СИСТЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Полезная модель относится к средствам экологического контроля как водной, так и земной поверхности, обнаружения экологических загрязнений, обнаружения источников экологических загрязнений.
Известна система контроля качества воды [1], которая содержит измерительное оборудование, установленное в море на глубине 1 и 5 м и с помощью датчиков измеряющее температуру, электропроводимость и содержание растворенного в воде кислорода. Данные измерений транслируются на береговой пост для последующей обработки.
Недостатком системы является локальный характер измерений, не позволяющий контролировать обширные водные пространства естественных водоемов, и ограниченный диапазон контролируемых параметров водной среды.
Известно также использование подвижных носителей (судов) для определения загрязнения водной среды. Так, оборудование, установленное на борту ледокола SHIRASE [2], содержит погружаемую на глубину до 8 м аппаратуру, насос для отбора проб воды, датчики измерения температуры, солености, количества растворенных в воде органических веществ, содержания в ней хлорофилла, биогенов, а также количественного содержания взвешенных частиц размером 0,5-5 мм. Обработка показаний датчиков осуществляется электронно-вычислительной системой.
Недостатком известного аналога являются ограниченные возможности определения загрязнения водной среды ввиду отсутствия средств контроля поверхности воды на наличие нефтяных пятен и средств контроля толщи воды и придонного пространства, что не обеспечивает полноты и достоверности контроля экологического состояния акватории.
В значительной степени недостатки, присущие указанным аналогам, устранены в системе для экологического контроля водной среды [3]. Судно-катамаран оборудовано буксируемой линией с установленными на ее углубителе блоком датчиков гидрохимикофизических параметров и устройством водозабора, подводным осмотровым аппаратом, оснащенном телекамерой для передачи телевизионного изображения на борт судна, устройством водозабора из придонного слоя, пробоотборниками грунта, устройством ультразвукового зондирования толщи воды, дистанционным обнаружителем нефтепродуктов, устройством контроля параметров приповерхностного слоя воды с размещенными на погружаемом блоке датчиками и головкой водозабора. Шланги забортных устройств водозабора подключены к
трубопроводам гидромагистрали с непрерывным протоком воды, из которой производится отбор и подача проб к аппаратуре гидрохимического анализа, реализующей экспрессные методы контроля в проточно-инжекционном варианте исполнения. Показания измерительных датчиков после предварительной отработки сопоставляются с результатами измерений аппаратуры гидрохимического анализа и других подсистем комплекса в центральной вычислительной системе (ЦВС).
Комплекс технических средств, установленных на судне, обеспечивает полноту и достоверность контроля в широком диапазоне параметров загрязнения и позволяет произвести комплексное обследование обширной территории водного пространства.
Недостатком судна экологического контроля являются большие временные затраты на обследование акватории, нерациональное использование в поисковом режиме всей аппаратуры комплекса, а также ограниченные возможности ЦВС, которая не обеспечивает обработку информации от всех подсистем комплекса и не обеспечивает формирования архива с привязкой результатов измерений к координатам местоположения судна.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели и принятой в качестве прототипа является система для экологического контроля территориальных вод, континентального шельфа и исключительной экономической зоны [4], представляющая собой судно оснащенное подводным осмотровым аппаратом, устройством ультразвукового зондирования толщи воды, дистанционным обнаружителем нефтепродуктов, оптическая головка которого установлена на выносной консоли в носовой оконечности одной из лодок катамарана, устройством водозабора из придонного слоя, пробоотборниками грунта, а также устройством измерения параметров глубинного слоя воды, погружаемый блок которого установлен на углубителе буксируемой линии, и устройством измерения параметров приповерхностного слоя воды, причем погружаемые блоки обоих указанных устройств оснащены преобразователями гидрохимикофизических параметров воды, которые подключены к первому интерфейсному входу центральной вычислительной системы, и головками водозабора, которые посредством заборных шлангов и трубопроводов магистрали непрерывного пробоотбора связаны со входами одного и второго устройств гидрохимического анализа воды, выходы которых подключены ко второму интерфейсному входу центральной вычислительной системы, содержит авиационно-технический комплекс телевизионного наблюдения водной поверхности с дистанционно пилотируемым самолетом, устройство запуска которого размещено на
крыше кормовой надстройки судна, обзорную телевизионную камеру и приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, установленные на рубке судна, а также устройство контроля радиационной обстановки, включающее преобразователи радиоактивности воды, установленные на погружаемых блоках устройств измерения параметров глубинного и приповерхностного слоев воды, и преобразователь радиоактивности воздуха, подключенный к третьему входу центральной вычислительной системы, к четвертому входу которой подключен приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, к пятому входу - дистанционный обнаружитель нефтепродуктов, а к шестому и седьмому входам - пульты управления подводным осмотровым аппаратом и дистанционно пилотируемым самолетом, соответственно, при этом подъемно-опускное устройство погружаемого блока устройства измерения параметров приповерхностного слоя воды установлено в носовой оконечности второй лодки катамарана и выполнено в виде Y-образной рамы, два конца которой закреплены на горизонтальном валу, который кинематически связан с электромеханическим приводом, и натяжного устройства, трос которого закреплен на короткой перекладине Y-образной рамы, третий конец которой снабжен осью для установки поворотного кронштейна, на котором закреплен погружаемый блок, а в средней части судна посередине соединительного моста катамарана размещено комбинированное подъемно-опускное устройство буксируемой линии и устройства водозабора из придонного слоя, которое содержит поворотный слип для углубителя буксируемой линии, двухбарабанную лебедку с вертикальным расположением оси барабанов и электромеханический привод с механизмом подключения к одному или другому барабану лебедки, а цифровая вычислительная система выполнена с возможностью определения линии движения подвижного источника экологического загрязнения по положению прямой линии между двумя точками контролируемой акватории с максимальной интенсивностью пульсаций удельной электрической проводимости воды, определенньми с помощью спутниковой навигационной системы при движении в различных направлениях морского патрульного судна для экологического контроля территориальных вод, континентального шельфа и исключительной экономической зоны, при одновременном превышении усредненным значением удельной электрической проводимости воды фонового усредненного значения удельной электрической проводимости воды и заранее установленных, например, предельно допустимых, среднефоновых значений концентрации, по
меньшей мере, одного из контролируемых загрязняющих веществ по результатам гидрохимического анализа.
Недостатком прототипа является недостаточная информативность данных, получаемых от дистанционно пилотируемого самолета, недостаточная точность определения местоположения дистанционно пилотируемого самолета и невозможность контроля земной поверхности.
Задачей полезной модели является создание системы экологического контроля, позволяющей обнаруживать и классифицировать как экологические загрязнения так и источники экологических загрязнений как водной так и земной поверхности.
Сущность полезной модели заключается в том, что система экологического контроля содержит связанные каналом связи беспилотный летательный аппарат и передвижной наземный пульт управления, беспилотный летательный аппарат содержит бортовую систему управления полетом, навигационную систему, бортовую цифровую вычислительную машину, бортовой приемо-передатчик, запоминающее устройство, комплекс обзора поверхности, передвижной пульт управления содержит наземный приемо-передатчик, дистанционный пульт управления беспилотным летательным аппаратом, устройство отображения информации, при этом выход навигационной системы соединен со входами бортовой системы управления полетом, бортовой цифровой вычислительной машины, бортового приемо-передатчика, бортовая система управления полетом соединена с бортовой цифровой вычислительной машиной и бортовым приемо-передатчиком, который соединен с бортовой цифровой вычислительной машиной, к бортовой цифровой вычислительной машине также подключены запоминающее устройство и комплекс обзора поверхности, в передвижном пульте управления к наземному приемо-передатчику подключены дистанционный пульт управления беспилотным летательным аппаратом и устройство отображения информации.
Кроме этого в системе экологического контроля беспилотный летательный аппарат может дополнительно содержать подключенную к бортовой цифровой вычислительной машине систему отбора проб воды.
Кроме этого в системе экологического контроля комплекс обзора поверхности может содержать радиолокационную станцию.
Кроме этого в системе экологического контроля комплекс обзора поверхности может содержать лазерный локатор.
Кроме этого в системе экологического контроля комплекс обзора поверхности может содержать телевизионную систему обзора поверхности.
Кроме этого в системе экологического контроля комплекс обзора поверхности может содержать тепловизионную систему обзора поверхности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, но котором показана функциональная схема системы экологического контроля. На чертеже обозначено:
1 - бортовая система управления полетом;
2 - навигационная система;
3 - бортовая цифровая вычислительная машина;
4 - бортовой приемо-передатчик;
5 - запоминающее устройство;
6 - комплекс обзора поверхности;
7 - наземный приемо-передатчик;
8 - дистанционный пульт управления беспилотным летательным аппаратом;
9 - устройство отображения информации;
10 - беспилотный летательный аппарат;
11 - передвижной наземный пульт управления;
12 - канал связи;
13 - система отбора проб воды.
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) 10 является летальным аппаратом вертолетного типа.
Бортовая система 1 управления полетом включает в себя систему дистанционного управления полетом, автопилот, систему программного управления, устройства сопряжения с рулевыми машинами и устройствами управления двигателем летательного аппарата. Система дистанционного управления обеспечивает управление беспилотным летательным аппаратом в соответствии с командами, поступающими от передвижного наземного пульта 11 управления. Кроме этого, управление полетом летательного аппарата может производиться при помощи системы программного управления или по командам, поступающим от бортовой цифровой вычислительной машины 3.
Навигационная система 2 может представлять собой инерциальную систему навигации, спутниковую систему навигации или комплексированную систему навигации, содержащую спутниковую систему навигации и инерциальную систему навигации. Например, может использоваться комбинированная система навигации,
содержащая курсовертикаль, систему воздушных сигналов, вычислитель составляющих скорости ветра, запоминающее устройство, навигационный вычислитель, интегратор составляющих скорости и радиолокационный однокомпонентный измеритель скорости, определяющий проекцию скорости летательного аппарата на направление своего луча при его сканировании и выдающий данные о направлении сканирующего луча в азимуте и относительно плоскости горизонта. При этом вычислитель составляющих скорости ветра вычисляет проекцию скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости по данным об истинной воздушной скорости от системы воздушных сигналов и по данным о курсе и тангаже летательного аппарата от курсовертикали и по вычисленному значению проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости и по значению проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости,- полученного от радиолокационного измерителя скорости, определяет, например, методом оптимальной фильтрации Калмана, составляющие скорости ветра и постоянную составляющую погрешности измерения истинной скорости системой воздушных сигналов.
Выход курсовертикали соединен с входом радиолокационного измерителя скорости, с первыми входами вычислителя составляющих скорости ветра и навигационного вычислителя. Выход системы воздушных сигналов соединен со вторыми входами вычислителя составляющих скорости ветра и навигационного вычислителя. Выход радиолокационного измерителя скорости соединен с третьим входом вычислителя составляющих скорости ветра. Выход вычислителя составляющих скорости ветра соединен с входом запоминающего устройства, выход которого соединен с третьим входом навигационного вычислителя, выход которого соединен с входом интегратора составляющих скоростей, выход которого является выходом навигационной информации.
При этом вычислитель составляющих скорости ветра выполнен с возможностью вычисления проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости по данным об истинной воздушной скорости от системы воздушных сигналов и по данным о курсе и тангаже летательного аппарата от курсовертикали и с возможностью по вычисленному значению проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости и по значению проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя скорости, полученного от радиолокационного
измерителя скорости, определения, например, методом оптимальной фильтрации Калмана, составляющих скорости ветра и постоянной составляющая погрешности измерения истинной скорости системой воздушных сигналов.
В качестве радиолокационного измерителя скорости может использоваться бортовая однолучевая радиолокационная станция, работающая в режиме селекции движущихся целей (с механически сканирующей антенной или фазированной антенной решеткой). Направление луча радиолокационного измерителя скорости в азимуте изменяется с периодом от 0.1 до 10 секунд с амплитудой 30-60° (преимущественно около 45°), что обеспечивает определение погрешностей обеих горизонтальных составляющих скорости летательного аппарата (северной и восточной), формируемых по информации курсовертикали и системы воздушных сигналов.
Вычислитель составляющих скорости ветра и навигационный вычислитель, представляют собой бортовые электронно-вычислительные машины, обрабатывающие цифровые сигналы, поступающие на их входы. Интегратор составляющих скоростей является вычислительным устройством (например, электронно-вычислительной машиной), которое по данным о составляющих скоростей осуществляет вычисление координат. Функции вычислителей и интегратора могут выполняться также одной бортовой электронно-вычислительной машиной, работающей в многозадачном режиме.
ист
Курсовертикаль вырабатывает данные об углах истинного курса Ψ, крена γ и тангажа ϑ.
ист
Н
Система воздушных сигналов вырабатывает данные о высоте полета летательного аппарата (Н), его истинной воздушной скорости (V) и вертикальной скорости V.
pлc
g
b
Радиолокационный измеритель скорости измеряет проекцию скорости летательного аппарата на направление своего луча W. Кроме этого, радиолокационный измеритель скорости вырабатывает данные о направлении своего луча (углах сканирования луча в азимуте E и относительно плоскости горизонта Е).
g
b
ист
Формирование значений углов E и Е, выдаваемых радиолокационным измерителем скорости, производится по выдаваемым на его вход курсовертикалью данным об углах истинного курса Ψ, крена γ и тангажа ϑ летательного аппарата и данным об углах разворота антенны радиолокационного измерителя скорости от датчиков, установленных на осях ее карданова подвеса (или соответствующих углов фазированной решетки).
Вычисление составляющих скорости ветра производится вычислителем 4 составляющих скорости ветра следующим образом.
nкв
Eкв
Вычисляются северная (v) и восточная (V) составляющие скорости летательного аппарата:
Nкв
ист
ист
V=V·cosϑ·cosΨ
Eкв
ист
ист
V=V·cosϑ·sinΨ
Вычисляется значение проекции скорости летательного аппарата на направление сканирующего луча радиолокационного измерителя скорости:
рлс
Вычисляется погрешность вычисленной проекции скорости летательного аппарата на направление сканирующего луча радиолокационного измерителя 3 скорости путем сравнения полученного значения W с данными радиолокационного измерителя 3 скорости W:
рлс
ΔW=W-W.
С другой стороны, можно записать:
свс
nв
Еb
Eв
b
ΔW=ΔW-ΔV·cosp·cos+ΔV·sinp·cosE
свс
Nв
Eв
где ΔW- постоянная составляющая погрешности измерения истинной скорости системой воздушных сигналов, ΔV - северная составляющая скорости ветра, ΔV - восточная составляющая скорости ветра.
ист
Н
ист
рлс
g
b
Вычислитель составляющих скорости ветра получает результаты измерений скорости летательного аппарата V и V от системы воздушных сигналов, данные о курсе Ψ и тангаже ϑ летательного аппарата от курсовертикали, значение проекции скорости летательного аппарата на направление луча радиолокационного измерителя 3 скорости W, углах сканирования антенны в азимуте E и относительно плоскости горизонта Е от радиолокационного измерителя скорости. На основании этих данных вычислитель составляющих скорости ветра рассчитывает погрешность проекции
скорости летательного аппарата на направление сканирующего луча радиолокационного измерителя скорости.
свс
Nв
Eв
свс
Nв
Eв
Вычислитель 4 составляющих скорости ветра решая систему алгебраических уравнений находит значения ΔW, ΔV, ΔV. Эти значения записываются в запоминающее устройство и в дальнейшем используются навигационным вычислителем при курсо-воздушном счислении координат летательного аппарата. Для решения системы алгебраических уравнений (нахождения ΔW, ΔV, ΔV) используется метод с применением оптимального фильтра Калмана.
Навигационный вычислитель вычисляет и выдает в интегратор составляющих скорости значения северной и восточной составляющих скорости летательного аппарата. По этим данным интегратор составляющих скорости осуществляет вычисление координат летательного аппарата, и на его выходе формируются сигналы (коды), пропорциональные координатам летательного аппарата. Эти сигналы могут использоваться для управления движением летательного аппарата, управления оружием и для других целей.
Запоминающее устройство 5 предназначено для хранения эталонных радиолокационных, телевизионных, тепловизионных, лазеролокационных изображений поверхности. В качестве запоминающего устройства 5 может использоваться долговременное запоминающее устройство на основе электроперепрограммируемой памяти (flash-памяти).
В качестве запоминающего устройства 5 может быть использован модуль накопителя, содержащей интерфейсный контроллер и блок энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти, внешнюю интерфейсную магистраль адреса, внешнюю интерфейсную магистраль данных, внешнюю интерфейсную магистраль управления, первую внутреннюю интерфейсную магистраль адреса, внутреннюю интерфейсную магистраль данных, в который дополнительно введены вторая внутренняя интерфейсная магистраль адреса, буферное оперативное запоминающее устройство и внутренний контроллер, при этом входы-выходы адреса интерфейсного контроллера соединены с первой внутренней интерфейсной магистралью адреса, входы-выходы данных интерфейсного контроллера соединены с внутренней интерфейсной магистралью данных, входы-выходы управления интерфейсного контроллера соединены с входами-выходами управления внутреннего контроллера, входы-выходы первичного адреса внутреннего контроллера соединены с первой внутренней интерфейсной магистралью адреса, входы-выходы данных внутреннего
контроллера соединены с внутренней интерфейсной магистралью данных, выходы вторичного адреса внутреннего контроллера соединены со второй внутренней интерфейсной магистралью адреса, выходы управления оперативным запоминающим устройством внутреннего контроллера соединены со входами управления оперативного запоминающего устройства, выходы управления блоком энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти внутреннего контроллера соединены со входами управления блока энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти, входы адреса блока энергонезависимой электроперепрограммируемой памяти соединены с второй внутренней интерфейсной магистралью адреса, входы адреса оперативного запоминающего устройства соединены с второй внутренней интерфейсной магистралью адреса.
Комплекс б обзора поверхности обеспечивает непрерывный обзор поверхности при помощи радиолокационной станции, лазерного локатора, телевизионной системы, тепловизионной системы. Результаты обзора поверхности поступают в бортовую цифровую вычислительную машину. При этом эти данные могут также выдаваться из бортовой цифровой вычислительной машины 3 в бортовой приемо-передатчик 4 и передаваться по каналу 12 связи в передвижной наземный пульт 11 управления, где отображаются при помощи устройства 9 отображения информации.
В качестве канала 12 связи может быть использован канал связи выполненный в виде канала RadioEthernet с использованием стандартного открытого протокола TCP/IP (протокол сеансового уровня согласно семиуровневой модели ISO OSI), что позволяет объединить передвижной наземный пульт 11 управления и бортовую вычислительную машину 3 БПЛА в локальную вычислительную беспроводную сеть. Базовым стандартом, определяющим протоколы связи, необходимые для организации локальных беспроводных сетей (Wireless Local Aria Network-WLAN), может являтся IEEE 802.11. Бортовой и наземные приемо-передатчики 4 и 7 могут быть реализованы в виде точки радио-доступа Access Point и таким образом являться конвертором данных из стандартов проводной вычислительной сети в беспроводную и наоборот.
Передвижной наземный пульт 11 может располагаться на судне или автомашине.
В качестве радиолокационной станции может быть использована бортовая радиолокационная станция (РЛС), выполненная в виде радиолокатора бокового обзора (предпочтительнее с точки зрения максимальной дальности обнаружения целей) или локатора переднего обзора более удобного с точки зрения компоновки аппаратуры на БПЛА 10.
РЛС обладает малой импульсной мощностью излучения и использует сложный фазоманипулированный (ФМ) зондирующий сигнал малой скважности с быстрой перестройкой частотно-временных параметров, две плоские полосковые антенные решетки с коммутацией и электронной стабилизацией луча в пространстве.
РЛС содержит антенно-волноводное устройство (АВУ), передающее устройство (ПУ), приемное устройство.
АВУ предназначено для формирования, излучения и перемещения в пространстве луча электромагнитной энергии и приема электромагнитных волн с преобразованием их в сигналы промежуточной частоты. Может быть использовано АВУ с механическим и электронным сканированием луча в пространстве.
ПУ выполнено по схеме с полной когерентностью всех формирующих сигналов. В качестве опорного генератора используется малошумящий стабильный сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор с системой вибро- и акустической защиты.
г1
c
Сигнал опорного генератора делится по частоте в четыре раза монолитным аналоговым делителем частоты. Полученный сигнал используется для формирования частоты, равной половине шага сетки сигналов f и f. Для этого он подается на делитель частоты с коэффициентом деления 32.
г1
г1
n
Полученная частота используется в качестве опоры в четырех петлях фазовой автоподстройки (ФАП), работающих в режиме умножения частоты и формирующих четыре сигнала с частотой вдвое ниже частоты f. На выходе схем ФАП последовательно включены управляемые ключи и монолитные удвоители частоты, сигналы с которых поступают на четырехканальный коммутатор. Высокая степень подавления частот на выходе коммутатора достигается за счет пороговых свойств монолитного аналогового удвоителя частоты. Переключение частоты с литеры на литеру производится по команде "код f". Сформированный сигнал f (четыре литеры) поступает на выход и на схему формирования сигнала f.
пч
Сигнал fг1 формируется в цепочке из двух последовательно включенных преобразователей частоты: преобразователя "вверх" и преобразователя "вниз". Сигналы сдвига формируются в двух цепочках. Из одной из которых выводится сигнал f. Кроме этого осуществляется амплитудная и фазовая манипуляция
с
сигнала f. Но выходе второго (пониженного) преобразователя частоты включен усилитель мощности.
Возможен вариант построения передающего устройства с использованием в качестве выходного усилителя вакуумного прибора - малогабаритной лампы бегущей волны с высоким коэффициентом полезного действия (до 50-60%).
В ПУ возможно использование монолитных интегральных приборов (МИП). Они обладают высоким уровнем параметров и широкими функциональными возможностями. Номенклатура МИП в составе передатчика достаточно широка. Это аналоговые делители частоты, активные смесители, преобразователи частоты, усилители на ПТШ. Использование этих МИП вместе с оригинальной структурной схемой передающего устройства позволит существенно снизить аппаратные затраты, получить высокое качество спектра выходных сигналов, а также минимизировать габариты и вес ПУ (в пределах 5 литров, с учетом объемов источников питания). Питание ПУ производится от двух малогабаритных выпрямителей: один запитывает схему формирования сигналов, второй питает выходной усилитель.
Для обеспечения нормального температурного режима работы усилителя и его источника питания достаточно обеспечить контактный теплообмен по наружньм поверхностям устройств.
Управление режимом работы ПУ производится от БЦВМ 3, которая управляет как перестройкой частоты, так и формированием структуры выходного импульсного сигнала (длительность и частота повторения импульса, внутриимпульсная ФМ).
Приемное устройство предназначено для работы в составе РЛС с фазоманипулированным зондирующим сигналом. Устройство обеспечивает работу аппаратуры по надводным целям в режимах обнаружения и сопровождения, выделяет сигналы источников активных шумовых помех и обеспечивает измерение угловых координат этих источников.
Приемное устройство содержит следующие основные узлы:
- управляемые устройства защиты (УЗ);
- усилитель сигналов СВЧ и преобразователь сигналов в промежуточную частоту;
- разветвитель сигналов гетеродина с фазовращателем;
- многофункциональное устройство промежуточной частоты, которое выполняет функции основного усилителя сигналов, нормирователя сигналов, согласованного фильтра и детектора сигналов цели и помех.
Устройство защиты (УЗ) блокирует вход приемника в момент излучения зондирующих импульсов, передатчика и также используется в роли "экспандеров" (расширителей) динамического диапазона приемника при работе по помехе. Блоки приемника выполнены на бескорпусной элементной базе по гибридной тонкопленочной технологии. Элементы блоков заключены в герметичные корпуса, которые гарантируют высокую защиту элементов от воздействия внешней среды и их сохранность.
Высокая чувствительность достигается благодаря малым потерям сигналов во входных элементах приемника (-2,5 дБ) и благодаря низкому коэффициенту шума транзисторных усилителей высокой частоты (УВЧ). Подавление "зеркальных" шумов УВЧ осуществляется в двойных балансных смесителях (ДБС) методом фазового подавления. Ограничители сигналов СВЧ, установленные на входах этого блока, защищают транзисторные УВЧ от повреждения их случайными импульсами сторонних РЛС и работают независимо от подачи питания на аппаратуру.
Для стабилизации собственных шумов каналов и поддержания линейного режима усиления ФМ сигналов в приемном устройстве применяется схема быстродействующей автоматической регулировки усиления (БАРУ). Выделение сигналов источников активных шумовых помех на фоне других сигналов достигается путем кратковременного отключения схемы БАРУ стробом "СБ" в конце каждого периода повторения РЛС. Нормировка сигналов помех осуществляется с помощью усилителей промежуточной частоты с ограничителями (УПЧ-ограничителей, УПЧО).
В режиме обнаружения канал приемного устройства обеспечивает прием ФМ сигналов отраженных от надводных целей и выделение сигналов источников активных шумовых помех путем опробирования БАРУ.
ПЧО
Для детектирования отраженных сигналов используются фазовые детекторы (ФД), которые питаются  когерентным опорным напряжением f, поступающим из передающего устройства. На выходах фазовых-детекторов выделяются видеокоды, которые после согласованной фильтрации поступают на амплитудные квантователи и цифровые фильтры сжатия прибора агрегат обработки сигналов и управления (АОСУ). Для исключения энергетических потерь слабых отраженных сигналов, вызванных незнанием начальной фазы приходящего сигнала, а также доплеровским сдвигом частоты, каждый канал приемного устройства снабжен четырьмя ФД, характеристики которых сдвинуты по опорному напряжению на 45°. Полосы фильтров
ФД переключаются по внешней команде одновременно с изменением длительностей "дискретов" зондирующих импульсов.
В режиме сопровождения используются суммарный и разностный каналы приемного устройства. Для измерения угловых координат цели (или источника активной шумовой помехи) приемное устройство вырабатывает нормированные разностные сигналы, амплитуда которых пропорциональна угловому положению цели (или помехи) и не зависит от абсолютного уровня входных сигналов.
Для нормирования ФМ сигналов, отраженных от целей, в приемном устройстве используется БАРУ, а для нормирования помех - принцип квадратурной нормировки с помощью УПЧО. Величина углового отклонения источника помехи передается через  ограничители благодаря использованию в приемном устройстве 90-градусного симметричного сумматора промежуточной частоты (ПЧ), образующего квадратурно-суммированные сигналы на входах обоих УПЧО. Угловая информация, содержащаяся в амплитудах сигналов, преобразуется с помощью названного сумматора в фазовую информацию, а после ограничения сигналов в УПЧО и устранения их амплитудной зависимости от входных сигналов, угловая информация восстанавливается обратно посредством второго 90-градусного симметричного сумматора. Сигналы цели и помех находятся на разных участках дальности, поэтому их одноимпульсная нормировка, как было показано, может осуществляться разными способами и независимо друг от друга.
Для детектирования сигналов цели и помех в режиме сопровождения используются одни и те же фазовые детекторы ФДЕ и ФДД. Дальнейшее разделение сигналов цели и источника помехи происходит в приборе АОСУ, благодаря временному разносу сигналов. Решение о том, какую угловую информацию использовать в дальнейшем, принимает БЦВМ 3 в соответствии с алгоритмами работы головки самонаведения (ГСН).
Уровни сигналов цели и источника активной шумовой помехи могут различаться на 20 дБ.
В случае сопровождения цели по отраженному сигналу, полный динамический диапазон входных сигналов не превышает 55 дБ относительно минимального порогового сигнала -136 дБ/Вт. Управление динамическим диапазоном в этом случае осуществляют устройства сопровождающие цель. Измеритель дальности вырабатывает команду "ДУ1" и выдает ее в предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ) приемного устройства на заданной дистанции до цели.
Динамический диапазон работы каналов промежуточной частоты при этом расширяется на 15 дБ, что в совокупности с динамическим диапазоном работы БАРУ (не менее 40-дБ) является достаточным.
Агрегат обработки сигналов и управления (АОСУ) предназначен для работы в составе БПЛА 10 и решает следующие задачи:
- встроенный контроль БПЛА 10 в режиме предстартовой подготовки (ПП);
- обнаружение целей;
- сопровождение цели, указанной оператором или выбранной автономно в соответствии с полетным заданием;
- выдача в рулевые приводы сигналов косвенной стабилизации БПЛА по углам Ψ, υ и γ;
- управление программным движением БПЛА 10;
- формирование телеметрической информации БПЛА 10 и выдача ее в канал линии связи.
АОСУ образовам БЦВМ 3 и бортовой системой 1 управления полетом.
В качестве входных сигналов АОСУ использует сигналы, формируемые фазовыми детекторами суммарного и разностного каналов.
Кроме того, АОСУ принимает следующую информацию:
- координаты БПЛА 10 х, z;
пт
пт
- координаты приоритетной (заданной оператором с наземного пульта 11 управления) точки x. z;
- углы рыскания, тангажа и крена;
- величина сектора обнаружения;
- высота полета;
- составляющие скорости БПЛА 10.
t
t
t
В процессе работы АОСУ формирует и выдает в интегрированную систему управления (ИСУ) следующую информацию: координаты БПЛА 10 Х, Z,y; признак исправности БПЛА 10; признак режима работы БПЛА 10. Кроме того, АОСУ формирует сигналы управления приводами антенны, коды управления фазоманипулятором (ФМ), коды несущей частоты, сигналы синхронизации.
Конструктивно АОСУ представляет собой набор электронных блоков (модулей) в конструктиве "Евромеханика-3U" с кондуктивным отводом тепловой энергии; размещаемых в приборной раме. Связь между блоками осуществляется посредством объединительной платы (кроссплаты). Вывод сигналов на объединительную
плату осуществляется с помощью разъемов. Внешние соединения через лицевые части блоков не выполняются, что обеспечивает повышение вибро- и ударопрочности конструкции.
Блок генераторов и синхронизаторов выполняет следующие функции:
п
н
п
п
- формирование сигналов оперативного управления: импульсы модуляции с периодом Т и длительностью Т для управления импульсным модулятором, входящего в состав передающего устройства; сигналы коммутации разностных каналов с периодом 2Т и длительностью Т, используемые внутри АОСУ, а также для управления блоком коммутации в БУ1; бланкирующие импульсы и стробы БАРУ для управления приемником; тактовые импульсы для синхронизации работы устройств, входящих в состав АОСУ.
- формирование параллельных двоичных кодов, служащих для управления несущей частотой передающего устройства и дешифратором фазовращателей, входящих
в состав приемного устройства.
- формирование двоичных кодов номера несущей частоты передающего устройства для использования внутри АОСУ.
- формирование двоичных кодов, используемых внутри АОСУ, а также для управления фазоманипулятором, входящим в состав передающего устройства.
- согласование уровнен выходных сигналов, используемых в АОСУ, с уровнями аналоговых сигналов, поступающих на другие узлы БПЛА 10.
т
Кварцевые резонаторы (КР) предназначены для выработки импульсов с тактовой частоты f. Эти импульсы используются для тактирования узлов и блоков, входящих в состав АОСУ, а также для получения импульсов малой длительности.
Устройство согласования (УС) преобразует цифровые сигналы в цифро-аналоговые сигналы (аналоговые сигналы с двумя возможными значениями) и состоит из нескольких идентичных преобразователей (компараторов).
Генератор кодов (ГК) предназначен для формирования двоичных кодов, служащих для управления фазоманипулятором, входящим в состав передающего устройства, а также для настройки цифровых согласованных фильтров (ЦСФ), входящих в состав блока сжатия сигналов, в начале каждого периода повторения Тп. Коды представляют собой М-последовательность, начальное значение которой фиксировано. Коды изменяются циклически от периода к периоду Тп по правилу циклического сдвига. В зависимости от режима работы БПЛА 10 (код режима поступает в ГК из
п
вычислительного блока) меняется разрядность кодов (от 63 до 31), длительность дискрета и посылки, а также среднее значение Т.
Блок перестройки частоты (БПЧ) предназначен для формирования параллельных двоичных кодов, служащих для управления несущей частотой передающего устройства и дешифратора фазовращателей в составе приемного устройства. Так же БПЧ формирует 2-х разрядный код номера несущей частоты передающего устройства, который поступает на другие блоки АОСУ, в частности в вычислительный блок. Управление несущей частотой передающего устройства осуществляется 4-х разрядным параллельным кодом с одним ненулевым разрядом. Перестройка частоты осуществляется двумя способами: либо по квазислучайному закону с периодом синхроимпульсов Тп, либо по командам, поступающим от вычислительного блока. Синхронизатор предназначен для формирования сигналов оперативного управления, которые поступают на другие блоки и узлы АОСУ, а также на узлы, не входящие в состав АОСУ. Временные характеристики сигналов зависят от блока, для которого они формируются, а также от режима работы БПЛА 10.
п
Синхронизатор управляется командами, поступающими из вычислительного блока, которые задают значения 1и, Тп и другие. Все сигналы синхронизации "привязаны" к периоду повторения Тп, среднее значение которого зависит от режима работы БПЛА 10. В каждом режиме производится вобуляция Т по случайному закону в пределах ±20% от среднего значения.
Блок хранения коэффициентов настройки (БХКН) предназначен для хранения коэффициентов настройки фазовращателей, записываемых при изготовлении БПЛА 10 в процессе фазовой калибровки приемного тракта. БХКН представляет собой совокупность блока управления и запоминающего устройства. Запоминающее устройство содержит коэффициенты настройки, которые необходимы для подстройки фазы сигналов в зависимости от текущей несущей частоты в узле фазовращателей.
H
Блок компенсации допплеровской частоты осуществляет преобразование аналоговых сигналов, поступающих из блока фазовых детекторов, в цифровые сигналы с периодом квантования t, компенсацию допплеровской частоты и выдачу значений полученных сигналов на ЦСФ (в блок сжатия сигналов). Коммутация сигналов производится с частотой 8*Fд (Fд - частота Допплера). Для получения указанной частоты внутри блока выполняется преобразование двоичного кода значения частоты Допплера Рд, поступающего из вычислительного блока, в синхроимпульсы, следующие с частотой 8*Fд.
п
Блок обнаружителя помехи осуществляет обнаружение помехи в конце каждого периода повторения на основе видеосигналов (ВС), поступающих из приемного устройства. Для обнаружения помехи используются четыре синхроимпульса длительностью 40 микросекунд каждый, следующие в конце каждого периода повторения Т.
Блок сжатия сигналов предназначен для сжатия принимаемых сигналов в режимах поиска и сопровождения цели, формирования порога бинарного квантования и сравнения с ним полученных сигналов при некогерентной обработке. В режиме сопровождения цели блок сжатия сигналов формирует также сигналы квадратур ξу(с), ξд(с), ξy(s) и ξД(s), которые поступают в блок управления положением антенны.
u
Блок некогерентной (первичной) обработки предназначен для накопления импульсов за время пачки в режиме обзора, первичного обнаружения и определения координат целей и "осколков" (дальности R и азимута Ψu) в процессе обзора, а также хранение полученных координат и их выдачу в вычислительный блок по шине VME. Объединение "осколков" и определение координат целей производится в вычислительном блоке. Кроме того, блок некогерентной обработки содержит дальномер, предназначенный для автоматического сопровождения цели по дальности.
Блок управления положением БПЛА 10 предназначен для управления его положением во всех режимах, для выдачи сигналов управления в блок приводов. Сигналы углового рассогласования образуются внутри блока по сигналам, которые поступают из ЦСФ (блок сжатия сигналов) и вычислительного модуля.
Вычислительный блок является главной функциональной частью АО СУ.
Задача обнаружения целей и источников помех решается на основе данных, полученных из блока первичной обработки: в вычислительном блоке производится объединение "осколков", нахождение координат цеди по определенным алгоритмам и вторичная (межобзорная) обработка, в результате которой принимается решение "цель обнаружена". Задача выбора цели или помехи решается программным путем, в результате чего принимается решение о сопровождении цели или помехи. В режиме сопровождения осуществляется сопровождение цели по дальности и угловому положению. Для решения этой задачи используются оба канала приемного устройства (суммарный и разностный), формируются сигналы управления, поступающие в блок управления положением антенны, вырабатывается подвижная сетка тактовых импульсов, служащая для управления блоком сжатия сигналов. При этом учитывается собственная скорость
носителя, значения которой поступают от бортовой навигационной системы 2 или по полетному заданию.
Вычислительный блок создастся на базе микро-ЭВМ.
Блок управляющих команд и сигналов предназначен для формирования управляющих команд и сигналов, используемых для управления работой РЛС, а также внутренних команд и сигналов АОСУ. Кроме того данный блок осуществляет прием внешних и внутренних сигналов, характеризующих состояние АОСУ и БПЛА 10 в целом. Взаимодействие между блоком управляющих команд и вычислительным блоком осуществляется по шине VME.
Телевизионная система обзора поверхности обеспечивает обнаружение, распознавание, определение угловых координат и по косвенным признакам скорость и направление движения корабля или наземного объекта с передачей полученной информации по каналу 12 связи и с получением по нему команд управления режимами работы.
Кроме того телевизионная система обзора поверхности используется для обеспечения посадки БПЛА 10 на палубу корабля или на заранее выбранную площадку.
Тепловизионная система обзора поверхности обладает соизмеримой с телевизионной угловой разрешающей способностью и большей дальностью обнаружения целей по тепловому контрасту. Поле зрения в продольной и поперечной плоскостях регулируется дистанционно и стабилизируется в пространстве автоматически).
Лазерный локатор (ЛК) используется для решения следующих, основных задач:
- повышение помехозащищенности (ЛК позволяет с высокой вероятностью селектировать цель на фоне радиотехнических и оптико-электронных помех) и избирательности (ЛК позволяет с высокой вероятностью определять класс наблюдаемой цели по геометрическим размерам и конфигурации) ракетного оружия в условиях радиоэлектронного противодействия противника;
- повышение точности наведения беспилотных летательных аппаратов на морские надводные цели (при этом впервые решалась задача наведения в заданные области цели под заданными, наиболее эффективными, углами подхода к цели).
Однако ЛК обладает существенным недостатком, присущим всем оптическим каналам. Его дальность действия существенно зависит от погодных условий, а именно от метеорологической дальности видимости (МДВ). ЛК в процессе работы на борту БПЛА 10 сразу после его включения по результатам анализа сигнала обратного
рассеяния от атмосферы определяет дистанцию, на которой ему можно доверять с заданной высокой вероятностью при обнаружении, селекции и классификации цели.
Поле зрения ЛК в продольной и поперечной плоскостях регулируется дистанционно и стабилизируется в пространстве автоматически.
Система экологического контроля работает следующим образом. Беспилотный летательный аппарат 10 осуществляет полет по заданной траектории в заданном районе (патрулирование района). Системы комплекса 6 обзора поверхности (радиолокационная станция, лазерный локатор, телевизионная система, тепловизионная система) осуществляют обзор водной и/или земной поверхности под беспилотным летательным аппаратом 10; Из комплекса 6 обзора поверхности данные передаются в бортовую цифровую вычислительную машину 3. Также в бортовую цифровую вычислительную машину 3 из запоминающего устройства 5 передаются данные эталонной лазеролокационной карты местности. По данным лазерного локатора в бортовой цифровой вычислительной машине 3 и по данньм эталонной лазеролокационной карты местности на основании признаков отраженных сигналов осуществляется принятие решений о наличии или отсутствии различных объектов (лодки моторные, лодки весельные, бочки, плавающий мусор и т.д.) на водной поверхности и аномалии на земной поверхности (насекомые, выжженные и обгорелые места, залитые водой участки, разливные нефтепродукты, дым, изменение растительности покрова). По данным лазерного локатора принимается решение о наличии или отсутствии на водной и земной поверхности посторонних предметов, объектов или других аномалий.
В качестве основных признаков отраженных сигналов используются следующие:
ср
A
1. Амплитудные признаки, характеризующие интенсивность отраженного сигнала: среднее значение А, среднеквадратичное отклонение σ изменение во времени A(t).
и
фп
фз
т
фп
фз
u
m
u
2. Временные признаки, характеризующие: длительность отраженного сигнала Т, длительность переднего и заднего фронта Т и Т, отношение фронтов К=Т/Т, их дисперсии DT, DK и изменение во времени T(t).
⊥
⊥
п
n
n
3. Поляризационные признаки: амплитуда отраженного сигнала с поляризацией зондирующего сигнала А" и с перпендикулярной А, поляризационное отношение К=А/А", его дисперсия DK и изменение во времени K(t).
5. Геометрические признаки распределения отраженного сигнала в пространстве: изменение дистанции Д(υ, Ψ), в частном случае, длина L, высота H и площадь S наблюдаемого объекта.
сел
1
2
сел
Эффективность обнаружения заданного объекта на окружающем фоне может быть оценена с помощью двух показателей: вероятность селекции (Р) и вероятность ложной тревоги (Рл.т). При использовании критерия Неймана-Пирсона пороги (a, a) селекции определяются исходя из заданной вероятности ложной тревоги:
- плотность вероятности распределения признака а фона.
Соответственно вероятность селекции распознаваемого объекта на фоне
- плотность вероятности распределения признака а распознаваемого объекта.
Преимущественно используются поляризационные признаки. Для обнаружения лодок моторных, лодок весельных, бочек на фоне водной поверхности также используются амплитудные признаки. Для обнаружения дыма на фоне леса также используются временные признаки.
Для определения длины L используются геометрические соотношения. Пусть визир расположен на дальности до центра наблюдаемого объекта D. Угол ориентации объекта относительно линии визирования равен а. Так как длина объекта L для реальных условий всегда много меньше дальности D, на которой необходима классификация объекта, она определяется следующим образом:
, где ΔΨ - угловой размер объекта, D1 и D2 -дистанции до правой и левой оконечности объекта. Обозначим далее протяженность объекта по линии визирования ΔD=|D2-D1|.
L
Ошибка σ, определения длины в этом случае
D
где σ- среднеквадратическая ошибка измерения дистанции до объекта. Приведенное выражение показывает, что ошибка измерения длины таким способом существенно зависит от ошибки измерения σ(ΔΨ) углового размера. Таким
образом возможно использование геометрических признаков при достаточной разрешающей способности по длине L.
В случае обнаружения на водной или земной поверхности посторонних предметов, объектов или других аномалий в зависимости от полетного задания и команд, получаемых с передвижного наземного пульта 11 управления осуществляется передача всех данных об обнаруженном объекте при помощи бортового приемопередатчика 4 по каналу 12 связи на передвижной наземный пульт 11 управления, где они в различных видах отображаются на экране устройства 9 отображения информации, а также бортовой цифровой вычислительной машиной 3 выдаются команды в бортовую систему 1 управления полетом на изменение траектории полета беспилотного летательного аппарата 10 для сближения с обнаруженным объектом. При сближении с объектом комплекс б обзора поверхности продолжает обзор места, в котором обнаружен объект, передает данные в бортовую цифровую вычислительную машину 3, которая осуществляет более точную опознавание и классификацию обнаруженного объекта.
В случае необходимости беспилотный летательный аппарат 10 осуществляет снижение до высоты, на которой возможно взятие пробы воды системой 13 отбора пробы воды. При этом бортовой цифровой вычислительной машиной 3 выдаются команды в бортовую систему 1 управления полетом, обеспечивающие зависание беспилотного летательного аппарата 10 над водной поверхностью, а в систему 13 отбора проб воды выдаются команды на начало работы этой системы. После забора проб воды полет беспилотного летательного аппарата 10 продолжается в соответствии с полетным заданием и командами, поступающими от передвижного наземного пульта 11 управления. Забор проб воды осуществляется или в соответствии с полетным заданием, или при поступлении соответствующих команд от передвижного наземного пульта 11 управления по каналу 12 связи, или при обнаружении объектов определенного вида (например, при обнаружении нефтяных пятен на поверхности воды).
Для уточнения местоположения беспилотного летательного аппарата 10 измеряется расстояние до береговой черты. Для вычисления расстояния до береговой черты радиолокационная станция комплекса 6 обзора поверхности выдает в бортовую цифровую вычислительную машину 3 радиолокационную картину местности, а из запоминающего устройства 5 в бортовую цифровую вычислительную машину 3 передается эталонная радиолокационная карта местности. Бортовая цифровая
И
i,j
вычислительная машина 3 вычисляет максимум нормированной корреляционной функции R центрированных массивов измерений изменения дистанции А(х, у), измеренной радиолокационной станцией, и изменения дистанции Аэ(х, у) определяемые по эталонной радиолокационной карте.
И
Эi,j
где i, j - перемешаю по координатам х и z для перебора эталонной карты; D, D-. дисперсии измеренного и эталонного (той же размерности) массива; S - площадь элемента разрешения локатора на поверхности Земли; ds - площадь элемента разрешения карты.
m
В качестве признака идентификации может использоваться также невязка измеренного и эталонного массива или сумма С модулей разницы этих массивов:
где N - меньшее из общего числа элементов, имеющих определенное значение измеряемой величины сигнала (дистанции, интенсивности), измеренного и эталонного массивов.
с
Для тех случаев, когда используется бинарная радиолокационная карта, в качестве критерия идентификации принимается сумма совпадений знаков интенсивности сигналов, отраженных от элементов измеренного и эталонного массивов. Этот метод принято называть методом исключения «ИЛИ». Решение об идентификации определяется по минимуму исключенных «ИЛИ» или по максимуму числа совпадений С:
При использовании береговой черты в качестве ориентира целесообразно при сканировании локатором охватить характерные особенности береговой черты, например, участок с резким перепадом дистанций. В этом случае коэффициент корреляции и невязка дают наилучшие результаты как признаки распознавания местонахождения беспилотного летательного аппарата 10 относительно береговой черты. При отсутствии ярко выраженных характерных особенностей береговой черты предпочтение отдается невязке.
Для улучшения показателей качества определения местоположения беспилотного летательного аппарата 10 при существенно различной изрезанности береговой линии в алгоритм ориентации беспилотного летательного аппарата 10 введена фильтрация показаний измерителя, постоянная фильтра адаптируется к характеру изрезанной береговой линии. Для фильтрации «высокочастотных» флуктуации используется двойной фильтр первого порядка, который практически не дает фазового сдвига за счет последовательного интегрирования в прямом и обратном направлении:
ф
ф
И
ф
ф
x(j+1)=x(j)+(x(j+1)-x(j))/T при изменении j от 1 до n-1,
ф
ф
И
ф
ф
x(j)=x(j-1)+(x(j)-x(j-1))/T при изменении j от n-1 до 1.
ф
ф
Значение т выберется автоматически в процессе вычисления значений критерия сравнения по координате Z, адаптируя величину Т к характеру анализируемой береговой черты.
Технический результат заключается в том, что система экологического контроля обеспечивает обнаружение и классификацию с высокой степенью достоверности как самих экологических загрязнений различных видов, так и источников экологических загрязнений как на водной так и на земной поверхности.
Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие технические средства изготовить предлагаемую систему экологического контроля и использовать ее для экологического мониторинга водоемов, а также земной поверхности, например, территории заповедников что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
Источники информации
1. Система мониторинга качества воды. GRE Rev. -1988, 26. - С. 14-20
2. Система для мониторинга приповерхностных вод. Fukuchi Mitsuo, Hottori Hitoshi. - Proc. NIPR Symp. Polar Biol. -1987, 1.- С. 47-55.
3. Свидетельство РФ №301 на полезную модель. МПК В 63 В 38/00 - Публикация 25.04.95 г.
4. Патент РФ на ПМ №31557, МПК В 63 В 35/00. 2003. (прототип)