СИСТЕМА ТРЕВОЖНОГО ОПОВЕЩЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
ALARM LOCATION DETERMINING SYSTEM

Изобретение относится к устройствам передачи тревожных сообщений по радиоэфиру. Сообщения передаются на базовую радиостанцию с использованием объектовой радиостанции голосовой радиосвязи и тревожной кнопки.
Известна «Система тревожного оповещения и определения местоположения», патент RU №2259595, 21.10.2004, G08B 25/12, содержащая размещаемые у абонента GPS-модуль и абонентский прибор, в состав которого входят первый Bluetooth-модуль и GSM-телефон, включающий в себя микропроцессор, выполненный с возможностью обмена данными с первым Bluetooth-модулем, а также подключенный к микропроцессору дисплей и связанные с микропроцессором интерфейс и приемопередающий модуль, выполненный с возможностью двухстороннего обмена данными по стандартной сети связи и передачи данных с аппаратурой провайдера, связанной с диспетчерским центром, выполненным с возможностью взаимодействия с силами и средствами реагирования и с возможностью включения внешних тревожных устройств, скрытно размещаемая у абонента тревожная кнопка со вторым Bluetooth-модулем, а GPS-модуль представляет собой автономный носимый прибор, оснащенный третьим Bluetooth-модулем.
Недостатком этого устройства является ограниченная зона действия - его можно использовать только в зоне действия стационарных сетей GSM-телефонной радиосвязи.
Известна «Система тревожного оповещения и определения местоположения», патент RU №2341826, 11.12.2006, G08B 25/12, содержащая размещаемые у абонента GPS-модуль и абонентский прибор, включающий в себя тревожную кнопку и приемопередающий модуль и связанный через базовую станцию с диспетчерским центром, выполненным с возможностью определения местоположения абонента по измеренным с помощью GPS-модуля координатам, а также с возможностью взаимодействия с силами и средствами реагирования и включения внешних тревожных устройств, при этом GPS-модуль является встроенным в абонентский прибор, абонентский прибор содержит шар, заполняемый газом, например гелием, и благодаря этому имеет возможность подниматься на высоту для обеспечения прямой радиовидимости с базовой станцией.
Известное устройство может обеспечивать передачу тревожных сообщений вне зоны действия стационарных сетей GSM-телефонной радиосвязи. Его недостатком является использование воздушного шара, что технически достаточно сложно и трудно выполнимо в сложных погодных условиях, например при сильном ветре.
Из известных устройств, наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, является «Система тревожного оповещения об угрозе личной безопасности», патент RU №2288508, 18.01.2006, G08B 25/10, содержащая носимые и/или возимые кнопку управления, подключенную к первому входу формирователя тревожного сообщения, первый выход которого соединен с входом объектового радиопередающего устройства, последовательно соединенные микрофон и блок шумоподавления, а также установленные в пункте централизованной охраны пультовое радиоприемное устройство, выполненное с возможностью приема по радиоэфиру тревожных сообщений от объектового радиопередающего устройства, пульт централизованного наблюдения и блок звуковой и/или световой индикации, входы которых подключены к выходу пультового радиоприемного устройства, приемник глобальной спутниковой системы навигации и блок распознавания звука выстрела, который включен между выходом блока шумоподавления и вторым входом формирователя тревожного сообщения, третий вход которого соединен с выходом приемника глобальной спутниковой системы навигации, управляющий вход которого подключен ко второму выходу формирователя тревожного сообщения.
Недостатком данного технического решения, выбранного в качестве прототипа, является ограниченная дальность передачи тревожных сообщений, т.к., как правило, тревожные кнопки стараются делать небольших габаритов, что не позволяет разместить в этих габаритах эффективную антенну, и достаточно мощный передатчик с мощным аккумулятором. Небольшая мощность передатчика и малоэффективная антенна существенно уменьшают дальность радиосвязи.
Задачей изобретения является увеличение дальности передачи тревожных сообщений и местоположения. Достигается это за счет использования для передачи тревожных сообщений и местоположения уже имеющиеся у пользователя обычные голосовые радиостанции, имеющие, как правило, достаточно большую мощность (до 5 Вт), хорошую антенну и мощный аккумулятор, а также за счет передачи через тракт обычной голосовой радиостанции специально сформированного узкополосного сообщения.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее тревожную кнопку, в которую входит кнопка управления, подключенная к первому входу формирователя тревожного сообщения, приемник GPS, подключенный ко второму входу формирователя тревожного сообщения, а также объектовая радиостанция, стационарная радиостанция, выполненная с возможностью приема по радиоэфиру тревожных сообщений от объектовой радиостанции, персональный компьютер, аудиовход которого подключен к аудиовыходу стационарной радиостанции, в состав тревожной кнопки введены последовательно включенные усилитель и звуковой излучатель, вход усилителя соединен с выходом формирователя тревожного сообщения, а также источник питания, соединенный со всеми элементами тревожной кнопки, причем звуковой излучатель располагается в непосредственной близости от микрофона объектовой радиостанции, выходной сигнал формирователя тревожного сообщения формируется на поднесущей частоте f в диапазоне частот 300…3000 Гц, стационарная радиостанция настраивается на частоту F+f или на частоту F - f, где F - несущая частота передачи объектовой радиостанции.
Решению поставленной задачи способствует частный существенный признак предложенного технического решения:
- введена вторая стационарная радиостанция, выполненная с возможностью приема по радиоэфиру тревожных сообщений от объектовой радиостанции, аудиовыход которой подключен к второму аудиовходу персонального компьютера, причем первая стационарная радиостанция настраивается на частоту F+f, а вторая стационарная радиостанция настраивается на частоту F - f, где F - несущая частота передачи объектовой радиостанции, f - поднесущая частота объектовой радиостанции.
Работа предлагаемой системы тревожного оповещения и определения местоположения поясняется на примере функционирования устройства, блок-схема которого приведена на Рис. 1.
Устройство содержит тревожную кнопку 1, состоящую из последовательно включенных GPS-приемника 2, формирователя тревожного сообщения 3, усилителя 4 и звукового излучателя 5, а также кнопку 6 и источник питания 7. Тревожная кнопка 1 располагается на небольшом расстоянии 5…10 см от объектовой радиостанции 8 (передатчик голосовой радиосвязи), непосредственно напротив ее микрофона 9. В зоне связи с радиостанцией 8 располагаются стационарные радиостанции 10 и 12, к аудиовыходам которых подключен персональный компьютер 11.
Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии все узлы тревожной кнопки 1 подключены к источнику питания 7 (аккумулятор), но находятся в выключенном состоянии. При необходимости передачи тревожного сообщения нажимается кнопка управления 6, сигналом которой запускается формирователь тревожного сообщения 3, который включает все узлы тревожной кнопки 1. По включении GPS-приемника 2, он выдает на формирователь тревожного сообщения 3 координаты местонахождения тревожной кнопки 1. Формирователь тревожного сообщения 3 преобразует их в последовательный сигнал сообщения, содержащий, помимо координат, дополнительную служебную информацию, например регистрационный номер тревожной кнопки 1, помехоустойчивое кодирование и др. Одновременно, формирователь тревожного сообщения 3 формирует на своем выходе, подключенном к входу усилителя 4, вспомогательный сигнал поднесущей частоты, например, путем использования широтноимпульсной модуляции с последующим фильтрованием, с частотой, расположенной внутри диапазона модулирующих частот, используемого радиостанцией 8 для голосовой радиосвязи (300 Гц … 3 кГц). Формирователь тревожного сообщения 3 модулирует вспомогательный сигнал поднесущей частоты ранее сформированными последовательными сигналами сообщения. При этом спектр сформированного последовательного сигнала сообщения задается существенно уже, чем полоса модулирующих частот радиостанции 8. При модуляции вспомогательного сигнала поднесущей частоты могут быть использованы любые известные виды модуляции, например, амплитудная, фазовая, или частотная модуляции. Промодулированный вспомогательный сигнал поднесущей частоты усиливается усилителем 4 и поступает на звуковой излучатель 5 (динамик). Звуковой излучатель 5 формирует акустические звуковые колебания с частотой промодулированного сигнала поднесущей частоты. Тревожная кнопка 1 располагается на расстоянии 5 … 10 см от микрофона 9 объектовой радиостанции 8.
Объектовая радиостанция 8 включается в режим передачи, сигнал, поступающий с микрофона 9, модулирует ее, и промодулированный сигнал на несущей частоте F передается в радиоэфир объектовой радиостанцией 8.
Переданное объектовой радиостанцией 8 тревожное сообщение принимается стационарными радиостанциями 10 и 12, и в виде выходного аудиосигнала с их выходов поступает на аудиовходы персонального компьютера 11. При этом стационарная радиостанция 10 настраивается на частоту F+f, а стационарная радиостанция 12 настраивается на частоту F - f, где F - несущая частота передачи объектовой радиостанции 8, f - частота вспомогательного сигнала поднесущей частоты объектовой радиостанции.
На персональный компьютер 11 устанавливается специальная программа для раздельной обработки двух поступающих аудиосигналов, включающая фильтрацию принятых вспомогательных сигналов поднесущей частоты (например с использованием методов быстрого преобразования Фурье), их демодуляцию, в соответствии с выбранной модуляцией вспомогательного сигнала поднесущей частоты, выделение принятой информации, и ее отображение на карте в виде координат тревожной кнопки и ее номера, с автоматическим выбором более достоверных данных из принятых.
При передаче голосовых сообщений источником сигналов сообщения, модулирующих сигнал несущей частоты объектового передатчика 8, является микрофон 9.
Тревожная кнопка 1 может быть выполнена в виде небольшого брелка с кнопкой управления 6.
В качестве GPS-приемника 2 может быть использован соответствующий модуль.
В качестве формирователя тревожного сообщения 3 может быть использован микропроцессор, с соответствующим программным обеспечением.
В качестве усилителя 4 может быть использован простой усилитель мощности на транзисторах.
В качестве звукового излучателя 5 может быть использован любой миниатюрный динамик с мощностью 5…10 мВт.
В качестве объектовой радиостанции 8 может быть использована любая носимая радиостанция голосовой радиосвязи.
В качестве стационарных радиостанций 10 и 12 могут быть использованы любые стационарные радиостанции голосовой радиосвязи.
В качестве персонального компьютера 11 может быть использован любой компьютер, ноутбук или планшет, имеющие аудиовходы и возможность установки специального программного обеспечения.
Несущая частота передатчика голосовой связи модулируется сигналами, спектр которых лежит, как правило, в полосе от 300 до 3000 Гц.
Модуляция несущей частоты аналоговых радиостанций осуществляется, как правило, методами частотной (ЧМ) или амплитудной модуляции (AM, SSB).
Дальность связи для любого радиоканала определяется, главным образом, мощностью передатчика и чувствительностью приемника. При этом полоса пропускания приемника должна быть не менее ширины спектра сигнала передатчика.
Например, при использовании в качестве объектовой радиостанции 8 обычной носимой ЧМ-радиостанции, мощность передатчика связи не превышает 5 Вт. Такие параметры обеспечивают возможность для радиосвязи на расстоянии не свыше 5 км между носимыми радиостанциями и не свыше 15 км между носимой и стационарными радиостанциями.
Такой способ голосовой передачи сообщений по радиоэфиру обеспечивает недостаточную дальность передачи сообщений. Часто, в чрезвычайных ситуациях, необходимо передать тревожное сообщение на значительно большее расстояние, когда обычная голосовая радиосвязь уже не работает.
Достигается это за счет более высокой чувствительности приемного комплекса, состоящего из стационарных радиостанций 10 и 12 и персонального компьютера 11, а также большей мощности используемых объектовых радиостанций 8.
Так, чувствительность любого приемника определяется минимальным уровнем S сигнала, различимого на уровне шумов. Из радиотехники известно (И.С. Гоноровский "Радиотехнические цепи и сигналы", Учебник для вузов, Москва, "Радио и связь", 1986 г.), что величину S можно подсчитать по формуле, обобщенный вид которой может быть представлен следующим образом:
0
S=N⋅(F-1)kT⋅Δf,
где N - постоянный коэффициент - отношение сигнал/шум на входе приемника, которое необходимо обеспечить при приеме сигнала (для кодового сигнала эта величина должна быть в пределах от 5 до 10 дБ, для голосовой связи эта величина установлена равной 12 дБ);
F - коэффициент шума приемника;
-23
k - постоянная Больцмана - 1,380 6504(24)⋅10Дж/К;
0
T - температура окружающей среды (в градусах Кельвина);
Δf - полоса пропускания приемника.
В этой формуле все составляющие постоянны, либо (как температура) не зависят от пользователя, кроме полосы пропускания Δf.
Таким образом, реальным путем повышения чувствительности приемника является уменьшение полосы пропускания приемника. Шум приемника близок к белому шуму. Поэтому интенсивность собственного шума приемника прямо пропорциональна выбранной для приема сообщений полосе частот. И чем уже полоса частот, тем меньше мощность шума в этой полосе частот и тем меньше требуется мощность сигнала, чтобы он был различим на фоне шума приемника.
Следовательно, значительное увеличение дальности приема сообщений может быть достигнуто при существенном сокращении полосы частот приемника, что и делается, т.к. спектр передаваемого сообщения выбирается значительно уже полосы частот, занимаемой в радиоэфире радиостанциями голосовой радиосвязи (10…15 кГц).
При использовании амплитудной (AM) или частотной (ЧМ) модуляции в радиостанциях голосовой радиосвязи, спектр радиосигнала содержит две одинаково промоделированные боковые полосы. Приемник стационарной радиостанции 10 настраивается на прием верхней или нижней боковой полосы частот спектра сигнала передаваемого объектовой радиостанцией 8.
Так как для модуляции вспомогательного сигнала поднесущей частоты в тревожной кнопке 1 был использован последовательный сигнал сообщения с полосой частот, существенно более узкой, чем полоса модулирующих частот объектовой радиостанции 8, при использовании голосовой радиосвязи, то и полоса приемного радиотракта стационарных радиостанций 10 и 12 также выбирается значительно уже, чем при обычной голосовой радиосвязи, за счет чего и достигается увеличение дальности радиосвязи, по сравнению с обычной голосовой радиосвязью. При этом, более узкополосная фильтрация может быть осуществлена как в самих стационарных радиостанциях 10 и 12, так посредством последующей цифровой фильтрации при обработке сигналов персональным компьютером 11.
Отношение полосы пропускания приемника, предназначенного для приема голосовой информации, к полосе пропускания приемника, предназначенного для приема части боковой полосы спектра модулированного сигнала определяет выигрыш в чувствительности приемника.
Например, при формировании сообщения со скоростью 25 бит/с и использовании AM, ширина спектра промодулированной боковой полосы частот составляет около 50 Гц. Для приема такого сигнала полоса приемника может быть уменьшена до 100 Гц. Полученный при этом выигрыш по чувствительности N будет
N=0,25×10000 Гц/100 Гц=25,
здесь полоса пропускания приемника при обычной голосовой связи взята 10000 Гц.
Известно, что дальность радиосвязи (в свободном пространстве) обратно пропорциональна квадратному корню из чувствительности приемника. Поскольку квадратный корень из 25 равен 5, то использование заявляемого способа позволяет увеличить дальность передачи тревожного сообщения до 5 раз, по сравнению с передачей тревожных сообщений через радиостанции обычной голосовой радиосвязи (в условиях прямой видимости). При этом для обеспечения максимальной мощности боковых полос при AM модуляции, глубина модуляции должна обеспечиваться близкой к 100%, что обеспечивается размещением тревожной кнопки 1 на небольшом расстоянии (5…10 см) от микрофона 9 объектовой радиостанции 8.
Аналогично, при использовании ЧМ радиостанций для голосовой радиосвязи, так же образуются две боковые полосы частот.
При этом спектр ЧМ сигнала зависит от индекса m частотной модуляции. В частности, при m=2, боковые полосы имеют максимальную энергию. Поэтому с точки зрения достижения максимального эффекта, обеспечиваемого заявляемым способом, оптимальным является индекс частотной модуляции около 2 (реально от 1,5 до 2,5) - в этом случае несущая существенно подавлена и около 50% всей мощности сосредоточено в двух боковых полосах модулированного сигнала, что обеспечивается размещением тревожной кнопки 1 на небольшом расстоянии (5…10 см) от микрофона 9 объектовой радиостанции 8.
Если отбросить из рассмотрения боковые составляющие более высоких порядков, то спектр ЧМ сигнала становится очень похож на спектр AM сигнала, и, значит, все вышеизложенное для AM сигналов справедливо и для ЧМ сигналов.
Из рассмотренных выше спектров AM и ЧМ сигналов видно, что они содержат по две одинаково промодулированных боковых полосы, которые могут быть приняты двумя одинаковыми и независимыми приемниками (спектр одной боковой будет инверсным по отношению к спектру другой боковой). Прием двумя независимыми стационарными радиостанциями 10 и 12, одна из которых настроена на прием верхней, а другая, соответственно - нижней боковой полосы, значительно повышает вероятность правильного приема, так как одна из боковых полос может быть поражена помехой. На персональном компьютере 11, запускается программа, предназначенная для одновременной обработки двух аудиосигналов и с выводом более достоверных результатов на экран монитора.
С целью упрощения, можно использовать только одну стационарную радиостанцию 10 или 12, что приведет к некоторому снижению достоверности приема, вследствие приема только одной боковой полосы радиосигнала объектовой радиостанции 8.
Поставленная цель - увеличение дальности передачи тревожных сообщений и местоположения достигнута за счет использования для передачи тревожных сообщений и местоположения обычных голосовых радиостанций, имеющих достаточно большую мощность (до 5 Вт), хорошую антенну и мощный аккумулятор, а также за счет того, что через тракт обычной голосовой радиостанции передается специально сформированное узкополосное сообщение на поднесущей частоте, которое фильтруется и обрабатывается специальным образом на приемной стороне. Реальный выигрыш по увеличению дальности радиосвязи может достигать 3…5 и более раз.
Узкополосное сообщение формируется в виде звука с помощью тревожной кнопки, которая может быть выполнена в виде небольшого брелка и которая просто подносится к микрофону, включенной на передачу, объектовой радиостанции. При этом может использоваться любая, обычная аналоговая радиостанция для голосовой радиосвязи, без какой либо переделки. Использование таких тревожных кнопок, совместно с обычными радиостанциями, актуально для групп работающих в местах стихийных и техногенных бедствий, где отсутствует сотовая радиосвязь, а дальности действия обычных радиостанций может оказаться недостаточно.