АВАРИЙНО-СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА
EMERGENCY-WARNING SYSTEM

Предлагаемая система относится к авиационной технике, в частности к системам поиска и спасения летательных аппаратов (ЛА) (самолетов, вертолетов и космических объектов) и их экипажей.
Современные системы поиска и спасения ЛА представляют собой сложные комплексы организационных и коммуникационных структур, обеспечивающих решение задач на всех этапах проведения операций по поиску и спасению, от передачи информации от потерпевших бедствие до планирования и проведения спасательных операций.
Операция по поиску и спасению начинается с получения сообщения о факте аварии, это может быть получение сигнала бедствия от экипажа, пропадание ЛА с экрана радара или не выход на связь в течение определенного времени. После установления факта аварии необходимо определить местоположение терпящих бедствие с точностью, достаточной для выхода спасательных групп на прямой контакт с потерпевшими.
Современные системы поиска и спасения создаются в международном, национальном и ведомственном масштабах.
Известны системы поиска пропавших (потерпевших катастрофу) летательных аппаратов, работающих в Международной космической системе обнаружения, терпящих бедствие КОСПАС-САРСАТ, использующие в своей основе аварийный радиобуй («Аварийный авиационный катапультируемый радиобуй "Вешка-Р"». Разработчик НИИ точных приборов. М., 1995).
Однако применение данного устройства предполагает наличие пиротехники, что противоречит требованиям безопасности и снижает надежность поиска, препятствуя таким образом его использованию на пассажирских самолетах.
Известны также аварийно-сигнальные средства, применяемые на самолетах («Руководство по технической эксплуатации самолета ТУ-154М», раздел 025.64.00, С.3, 4, издание АНТК им. А.Н.Туполева, 1985) и входящие в комплект аварийно-спасательного оборудования, используемого в случае вынужденной посадки самолета на сушу или на воду. Это переносные радиомаяки и аварийные радиостанции, размещаемые в гардеробе экипажа, вероятность разрушения которых при столкновении самолета с землей очень велика. Соответственно, низка надежность поиска при использовании этих устройств.
Известны, кроме того, аварийно-сигнальные и спасательные системы и устройства (авт. свид. СССР №№431.063, 637.298, 765.113, 988.655, 1.348.256, 1.565.840, 1.506.841, 1.588.636, 1.615.054, 1.643.325, 1.664.653; патенты РФ №№2.00.995, 2.038.259, 2.043.259, 2.051.838, 2.130.874, 2.193.990, 2.240.950, 2.265.557; патенты США №№3.405.887, 3.621.501, 3.623.681, 3.921.944, 4.889.511, 6.607.166; патенты Великобритании №№1.145.051, 2.228.458 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является аварийно-сигнальная система (патент РФ №2.130.874, B64D 25/00, 1999), которая и выбрана в качестве прототипа.
В состав известной системы входит радиобуй с парашютом, расположенные в нише на летательном аппарата, механизм вывода радиобуя из ниши и блок определения экстремальной ситуации, управляющий механизмом вывода радиобуя из ниши. Радиобуй снабжен датчиком наличия воды, надувным плавательным средством и устройством расцепления. Радиобуй соединен с конструкцией летательного аппарата буксировочным фалом, что обеспечивает расположение радиобуя в непосредственной близости от терпящего бедствие летательного аппарата. Увеличивается надежность поиска как на суше, так и на море. Определение местоположения ЛА, потерпевшего аварию, должно производиться с точностью, достаточной для быстрого выхода спасательных групп в прямой контакт с потерпевшими бедствие. При авариях на суше, особенно при сложном рельефе местности, точность не должна превышать 100 метров.
Однако известная система не обеспечивает точного определения местоположения ЛА, потерпевшего аварию, и голосовую связь с его экипажем.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения местоположения летательного аппарата, потерпевшего аварию, и расширение функциональных возможностей системы путем установления дуплексной голосовой связи между экипажем летательного аппарата и спасателями.
Поставленная задача решается тем, что аварийно-сигнальная система, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, радиобуй с парашютом, расположенные в нише на летательном аппарате, механизм вывода радиобуя из ниши и блок определения экстремальной ситуации, управляющий механизм вывода радиобуя из ниши, при этом радиобуй соединен с конструкцией летательного аппарата буксировочным файлом и снабжен датчиком наличия воды, надувным плавательным средством и устройством расцепления, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена аппаратурой обнаружения потерпевших аварию, размещенной на борту летательного аппарата, причем аппаратура радиобуя выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, микроконтроллера и контроллера электропитания, второй вход которого соединен с выходом батарей электропитания, а выходы подключены к соответствующим функциональным блокам, последовательно включенных генератора псевдослучайной последовательности, сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом микроконтроллера, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом микрофона, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, дуплексера, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, усилителя высокой частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя четвертой промежуточной частоты, амплитудного ограничителя, синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя четвертой промежуточной частоты, и громкоговорителя, аппаратура обнаружения потерпевших аварию содержит последовательно включенные задающий генератор, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом микрофона, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель третьей промежуточной частоты, дуплексер, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и громкоговоритель, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя умножитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, и блок регистрации.
На фиг.1 представлена система в рабочем состоянии. На фиг.2 показаны элементы в убранном положении. На фиг.3 - то же, в момент выталкивания радиобуя из специальной ниши. На фиг.4 - то же, при полностью раскрытом парашюте, вытягивающем радиобуй в рабочее положение. На фиг.5 представлена структурная схема аппаратуры радиобуя. На фиг.6 изображена структурная схема аппаратуры обнаружения потерпевших аварию.
Система включает в себя радиобуй 1 с упором 2, толкатель 3, узел 4 соединения строп 5, парашют 6, размещаемые в специальной нише 7 летательного аппарата 8; управляющий блок 9, принимающий сигналы датчиков (на фиг.1-4 не показаны), фиксирующих параметры полета, и соединенный с тумблером, расположенным в кабине экипажа (не показан); механизм вывода 10 с замком 11; буксировочный фал 12, соединенный с конструкцией летательного аппарата узлом 13 и с радиобуем посредством устройства 14 расцепления.
Парашют состоит из подпружиненных пластин 15 с фиксатором 16, а радиобуй снабжен датчиком 17 наличия воды и надувным плавательным средством 18.
Аппаратура радиобуя содержит последовательно включенные приемную антенну 19, приемник 20 GPS-сигналов, микроконтроллер 21 и контроллер 22 электропитания, второй вход которого соединен с выходом батареи 23 электропитания, а выходы подключены к соответствующим функциональным блокам, последовательно включенные генератор 24 псевдослучайной последовательности (ПСП), сумматор 25, второй вход которого соединен с вторым выходом микроконтроллера 21, фазовый манипулятор 27, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 26, амплитудный модулятор 29, второй вход которого соединен с выходом микрофона 28, первый смеситель 31, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 30, усилитель 32 первой промежуточной частоты, дуплексер 33, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной 34, усилитель 35 высокой частоты, второй смеситель 36, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 30, усилитель 37 четвертой промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 38, синхронный детектор 39, второй вход которого соединен с выходом усилителя 37 четвертой промежуточной частоты, и громкоговоритель 40.
Аппаратура обнаружения потерпевших аварию содержит последовательно включенные задающий генератор 41, амплитудный модулятор 43, второй вход которого соединен с выходом микрофона 42, первый смеситель 45, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 44, усилитель 46 третьей промежуточной частоты, дуплексер 47, вход-выход которого соединен с приемо-передающей антенной 48, усилитель 49 высокой частоты, второй смеситель 50, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 44, усилитель 51 второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель 52, синхронный детектор 53, второй вход которого соединен с выходом усилителя 51 второй промежуточной частоты, и громкоговоритель 54, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя 52 умножитель 55 фазы на два, первый узкополосный фильтр 56, делитель 57 фазы на два, второй узкополосный фильтр 58, фазовый детектор 59, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя 52, и блок 60 регистрации.
Система работает следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации, которая характеризуется критическими значениями ряда параметров полета летательного аппарата 8 (например, запредельными величинами углов, скоростей снижения, недопустимых перегрузок и опасного сближения с землей), управляющий блок 9, приняв сигнал от соответствующего датчика или непосредственно от пилота, включившего тумблер, формирует сигнал на срабатывание механизма вывода 10. При этом открывается замок 11 и в результате воздействия на толкатель 3 механизма вывода 10 радиобуй 1, соединенный в узле 4 со стропами 5 парашюта 6 и скрепленный упором 2 с фиксатором 16 подпружиненных пластин 15 парашюта 6, выталкивается из специальной ниши 7. Раскрывшийся посредством подпружиненных пластин 15 парашют 6 вытягивает радиобуй 1, удаляя последний от летательного аппарата на длину буксировочного фала 12. Буксировка радиобуя продолжается до момента столкновения летательного аппарата с землей или с водной поверхностью. При контакте с водной поверхностью установленный в радиобуе датчик на раскрытие надувного плавсредства 18, а в случае полного погружения корпуса радиобуя в воду - на срабатывание устройства 14 расцепления, разъединяет, таким образом, радиобуй с летательным аппаратом.
Если катастрофической ситуации удалось избежать, радиобуй с парашютом, буксируемый за самолетом, не помешает завершению полета.
Одновременно с выводом из специальной ниши 7 радиобуя 1 включается микроконтроллер 21, который управляет контроллером 22 питания, подключающим батарею 23 электропитания ко всем функциональным блокам аппаратуры радиобуя.
Для определения координат места аварии (ширины и долготы) используется приемник 20 GPS-сигналов с антенной 19, который принимает специальный навигационный сигнал в виде бинарного фазоманипулированного (ФМн) сигнала, манипулированного по фазе псевдослучайной последовательностью (ПСП). В сигнале зашифровываются два вида кодов. Код С/А доступен широкому кругу гражданских потребителей, в том числе и предлагаемой системе. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения аварийного радиобуя с точностью до 50 метров, поэтому называется «грубым» кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте f=1575 МГц с использованием фазовой манипуляции несущей частоты псевдослучайной последовательностью длительностью 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью года Голда. Период повторения С/А-кода - 1 мс, тактовая частота - 1.023 МГц.
Код Р обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им могут не все; доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS.
Микроконтроллер 21 получает от приемника 20 GPS-сигналов навигационную информацию, определяет координаты места аварии и формирует цифровой код, который поступает на первый вход сумматора 25, на второй вход которого подается цифровой код с выхода генератора 24 ПСП. На выходе сумматора 25 формируется модулирующий код M(t), который содержит N элементарных посылок длительностью
Э
τ. При этом первые n элементарных посылок несут в цифровом виде информацию о летательном аппарате, потерпевшем аварию (страна, тип ЛА, его бортовой номер, состав экипажа и т.п.), m элементарных посылок информируют о координатах места аварии (N=n+m).
Задающий генератор 26 формирует высокочастотное колебание
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 27, на второй вход которого подается модулирующий мод M(t) с выхода сумматора 25. На выходе фазового манипулятора 27 формируется ФМн-сигнал
k
k
Э
Э
Э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при kτ≤t≤(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N);
Э
1
1
Э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=Nτ), который поступает на первый вход амплитудного модулятора 29, на второй вход которого подается аналоговое сообщение с выхода микрофона 28 (голос человека - члена экипажа ЛА, потерпевшего аварию). На выходе амплитудного модулятора 29 формируемся сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-АМ)
1
где m(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции (голос человека, потерпевшего аварию), который поступает на первый вход первого смесителя 31, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 30
На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 32 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
где ;
- первая промежуточная (суммарная) частота;
которое через дуплексер 32 поступает в приемо-передающую антенну 34, излучается ею в эфир, улавливается приемо-передающей антенной 48 и через дуплексер 47 и усилитель 48 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 50 аппаратуры обнаружения потерпевших аварию, установленной на летательном аппарата (вертолете, самолете, космическом аппарата системы КОСПАС-САРСАТ). На второй вход смесителя 50 подается напряжение гетеродина 44
На выходе смесителя 50 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 51 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
где ;
- вторая промежуточная (разностная) частота;
,
которое поступает на вход амплитудного ограничителя 52, на выходе которого образуется напряжение
0
где U - порог ограничения,
которое представляет собой ФМн-сигнал, используется в качестве опорного напряжения и поступает на первый (опорный) вход синхронного детектора 53, на второй (информационный) вход которого подается напряжение  с выхода усилителя 51. На выходе синхронного детектора 53 формируется низкочастотное напряжение
,
где ,
которое поступает на вход громкоговорителя 54. Последний воспроизводит тревожное голосовое сообщение, переданное с места аварии.
Напряжение  представляющее собой ФМн-сигнал, с выхода амплитудного ограничителя 52 поступает на входы фазового детектора 59 и умножителя 55 на два. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
где ,
в котором фазовая манипуляция уже отсутствует. Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 56 и подается на вход делителя 57 фазы на два. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
которое выделяется узкополосным фильтром 58, используется в качестве опорного напряжения и подается на опорный вход фазового детектора 59. На выходе последнего образуется низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду M(t)
где ,
которое фиксируется блоком 60 регистрации. В указанном напряжении содержится информация о летательном аппарате, потерпевшем аварию (страна, тип ЛА, его бортовой номер, состав экипажа и т.п.), а также информация о координатах места аварии. Эти сведения необходимы для выхода спасательных групп на прямой контакт с потерпевшими.
Получив тревожное голосовое сообщение, спасатели устанавливают дуплексную голосовую связь с потерпевшими. Для этого включается задающий генератор 41, который формирует высокочастотное напряжение
,
которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 43, на второй вход которого подается аналоговое сообщение с выхода микрофона 42 (голос человека-спасателя). На выходе амплитудного модулятора 43 образуется напряжение с амплитудной модуляцией (AM)
,
2
г2
где m(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции (голос - человека-спасателя), которое поступает на первый вход первого смесителя 45, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 44. На выходе смесителя 45 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 46 выделяется напряжение третьей промежуточной (суммарной) частоты
,
где ,
- третья промежуточная (суммарная) частота;
,
г1
которое через дуплексер 47 поступает в приемо-передающую антенну 48, излучается ею в эфир. Улавливается приемо-передающей антенной 34 и через дуплексер 33 и усилитель 35 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 36, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 30. На выходе смесителя 36 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 37 выделяется напряжение четвертой промежуточной (разностной) частоты
,
где ;
- четвертая промежуточная (разностная) частота;
,
которое поступает на вход амплитудного ограничителя 38, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
,
о
где U - порог ограничения,
пр4
которое поступает на первый (опорный) вход синхронного детектора 39, на второй (информационный) вход которого подается напряжение u(t) с выхода усилителя 37 четвертной промежуточной частоты. На выходе синхронного детектора 39 формируется низкочастотное напряжение
,
где ;
которое поступает на вход громкоговорителя 40. Последний воспроизводит голосовое сообщение спасателя. Так устанавливается дуплексная голосовая связь между потерпевшими и спасателями, которая обеспечивает быстрое обнаружение и спасение потерпевших аварию.
Если потерпевшие не имеют физической возможности для установления дуплексной голосовой связи со спасателями, то предлагаемая система обеспечивает автоматическую передачу спасателям аварийного ФМн-сигнала, содержащего сведения о летательном аппарате, потерпевшем аварию (страна, тип ЛА, его бортовой номер, состав экипажа и т.п.) и координатах места аварии. При этом вывод из специальной ниши радиобуя и автоматическая передача тревожного ФМн-сигнала происходит не в момент соприкосновения с землей, а заблаговременно, при возникновении аварийной ситуации, причем время работы радиобуя увеличивается, а вероятность повреждения его при столкновении с землей снижается.
Таким образом, предлагаемая аварийно-спасательная система по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения местоположения летательного аппарата потерпевшего аварию. Это достигается использованием глобальных навигационных спутниковых систем GPS или ГЛОНАСС, которые позволяют определять место аварии с точностью до нескольких десятков метров, что в полной мере удовлетворяет требованиям систем поиска и спасения. В настоящее время появились малогабаритные приемники GPS-сигналов с малым потреблением мощности. Стало возможным встроить такой приемник в аппаратуру радиобуя и передавать в эфир координаты местоположения аварии. Для этого используются сложные сигналы с комбинированной фазовой модуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-АМ), которые также обеспечивают установление дуплексной голосовой радиосвязи между потерпевшими аварию и спасателями.
Сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи аварийных сообщений. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью. Это особенно важно в случае аварийной посадки на вражескую территорию, когда военная аварийно-сигнальная система должна обеспечивать скрытность передачи информации, так как по сигналам аварийного радиобуя противник может обнаружить и захватить потерпевших бедствие.
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 ФМн-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 ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала необходимо опорное напряжение, которое выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.
С развитием микропроцессорной техники, спутниковой навигации, цифровой радиосвязи хорошо отработаны технические решения, позволяющие разработать аварийно-сигнальную систему с техническими характеристиками, требуемыми при выполнении задач поиска и спасения. Существующая элементная база позволяет реализовать аппаратуру в заданных весах и габаритах.
Тем самым функциональные возможности системы расширены, что позволяет надеяться на ее широкое использование аварийно-спасательными службами гражданской и военной авиации.