Личная подводная спасательная и навигационная система
PERSONAL UNDERWATER RESQUE AND NAVIGATION SYSTEM

Личная подводная спасательная и навигационная система - это гидроакустический комплекс для поисковых и спасательных работ и мероприятий в водоемах.
Изобретение относится к устройствам для поисковых и спасательных мероприятий в водных акваториях и состоит из двух функционально связанных приборов:
- малогабаритного гидроакустического маяка (пингера),
- малогабаритного гидроакустического пеленгатора сигналов гидроакустического маяка.
Навигационная система может содержать несколько маяков и пеленгаторов.
Их применение сориентировано на использование как специалистами подводниками без другого специального подводного снаряжения, например при тренировках водолазов и подводных пловцов, спасателями на оборудованных пляжах пансионатов, санаториев, детских лагерей, молодежных сборов, так и индивидуальными любителями водного спорта, семьями отдыхающих, дайверами, серфингистами, и купальщиками. Они могут стать атрибутами «VIP кают» на теплоходах, прогулочных яхтах, рыболовецких судах, словом, являться «бытовым прибором».
Отличительными чертами такой системы являются простота использования, не требующая специальной квалификации, эффективность и низкая стоимость.
Гидроакустические навигационные системы разделяются на две категории:
- сугубо профессиональные, которые довольно многочисленные,
- для индивидуального применения в любительских целях - такая определенно известно только одна.
Профессиональные навигационные системы, предназначенные и для спасательных работ, часто функционируют на фиксированных частотах в диапазоне 30 кГц. Обычно используют диапазон частот в окрестности 37.5 кГц, которая определена как частота «SOS». Вторая группа - личные навигационные системы - функционируют в различных диапазонах частот, ограниченных сверху 250-300 кГц.
В связи с тем, что в предлагаемом изобретении описываются два прибора, часть отличительных признаков которых свойственна приборам известных систем, недостатки существующих систем оцениваются по каждому из них в обеих группах.
Наиболее близким по техническому исполнению по заявленному маяку являются известные гидроакустические маяки: отечественный «ПАМ-6К» и его зарубежный аналог фирмы DUKANE SEACON США «СПМ-АЭРО». «ПАМ-6К» установлен на отечественные военные вертолеты, «СПМ-АЭРО» - на самолеты фирм «Эйрбас» и «Боинг». «ПАМ-6К» обеспечен штатным гидроакустическим пеленгатором стационарного исполнения, пеленгатор «СПМ-АЭРО» нам не известен.
Их габариты: длина около 100 мм, диаметр 33 мм, рабочая частота 37.5 кГц. У обоих маяков общим недостатком для применения в заявленной спасательной навигационной системе является их профессиональное назначение: большая глубина (до 6000 м), длительный срок функционирования, который является однократным (несколько месяцев). В них используется высокопрочные титановые корпуса, редкие по времени акустические сигналы, для индикации требуются приборы специального назначения - накопление информации, специальные дисплеи. У индивидуальных пользователей таких возможностей нет. Однако в качестве прототипа принимаются именно эти маяки.
Несколько разновидностей навигационных комплексов разработаны во ФГУП «Опытно-конструкторское бюро океанологической техники Российской академии наук». Эти приборы ГМО-6000, ГМО-2000, ГМО-200, МОД-600. Они предназначены для решения профессиональных задач и весьма габаритны. Для решения задач, на которые направлено данное изобретение, они не пригодны. Широкое распространение в настоящее время начинают получать так называемые «системы позиционирования». Они снабжаются маяками-ответчиками, функционирующими совместно с базовым запросчиком.
Рассмотрение категории приборов-пеленгаторов показывает наличие большого числа их классов, но приборов, предназначенных для использования в личных подводных спасательных и навигационных системах, известно два:
- отечественная разработка - гидроакустическая станция связи и пеленгования «Пловец»;
- личная навигационная система «Dive-trak» и «Mark-trak» фирмы RJE International inc. США (Штат Калифорния). Станция гидроакустической связи «Пловец» предназначена для использования профессионалами, оснащенными соответствующей экипировкой. Специфически организовано пеленгование объектов - используется бинауральный эффект. Прием сигналов маяка производится вестибулярным аппаратом человека, у которого должны быть герметичные наушники или датчики костной проводимости, то есть профессиональная экипировка. В пеленговании сигналов участвует голова человека как экран, разделяющий сигналы каждый со своей стороны. «Пловец» - аппаратура для профессионалов.
Наиболее соответствует заявляемой личной подводной спасательной и навигационной системе по назначению и техническому исполнению личная навигационная система марки «Dive-trak» или «Mark-trak». Она выбрана в качестве прототипа пеленгатора. Ее недостатки:
- большие габариты обоих приборов (каждый может быть передатчиком и приемником акустических сигналов),
- малая дальность взаимодействия (не более 300 м),
- отсутствие режима пеленгования приемлемой точности.
Пеленгование, по сути, обеспечивает примерную ориентацию по яркости шкального индикатора. Принципиально возможная зона пеленгования поточности равна примерно 60 град, если возможна работа на частоте 37.5 кГц. Рабочая частота системы не угадана, но, по-видимому, она много выше этой частоты.
Техническим результатом изобретения «личная спасательная и навигационная система» является комплекс согласованных друг с другом приборов - маяка и пеленгатора, простая по конструкции, дешевая по стоимости, рассчитанная на использование при решении профессиональных задач специалистами и любителями водного спорта, дальность связи более 500 метров, погрешность при пеленговании менее 10 град.
Технический результат достигается за счет того, что маяк реализуется в малых габаритах, с эффективной мощностью излучения на частоте 37.5 кГц, причем корпус его создается цилиндрическим пьезокерамическим элементом, внутри которого заключены радиоэлектронные узлы и источник электропитания (аккумулятор или литиевая батарея). Его габаритные размеры: высота около 50 мм, диаметр 35-36 мм. Частота повторения излучаемых акустических импульсов выбрана близкой к 20 Гц, что позволяет принимать их в пеленгаторе в виде яркого не мигающего изображения. С пьезокерамическим цилиндром с одной стороны соединена полусферическая крышка, которая закрывает внутреннюю полость цилиндра, а с другой стороны цилиндр герметично закрывает плоская крышка. Полусферическая крышка, геометрическая форма которой обеспечивает повышение прочности прибора в отношении внешнего давления, при погружении маяка и пьезокерамический цилиндр герметизированы с внешней стороны слоем покрытия из звукопрозрачного полиуретана.
Современная техническая база позволяет реализовать маяк в виде малогабаритного прибора. Срок непрерывной работы от одной батареи: CR2330 напряжением 9v составляет 5 часов, на элементах CR2450 превышает 10 часов.
Пеленгатор обнаруживает сигналы маяка в водной среде на расстоянии превышающем 500 м (по расчетным оценкам до 1000 м). Гидроакустическая аппаратура пеленгатора состоит из протяженной антенны, составленной из комбинации цилиндрических или плоских пьезоэлементов, вытянутых в одну линию. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости составляет несколько десятков градусов. Электронное устройство, входы которого подключены к пьезоэлементам, формирует путем фазирования сигналов две пересекающиеся конусообразные круговые диаграммы направленности раздвинутые в разные стороны симметрично относительно оси, проходящей перпендикулярно через середину антенны. Прибором формируется две диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, раздвинутые на 10 град в разные стороны от оси, проходящей через середину антенны (фиг. 5). Места пересечения диаграмм направленности образуют равносигнальную зону. Центр равносигнальной зоны - ось OA. Сигнал, приходящий от источника, одинаков по величине в обоих Лепестках диаграммы направленности. При смещении объекта, в направлении ОВ уровень сигнала в лепестках диаграммы направленности резко отличается. Таким образом резко повышается точность пеленгования. Для однозначности стороны прихода сигнала необходимо ликвидировать одну часть диаграмм направленности. Для этого с одной стороны на элементы антенны приклеивают акустический экран из пористой среды, содержащей воздух. Антенну целесообразно создать из двух одинаковых половин, что, при необходимости, может позволить использовать их в работе порознь. Кроме того, это удобно при транспортировке, т.к. их можно сложить уменьшив размеры прибора. В ряде случаев кроме определения азимута необходимо установить угол места на излучающий объект, чтобы определить глубину его погружения. Для этого механическое устройство, соединяющее акустическую антенну с корпусом приборного отсека, должно позволить вращение антенны на 90 градусов из горизонтальной плоскости в вертикальную. Равносигнальная зона при этом смещается в вертикальную плоскость.
Выбранная частота повторения излучаемых импульсных сигналов маяка позволяет использовать визуальное обнаружение принятых сигналов, а введение градаций по уровню сигнала - определить его относительную величину. Число градаций лежит в количестве 6-8. При нахождении водолаза вблизи поверхности воды в солнечный день ухудшается восприятие света элементов водолазом, если прибор не защищен от засветки. По этому на корпусе приборного отсека обычно устанавливается специальный чехол из черного материала-резины или пластмассы с отверстием для наблюдения светодиодов.
В некоторых подводных ситуациях предпочтительно использование пеленгатора с редкими акустическими посылками.
Комбинация из маяка - «пингера» с редкими посылками акустических сигналов, например в один гц позволяет применить тот же пеленгатор, но изображение на индикаторе будет мигающим. Время непрерывного функционирования маяка, соответственно, увеличится в 20 раз, увеличится и время его обнаружения пеленгатором до нескольких суток.
И маяк, и пеленгатор включаются автоматически при попадании в водную среду и автоматически выключаются при извлечении из нее.
Для ориентирования оператора пеленгатора под водой в акватории относительно географических координат на пеленгатор сверху установлен съемный компас со шкалой, вращающейся в вертикальной плоскости, и градусной сеткой. Компас устанавливается перед погружением пеленгатора в воду для работы. После работы он снимается.
На фиг. 1 - Конструкция маяка личной подводной спасательной и навигационной системы.
На фиг. 2 - Пеленгатор (вид сверху).
На фиг. 3 - Конструкция пеленгатора: вид спереди.
На фиг. 4 - Конструкция пеленгатора: вид сбоку.
На фиг. 5 - Диаграмма направленности пеленгатора, образующая равносигнальную зону.
Обозначение элементов, составляющих конструкцию маяка:
1 - пьезокерамический цилиндрический излучатель
2 - аппаратурный модуль
3 - аккумуляторный (батарейный) отсек
4 - верхняя пластмассовая (или металлическая) крышка (с усиленной по отношению к внешнему давлению прочностью)
5 - герметизирующая крышка
6 - герметизирующее покрытие из «звукопрозрачного» полиуретана
7 - пластина крепления к маяку внешнего держателя (застежки типа ремешка или резинового кольца)
8 - герметизирующее кольцевое уплотнение
9 - пластмассовая втулка
10 - прилив для герметизированного ввода провода электропитания от внешнего источника
11 - электроды автоматического включения маяка на работу при погружении в воду
12 - сверхяркий светодиод - индикатор включенного состояния маяка
13 - аппаратурный модуль
1
2
14 - гидроакустическая антенна из цилиндрических или плоских пьезоэлементов (моноблок или состоит из двух разделяющихся частей обозначены 14 и 14)
15 - защитный экран (защищает антенну от внешних механических повреждений)
16 - в аппаратурном модуле отсек усилителей, фазирующих сигналы с элементов антенны
17 - двухполосный светодиодный (шкальный) индикатор
18 - светозащитный экран индикатора
19 - съемный компас
20, 21 - механизм управления положением частей гидроакустических антенн
22 - отсек источника электропитания пеленгатора (батарейный отсек)
Фиг. 3 пеленгатор - вид спереди, Фиг. 4 пеленгатор - вид сбоку.
13 - аппаратурный модуль
14 - гидроакустическая антенна
15 - экран защиты антенны
19 - компас (съемный)
23 - регулятор чувствительности пеленгатора
24 - полоса из пористой резины
25 - светодиод подсветки компаса.
Работа личной подводной спасательной и навигационной системы происходит следующим образом:
- в группе функционируют один или несколько человек. Предполагаемая задача имеет особенность. Между пластиной и нижней крышкой маяка устанавливается устройство крепления. Это может быть ремешок с застежкой, специальный держатель и т.п. Маяк с их помощью может быть закреплен на объекте, который нужно установить в водоеме или на человеке, за которым необходимо наблюдение для решения вопросов, например его безопасности. Другой оператор обеспечивается пеленгатором. Попав в водную среду, каждый из них решает свои задачи. Важным событием является то, что в нужное короткое время оператор с пеленгатором может обнаружить, отыскать и оказать помощь носителю маяка или отыскать в воде предмет обеспеченный маяком.
Обнаруженные сигналы маяка высвечиваются на двухполосном светодиодном индикаторе. Приемные усилители, фазирующие принимаемые сигналы с элементов антенны, формируют диаграмму направленности, позволяющую определять направление на маяк с погрешностью не более 10 град. При диаграмме направленности в виде «равносигнальной зоны» погрешность составляет не более 3-4 град. Она при ширине диаграммы направленности ϕ≤20 град., когда
L/λ=3, (L - длинна антенны, λ - длинна волны, на фиг. 5 L=12 см, λ=4 см), при отношении сигнал - помеха равном 5, погрешность Δϕ=ϕград/с/n=20/5=±4 град.
При значительном удалении пеленгатора от маяка используется «равносигнальная зона» в горизонтальной плоскости. При сближении пеленгатора с маяком поворотом антенны на 90 град «равносигнальная зона» поворачивается в вертикальную плоскость, так определяется место нахождения маяка в толще воды (глубина постановки).
Регулировкой чувствительности приемных усилителей устраняется перегрузка индикатора при сближении пеленгатора и маяка. При равенстве длины светящихся полос маяк находится на оси пеленгатора. Длина светящегося участка выбирается и регулируется сдвоенным резистором. Для удешевления пеленгатора, он может быть сделан более простым. Из его состава может быть исключен фазирующий усилитель, все элементы антенны по электрической стороне запараллеливаются. Тогда запараллеливаются световые полосы индикатора.
Изготовлены макеты маяка и пеленгатора. При источнике питания в 9 В маяк развивает давление 150 Па на одном метре. Чувствительность приемника пеленгатора без фазирующего усилителя на всю шкалу индикатора составило 30 мкВ. Чувствительность антенны из цилиндрических пьезоэлементов с резонансной частотой 37.5 кГц равна 200 мкВ/Па.
Реальная энергетическая дальность обнаружения маяка пеленгатором существенно превышает 500 м и оценивается в 800-1000 м.