательный тракт головки 8, принимая стандартное значение промежуточной частоты 0,95-2,15 ГГц. Далее сигнал на промежуточной частоте с выхода приемной головки через гибкий коаксиальный кабель СВЧ 10 поступает на вход усилительно-индикаторного блока 11, подключенного ко второму автономному источнику питания 12.
В настоящее время индикатор блока 11 выполняется в двух вариантах: со стрелочной и дискретной светодиодной многоразрядной индикацией мощности сигнала. Факт обнаружения сигнала фиксируется акустическим сигналом (зуммером).
Максимум принятого сигнала будет наблюдаться в случае, когда излучаемая волна 5 направлена вдоль медианы главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны шириной около 3,0º на уровне половинной мощности. Данное направление отклонено от продольной оси симметрии рефлектора на угол α и визуально наблюдается и фиксируется видимым лазерным излучением.
Точное направление на источник излучения фиксируется по максимуму отклонения стрелки индикатора первого или по максимальному числу светящихся светодиодов индикатора второго типа. Угол расхождения луча зеленого твердотельного лазера не более 0,1-0,2º, что позволяет в 15-20 раз уменьшить диаметр зоны неопределенности поиска объекта по сравнению с зоной, определяемой радиоволной, независимо от времени суток и состояния погоды.
Таким образом, узконаправленное лазерное излучение зеленого или красного свечения с высокой точностью указывает направление на источник СВЧ-излучения, особенно хорошо заметное в темное время суток. Если на пути распространения лазерного излучения нет дополнительных препятствий, то лазерное пятно на местности будет указывать местоположение объекта поиска. При наличии помех - фиксировать азимут и угол места направления на объект поиска.
Проведенные предварительные исследования в области современного состояния техники спутникового телевидения показали достаточно простые и недорогие варианты реализации заявляемого изобретения, что подтверждается приводимым ниже примером изготовления макета заявляемого устройства.
Блок радиопередатчика, работающий в экономичном режиме амплитудно-импульсной модуляции, выполнен по принципиальной схеме, включающей в себя следующие каскады:
импульсный генератор мелодичной последовательности на интегральной микросхеме УМС 8;
электронный ключ модулятора на двух биполярных транзисторах КТЗ 102К (n-p-n) и КТЗ 107К (p-n-p);
автогенератор СВЧ на транзисторе КТ647А (n-p-n), резонансный контур которого является одновременно излучающей одновитковой круговой рамочной антенной диаметром 9 мм;
первым автономным источником питания является гальваническая батарея начальным напряжением 9,0 В и емкостью 1200 мАч для щелочного варианта «Рубин». Потребляемый ток колеблется в пределах 3-10 мА в зависимости от длительности импульсов (20-40 мкс) и частоты их повторения (3-4 кГц), что определяется характером выбранной мелодии. Для индикации включения устройства используется светодиод ярко-красного свечения, потребляемый ток которого ограничен до 0,5 мА посредством резистора 12 кОм, подключенного к шине питания. Колебательная мощность на волне 2,7 см, подводимая к кольцевой антенне, составляет 30 мВт, излучаемая мощность - 15 мВт.
Конструктивно электрическая схема передатчика 1 выполнена на двух печатных платах: одна - генератор импульсной последовательности с электронным ключом и стабилизатором напряжения питания, вторая - автогенератор с рамочной одновитковой антенной в форме круга ⌀ 9 мм. Указанные платы вместе с батареей питания устанавливаются внутри стандартного корпуса из ударопрочной пластмассы с внешними размерами 98×70×24 мм. Светодиод-индикатор включения питания выведен на переднюю панель корпуса. Выключатель питания размещен сбоку. Общая масса менее 100 граммов. Работоспособность передатчика сохраняется при снижении напряжения питания до 7,0 В.
Диаграмма направленности излучения кольцевой антенны 4 радиопередатчика 1 на волне 2,7 см, полученная экспериментально, свидетельствует о равномерной диаграмме излучения: провалы достигают уровня 0,5-0,7 (минус 3-6 дБ) относительно максимума 1,0 при всех значениях азимута 0º-360º. Поэтому можно считать диаграмму направленности излучения передатчика 1 квазиизотропной.
В [4, с.9] приведены подробные основные технические характеристики и внешний вид малогабаритных офсетных приемных антенн диаметром 0,6 м, 0,9 м и 1,2 м, применяемых в индивидуальном спутниковом телевидении отечественного производства:
рабочая полоса частот 10,7-12,75 ГГц;
коэффициент усиления 35,0, 38,5 и 41,0 дБ соответственно;
ширина главного лепестка диаграммы направленности приема на уровне половинной мощности 2,9º;
уровень боковых лепестков диаграммы направленности приема минус 25 дБ;
уровень кросс-поляризации минус 25-30 дБ.
Технические характеристики широко распространенной офсетной антенны Ф 0,55 СТВ-0,55-11 [9] свидетельствуют, что для нее офсетный угол α=19,65º, ширина главного лепестка диаграммы направленности приема 3,3º, коэффициент усиления 34,5 дБ, масса без подвески 2,6 кг при диаметре 55 см.
Широкое распространение в нашей стране получили приемные головки (конверторы) производства КНР, сведения о наиболее известных из них приводятся ниже.
Основные технические характеристики одноканальной универсальной приемной головки (конвертора) GSLF-51E производства фирмы General Satellite (КНР) [7]:
диапазон принимаемых частот 11,7-12,7 ГГц;
промежуточная частота 950-2000 МГц;
частота гетеродина 10,75 ГГц;
коэффициент шума 0,3 дБ;
усиление 50-60 дБ;
правосторонняя поляризация сигнала при напряжении питания 11-14 В;
левосторонняя поляризация сигнала при напряжении питания 16-20 В;
подавление кросс-поляризации 25 дБ;
ослабление зеркального канала 40 дБ;
потребляемый ток 90 мА;
выходной коаксиальный разъем 75 Ом, розетка;
уровень побочных излучений минус 60 дБ;
диапазон рабочей температуры от -40ºС до +65ºС;
масса 220 г.
Технические характеристики приемной головки (конвертера) U-011 производства фирмы Sevensky (КНР) аналогично тем, которые приведены в [10]. Отличие заключается в установлении режима приема любой поляризации, левосторонней и правосторонней одновременно (круговой поляризации), за счет потери усиления на 3 дБ, а также в электронном способе коммутации диапазона принимаемых частот:
10,7-11,7 ГГц при напряжении питания 11-14 В;
11,7-12,75 ГГц при напряжении питания 16-20 В.
Головка снабжена двумя гетеродинами, работающими на разных частотах: 9,75 ГГц и 10,60 ГГц. Их переключение осуществляется при смене напряжения питания.
Краткий перечень характеристик дополнительных индикаторов мощности принимаемого сигнала под названием Satellite Finder (КНР) со стрелочной и светодиодной индикацией уровня мощности сигнала, включаемых между выходом приемной головки и входом телевизионного приемника, приведенных в [9, 10], указывают, что:
промежуточная частота 950-2400 МГц для прибора ASF 304 и 950-2150 МГц для прибора SF-12;
максимальный уровень входного сигнала минус 10 дБ·мВт;
напряжение питания 13-18 В.
Инструкция для пользователя прибора со стрелочной индикацией [9] свидетельствует, что шкала прибора имеет 100 делений с шагом 0,05 В, отклонение в пределах 0-5 В. Усиление на промежуточной частоте регулируется переменным резистором в пределах от 20 до 30 дБ. Потребляемый ток 20 мА, рабочее напряжение 13-18 В.
Аналогичная инструкция прибора с дискретной светодиодной индикацией [10] говорит о том, что индикатор содержит 6 светодиодов красного цвета свечения с дискретным шагом срабатывания 0,5 В. Максимальный уровень входного сигнала - минус 10 дБ относительно уровня 1 мВт. Потребляемый ток 20 мА, уровень регулируемого усиления (установления порога срабатывания первого светодиода) 20-30 дБ.
Нормальное функционирование обоих приборов [9,10] обеспечивается при отношении мощностей сигнала и внутреннего теплового шума 15 дБ (30 раз). Гарантируемый коэффициент шума приемной головки менее единицы.
В описываемом макете устройства в качестве источника лазерного излучения видимого диапазона длин волн использована лазерная указка.
В настоящее время широко распространены лазерные указки зеленого и красного свечения мощностью от 1 до 100 мВт. Наилучшие результаты были получены при использовании лазерной указки производства КНР с номинальной мощностью излучения 50 мВт на длине волны 532±10 нм по стандарту 21 CFR. Ее длина 165 мм, диаметр 15 мм, масса 150 г. Питание от двух щелочных элементов ААА общим напряжением 3,0 В, встроенных в корпус указки.
Отверстие 13 в геометрическом центре О рефлектора 6 имеет диаметр 18 мм. В него вставлена металлическая втулка из меди, диаметры которой равны ⌀18×16 мм. В эту втулку вставляется лазерная указка 14 без люфта. Фиксация угла наклона α=19,7º втулки осуществляется пайкой припоем ПОС-60С с обеих сторон стального листа рефлектора 6 толщиной 2,0 мм.
Второй автономный источник питания 12 представляет собой стандартную кассету на 8 элементов АА. В данном случае применялись 8 аккумуляторных элементов емкостью 2600 мА·ч и начальным напряжением 1,2 В. Зарядный ток 260 мА за 12 часов.
Суммарный потребляемый ток устройства со стрелочной индикацией составляет 105 мА, со светодиодной - 110 мА при отсутствии сигнала и до 125 мА при максимальном сигнале. Таким образом, при использовании аккумуляторной батареи емкостью 2600 мА·ч при разряде ее энергии на 85% устройство способно работать в общей сложности от 16 до 20 часов.
Оба варианта усилительно-индикаторного блока 11 размещались вместе с источниками питания - аккумуляторными батареями в стандартном ударопрочном пластмассовом корпусе с внешними размерами 200×100×60 мм.
Испытание обоих вариантов устройства в полевых условиях подтвердили, что в режиме ручного наведения на цель они позволяют обеспечить узкую диаграмму направленности приема по главному лепестку приемной антенны в пределах 2,5º-3,5º как по азимуту 0º-360º, так и по углу места ±80º, что обеспечивает обзор и поиск от дна ущелья до горной вершины.
Указание местоположения объекта осуществляется с помощью лазерной указки в дневное время на расстоянии до 400 м, в ночное - до 2 км.
Практика опытной эксплуатации обоих вариантов выявила, что более удобно использование светодиодного индикатора, чем стрелочного.
В ходе полевых испытаний макета устройства потребовалось дополнительно установить на внешней поверхности параболического рефлектора три ручки, из которых две были установлены на пересечении горизонтальной оси симметрии, а третья - в верхней части по вертикали. Последняя предназначена для удобства перемещения, а две другие - для ведения поиска по азимуту и углу места.
Источники информации
1. RU №2313108, 2007.
2. RU №2141119, 1999.
3. Все об антеннах. Индивидуальные антенны: конструкции, установки, спутниковые антенны. - М.: ОНИКС, Центр общечеловеческих ценностей, 2008. - 240 с.
4. Спутниковые антенны. Каталог фирмы «Белка». Часть 1. - М.: Белка, 2005. - 114 с.
5. Паспорт. Антенна Ф 0,55 СТВ - 0,55 - 11 АУМ. - Ульяновск, ОАО «АлМет», 2009. - 4 с.
6. Краткая инструкция по установке спутниковой антенны SEVENSKY. - М.: ЗАО «Национальная спутниковая компания», 2009. - 4 с.
7. General Satellite Corp., Ltd. // www.general-satellite.com. - 2 p.
8. Sevensky. Chen Mind Electronics Technology Co., Ltd, China, 2009. - 2 p.
9. Satellite Finder. Atlanta Satellite Systems. // www.atlanta-digital.com. - 2 p.
10. Satellite Finder SF - 12. Euston. // www.euston.com. - 2 p.