ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ДИРИЖАБЛЬ
ECOLOGICAL AIRSHIP

Экологический дирижабль является летательным управляемым аппаратом, который относится к воздушным судам легче воздуха и поддерживаемым в атмосфере статическим давлением воздуха, а при принудительном движении - также и аэродинамической подъемной силой, которая позволяет при помощи горизонтальных и вертикальных рулей менять высоту и направление полета. Он предназначен для ведения дистанционного экологического мониторинга линейно-протяженных техногенных транспортно-коммуникационных сооружений: магистральных и межпромысловых нефте-, газо- и продуктопроводов, а также железнодорожных и автомобильных магистралей, линий электропередач и других объектов, в том числе и природных.
Известны дирижабли (патенты РФ №№2185999, 2307762; патент США №4089492; патент Германии №1962151; патент EP №0771729 и др.).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Экологический дирижабль» (патент РФ №2307762, B64B 1/06, 2006), который и выбран в качестве прототипа.
Известный дирижабль имеет аппаратуру оперативной двухсторонней связи между дирижаблем и исследовательским центром с использованием двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией, что повышает надежность и достоверность обмена дискретной информацией.
пр2
1
2
з1
з2
Приемники двухсторонней связи между дирижаблем и исследовательским центром построены по супергетеродинной схеме, в них одно и то же значение второй промежуточной частоты w может быть получено в результате приема сигналов на следующих частотах: w, w, w и w, т.е.
пр2
1
г1
пр2
г2
2
w=w-w; w=w-w;
пр2
г1
з1
пр2
з2
г2
w=w-w; w=w-w.
1
2
з1
з2
г1
г2
Следовательно, если частоту настройки w и w принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут присутствовать и зеркальные каналы приема, частоты w и w которых расположены и симметричны (зеркально) относительно частот w и w гетеродинов (фиг.3).
пр
Преобразование по зеркальным каналам приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основным каналам приема. Поэтому они наиболее существенно влияют на избирательность и помехоустойчивость супергетеродинных приемников.
Кроме зеркальных, существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема.
В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условий:
ki
ki
г1
w=(±mw±nw),
kj
kj
г2
w=(±mw±nw),
ki
kj
где w, w - частоты i-го и j-го комбинационных каналов приема; m, n, i, j - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигналов с гармониками частоты гетеродинов малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность супергетеродинных приемников по этим каналам близка к чувствительности основных каналов приема.
Так, четырем комбинационным каналам приема при m=1 и n=1 соответствуют частоты:
к1
г1
пр2
к3
г2
пр2
w=2w-w; w=2w-w;
к2
г1
пр
к4
г2
пр2
w=2w-w; w=2w-w.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, приводит к снижению избирательности, помехоустойчивости и надежности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром.
Технической задачей изображения является повышение избирательности, помехоустойчивости и надежности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
Н1
г2
Н1
г2
2
Н2
г1
Н2
г1
1
Поставленная задача решается тем, что в дирижабле, содержащем корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени, при этом аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском центре выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, контроллера, второй вход которого соединен с выходом приборов дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, антенного переключателя, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина и усилителя второй промежуточной частоты, последовательно подключенных ко второму выходу задающего генератора фазового детектора и блока регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском пункте снабжена колебательным контуром, узкополосным фильтром, амплитудным детектором, пороговым блоком и ключом, причем к выходу второго усилителя мощности последовательно подключены колебательный контур, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, узкополосный фильтр, амплитудный детектор, пороговый блок и ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, а выход подключен к второму входу фазового детектора, частота настройки w колебательного контура аппаратуры, размещенной на дирижабле, выбрана равной частоте w первого гетеродина w=w=w, а частота настройки w колебательного контура аппаратуры, размещенной на каждом исследовательском центре, выбрана равной частоте w первого гетеродина w=w=w.
Структурная схема аппаратуры, размещенной на дирижабле, представлена на фиг.1, структурная схема аппаратуры, размещенной на каждом воздушном, космическом, наземном, морском и речном исследовательском центре, представлена на фиг.2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов, показана на фиг.3.
Аппаратура, размещенная на дирижабле (исследовательском центре), содержит последовательно включенные приемную антенну 1 (19), приемник 2 (20) GPS-сигналов, контроллер 4 (22), второй вход которого соединен с выходом приборов 3 (21) дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазовый манипулятор 6(24), второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 5(23), первый смеситель 8 (26), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7 (25), усилитель 9 (27) первой промежуточной частоты, первый усилитель 10 (28) мощности, антенный переключатель 11 (29), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 12 (30), второй усилитель 13 (31) мощности, второй смеситель 15 (33), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 14 (32), усилитель 16 (34) второй промежуточной частоты, ключ 41 (46), фазовый детектор 17 (35), второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 5 (23), и блок 18 (36) регистрации.
Н1
Н1
г2
2
Н1
Н2
г1
1
К выходу второго усилителя 13 (31) мощности последовательно подключены колебательный контур 37 (42), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7 (25), узкополосный фильтр 38 (43), амплитудный детектор 39 (44) и пороговый блок 40 (45), выход которого соединен с вторым входом ключа 41 (46). Частота настройки w колебательного контура 37 выбрана равной w=w=w. Частота настройки w колебательного контура 42 выбрана равной w=w=w.
Примером конкретного исполнения дирижабля является дирижабль, у которого жесткий каркас обтянут мягкой оболочкой с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха (водород, гелий, метан, пары воды). Система управления имеет горизонтальные и вертикальные рули. Подвесная гондола снабжена двигателем и топливными баками, а также кабиной управления, салонами для экипажа и операторов-наблюдателей. Имеется рабочий технический отсек с приборами наблюдения и бортовой химической экспресс-лабораторией.
3
Оптимальные диапазоны параметров его таковы. Объем корпуса 2000-10000 м. Длина дирижабля 25-50 м, а его наибольший диаметр 8-15 м. Число газовых отсеков 5-10 штук. Подъемная сила достигает 1.6-8 т. Масса воздушного корабля 1.2-5 т. Чистая подъемная сила составляет 0.4-3 т.
Особенно эффективен дирижабль для осуществления экологического патрулирования протяженных объектов: нефте-, газо-, продуктопроводов, транспортных магистралей, в том числе железнодорожных, автомобильных и водных. Его осуществимость подтверждается тем, что дирижабли широко демонстрируются на международных авиационных выставках, а оснащение его экологической аппаратурой не представляет собой технической сложности.
Аппаратура оперативной двухсторонней связи работает следующим образом.
Приемник 2 GPS-сигналов с приемной антенной 1 обеспечивает прием сигналов глобальной навигационной системы GPS (Global Positioning System), известной также, как Navstar. В состав данной системы входят космический сегмент, состоящий из 24 КА, сеть наземных станций наблюдения за их работой и пользовательский сегмент (навигационные приемники GPS-сигналов). Информация о местонахождении дирижабля с выхода приемника 2 GPS-сигналов поступает на первый вход контроллера 4, на второй вход которого подается информация с выхода приборов 3 дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом.
1
Контроллер 4 формирует модулирующий код M(t), содержащий информацию о местонахождении дирижабля и о результатах дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы. Указанный код поступает на первый вход фазового манипулятора 6, на второй вход которого с первого выхода задающего генератора 5 подается высокочастотное колебание
c1
c1
c
с
c
u(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤T,
c1
c
с
c
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.
На выходе фазового манипулятора 6 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)
1
c1
c
к1
с
c
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0<t<T,
к1
1
к1
τэ
э
τэ
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при t=к<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=к, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2,…,N-1);
э
c1
c1
3
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N-x), который поступает на первый вход первого смесителя 8, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 7
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·cos(wt+φ).
На выходе смесителя 8 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 9 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
пр
пр1
пр1
к1
пр1
c1
U(t)=U·cos[wt+φ+φ], 0<t<T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>c</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
1
К - коэффициент передачи смесителя;
пр1
c
ri
W=w+w - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с
Г1
φ=φ+φ.
1
пр1
Г1
Это напряжение после усиления в усилителе 10 мощности через антенный переключатель 11 излучается приемопередающей антенной 12 в эфир на частоте w=w, улавливается приемопередающей антенной 30 и через антенный переключатель 29 и усилитель 31 мощности поступает на первый вход смесителя 33. На второй вход смесителя 33 подается напряжение u(t) гетеродина 32. На выходе смесителя 33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 34 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
пр2
пр2
пр2
к1
пр2
c1
U(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0<t<T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
пр2
пр1
Г1
c
w=w-w=w - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр2
пр1
Г1
с
φ=φ-φ=φ.
пр
1
c2
1
Г2
Н1
Н1
1
Г2
пор
пор
max
пор
max
пор
пр2
c
Принимаемый сигнал U(t) на частоте w с выхода усилителя 31 мощности одновременно поступает на первый вход колебательного контура 42, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 25 (w=w), то в колебательном контуре 42 возникает явление резонанса, выходное напряжение колебательного контура 42 достигает максимального значения, выделяется узкополосным фильтром 43, частота настройки w которого выбирается также равной w=w=w, детектируется амплитудным детектором 44 и поступает на вход порогового блока 45, где сравнивается с пороговым напряжением U. Пороговый уровень U превышается только при максимальном напряжении U амплитудного детектора 44, которое соответствует явлению резонанса. При превышении порогового уровня U (U>U) в пороговом блоке 45 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 46 и открывает его. В исходном состоянии ключ 46 всегда закрыт. При этом напряжение U(t) второй промежуточной (разностной) частоты с выхода усилителя 34 через открытый ключ 46 поступает на первый вход фазового детектора 35. На второй вход последнего со второго выхода задающего генератора 23 подается в качестве опорного напряжения высокочастотное колебание u(t).
На выходе фазового детектора 35 образуется низкочастотное напряжение
<mrow />
H1
H1
к1
u(t)=U·cosφ(t),
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Н</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
где
;
2
К - коэффициент передачи фазового детектора;
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение регистрируется блоком 36 регистрации.
При передаче сообщений с исследовательского центра с помощью задающего генератора 23 формируется высокочастотное колебание
c2
c2
c
с
u(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤T,
2
2
которое поступает на второй вход фазового манипулятора 24. На первый вход последнего подается модулирующий код M(t) с выхода контроллера 22. Модулирующий код M(t) содержит сведения о местоположении исследовательского центра и результаты дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы. На выходе фазового манипулятора 24 формируется сложный ФМн-сигнал
2
c2
c
k2
с
u(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
который поступает на первый вход смесителя 26, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 25
Г2
Г2
Г2
Г2
u(t)=U·cos(wt+φ).
На выходе смесителя 26 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 27 выделяется напряжение промежуточной частоты
пр
пр
пр
к2
пр
c
U(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
пр
Г2
c
2
w-w=w=w - промежуточная частота;
пр
Г2
с
φ=φ-Ф.
2
пр
Г1
Это напряжение после усиления в усилителе 28 мощности через антенный переключатель 29 излучается приемопередающей антенной 30 в эфир на частоте w=w, улавливается приемопередающей антенной 12 и через антенный переключатель 11 и усилитель 13 мощности поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 14. На выходе смесителя 15 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 16 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
пр3
пр3
пр2
к2
пр3
c
U(t)=U·cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Г</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
пр2
Г2
пр
w=w-w - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр3
Г2
пр
φ=φ-Ф.
пр3
2
пр
Г1
2
Г1
2
Г1
Н2
Г2
2
Г1
пор
пор
max
пор
max
пор
пр3
c1
Принимаемый сигнал U(t) на частоте w=w с выхода второго усилителя 13 мощности одновременно поступает на первый вход колебательного контура 37, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 7, так как частота w принимаемого сигнала выбирается равной частоте w гетеродина 7 (w=w) (фиг.3), то в колебательном контуре возникает явление резонанса, выходное напряжение колебательного контура достигает максимального значения, выделяется узкополосным фильтром 38, частота настройки w которого также выбирается равной w=w=w, детектируется амплитудным детектором 39 и поступает на вход порогового блока 40, где сравнивается с пороговым напряжением U. Пороговый уровень U превышается только при максимальном напряжении U амплитудного детектора 40, которое соответствует явлению резонанса. При превышении порогового уровня U(U>U) в пороговом блоке 40 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 41 и открывает его. В исходном состоянии ключ 41 всегда закрыт. При этом напряжение U(t) второй промежуточной (разностной) частоты с выхода усилителя 16 через открытый ключ 41 поступает на первый вход фазового детектора 17. На второй вход фазового детектора 17 подается напряжение u(t) со второго выхода задающего генератора 5. На выходе фазового детектора 17 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
к3
U(t)=U·cosφ(t),
где
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>н</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
,
которое фиксируется блоком 18 регистрации.
1
2
Описанная выше работа аппаратуры оперативной двухсторонней (дуплексной) связи соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основным каналам на частотах w и w (фиг.3)
Если ложный сигнал (помеха)
з1
з1
з1
з1
з
U(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤T,
з1
Г2
з1
Г2
Принимается по первому зеркальному каналу на частоте w, то он также поступает с выхода усилителя 31 мощности на первый вход смесителя 33 и на первый вход колебательного контура 42, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 25. Так как частоты w и w разнесены на удвоенное значение второй промежуточной частоты
Г2
з1
пр2
w-w=2w,
пор
пор
з1
то в колебательном контуре 42 явления резонанса не наступает, его выходное напряжение не достигает максимального значения, продетектированное напряжение U не превышает порогового напряжения U(U<U), ключ 46 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому зеркальному каналу на частоте w, подавляется.
Если ложный сигнал (помеха)
з2
з2
з2
з2
з2
U(t)=U·cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
з2
Г1
з2
Г1
принимается по второму зеркальному каналу на частоте w, то он также с выхода второго усилителя 13 мощности поступает на первый вход смесителя 15 и колебательного контура 37, на второй вход которого подается напряжение U(t) гетеродина 7. Так частота w и w разнесены на удвоенное значение второй промежуточной частоты
з2
Г1
пр2
w-w=2w,
пор
пор
з2
то в колебательном контуре 37 явление резонанса не наступает, его выходное напряжение не достигает максимального значения, продетектированное напряжение U не превышает порогового напряжения U(U<U) в пороговом блоке 40, ключ 41 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму зеркальному каналу на частоте w, подавляется.
к1
к2
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте w по второму комбинационному каналу на частоте w и по любому другому дополнительному каналу.
Предлагаемый дирижабль обеспечивает повышение надежности и достоверности обмена дискретной информацией между экологическим дирижаблем и исследовательским центром. Это достигается использованием двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.
С точки зрения обнаружения сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных сигналов с фазовой манипуляцией обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Таким образом, предлагаемый экологический дирижабль по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение избирательности, помехоустойчивости и надежности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательскими центрами. Это достигается путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, используются колебательные контуры, реализующие явление резонанса.
Следует отметить, что явление резонанса является основополагающим принципом работы многих систем и устройств радиоэлектроники.