СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА, ТЕРПЯЩЕГО БЕДСТВИЕ НА ВОДЕ
SYSTEM FOR DETECTING AND IDENTIFICATION OF POSITION OF PERSON SUFFERING DISTRESS IN WATER

Изобретение относится к спасательным средствам и может быть использовано для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения.
Известные спасательные системы и устройства (авт. св. СССР №№385819 [1], 431063 [2], 637298 [3], 765113 [4], 988655 [5], 1348256 [6], 1505840 [7], 1505841 [8], 1588636 [9], 1615054 [10], 1643325 [11], 1664653 [12]; патенты РФ №№2000995 [13], 2009956 [14], 2038259 [15], 2043259 [16], 2051838 [17]; патенты США №№3621501 [18], 4889511 [19]; патент Великобритании №1145051 [20]; патент Дании №103118 [21]) выполнены в виде спасательного жилета, одетого на человека и снабженного источником энергии, кабелями подвода энергии к источникам света, патронами, мембранами, рычагами пневмомагистралью с двумя источниками света, что и обеспечивает обнаружение человека, терпящего бедствие на воде. Однако при использовании известных спасательных систем обнаружить источники света в светлое время и в условиях плохой погоды на больших расстояниях затруднительно.
Известна также система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде (патент RU №2177437 [22]).
Технической задачей данного изобретения является повышение надежности обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, путем использования радиоизлучателя и вертолета.
Известная система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде [22], включает спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи и две сообщающиеся герметичные емкости, каждая из которых отделена от окружающей среды мембраной, при этом одна из герметичных емкостей расположена в грудной области спасательного жилета, а другая - в заспинной его области, мембрана каждой емкости связана с размыкателем электрической цепи соответствующего ей источника света посредством рычага, а оба источника света через размыкатели соединены с источником тока параллельно, в отличие от известных аналогов снабжена двумя миниатюрными передатчиками с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и аппаратурой, установленной на борту вертолета и состоящей из одного измерительного и четырех пеленгационных каналов, причем измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, шестого смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, амплитудного детектора и блока регистрации, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и узкополосного фильтра, при этом к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, пятый узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены первая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, приемная антенна измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором.
Такое выполнение известной системы обеспечивает повышение надежности обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде.
Однако использование вертолета или другого летательного аппарата для проведения спасательных операций имеет ограничения по погодным условиям. Кроме того, при использовании вертолета необходимо, чтобы установленная на борту вертолета аппаратура была инвариантна к виду модуляции и нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов бедствия, что требует применения сложных схемных и конструктивных решений для подавления помех различного вида.
Известна также действующая специализированная автономная спутниковая система поиска мест аварий - международная система КОСПАС-САРСАТ. Эта система предусматривает размещение на морских и воздушных судах аварийных радиомаяков (АРМ). После ручной или автоматической активации эти АРМ излучают на специально выделенной "космической" аварийной частоте 406,025 МГц сигналы бедствия. Для ретрансляции же этих сигналов на наземные ППИ используются шесть низкоорбитальных искусственных спутников земли (НО ИСЗ) (см. "Мобильная спутниковая связь", Л.М.Невдяев, М., МЦТИ, 1998 г., стр.41-44) [23].
Однако время ожидания появления в зоне бедствия хотя бы одного из указанных НО ИСЗ может превышать 1,5 ч. Координаты места излучения АРМ с точностью до 3000 м "вычисляет" бортовой процессор ИСЗ по доплеровскому сдвигу частоты, но на это дополнительно уходит еще 10-15 минут.
Также известная система глобального автоматического контроля координат и состояния транспортных средств (патент RU №2158003 [24]) при нормальных и экстремальных условиях основана на передаче сигналов от размещенных на них радиомаяков через искусственные спутники Земли на наземные пункты приема информации, отличающаяся тем, что на каждом транспортном средстве размещают по одному постоянно включенному в процессе движения и на стоянках радиомаяку мгновенного действия совмещенного типа, обеспечивающему при возникновении экстремальных условий практически непрерывную передачу сигналов пакетами с интервалами между ними менее 1 с в узкой полосе частот в диапазоне 400 МГц, выделенной для передачи через космос аварийных сигналов, а в нормальных условиях - в смежной полосе частот с интервалами между пакетами более 10 с, причем пакеты сигналов в обоих условиях ретранслируют через единые совмещенные геостационарные искусственные спутники Земли на сопряженные с ними наземные пункты приема информации также совмещенного типа, в отличие от известной системы [23].
Однако, и в этом случае, полной компенсации сигналов помехи не происходит, так как одновременно принимаются сигналы, отраженные от всех окружающих предметов; в том числе и от подвижных транспортных средств, задействованных в спасательных работах, а также от многочисленных обломков при техногенных авариях на морских объектах хозяйственной деятельности.
Технической задачей заявляемого объекта техники является повышение надежности и достоверности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде в результате техногенной аварии на морском объекте хозяйственной деятельности.
Поставленная задача решается за счет того, что в систему для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде [22], включающую спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи и две сообщающиеся герметичные емкости, каждая из которых отделена от окружающей среды мембраной, при этом одна из герметичных емкостей расположена в грудной области спасательного жилета, а другая - в заспинной его области, мембрана каждой емкости связана с размыкателем электрической цепи соответствующего ей источника света посредством рычага, а оба источника света через размыкатели соединены с источником тока параллельно, в отличие от известных аналогов снабжена двумя миниатюрными передатчиками с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и аппаратурой, установленной на борту летательного аппарата и состоящей из измерительных и пеленгационных каналов, спасательный жилет дополнительно снабжен гидроакустическим приемопередатчиком, который соединен по гидроакустическому каналу связи с контрольным пунктом и выполненный в виде подводного зонда, снабженного кабель-тросом, закрепленным на спасательном жилете посредством электрохимического размыкателя, на теле человека размещены датчики физиологических параметров, соединенные с преобразователем измеренных аналоговых сигналов, соответствующих значениям измеряемых физиологических параметров, преобразователь измеренных аналоговых сигналов информационно связан с гидроакустическим каналом связи.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, содержит спасательный жилет с расположенными в его грудной и заспинной областях источниками света и передатчиками радиосигналов и гидроакустических сигналов с передающими антеннами, а также аппаратуру, установленную на контрольном пункте.
Аппаратура, установленная на контрольном пункте, содержит приемные антенны, смесители, усилители первой промежуточной частоты, первый и второй гетеродины, усилитель второй промежуточной частоты, перемножители, узкополосные фильтры, амплитудный детектор, блок регистрации, линии задержки, фазовые детекторы, фазометры, двигатель, опорный генератор. Такое выполнение системы обеспечивает повышение надежности обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, по радиосигналам, аналогично, как и в прототипе.
В отличие от прототипа спасательный жилет снабжен гидроакустическим приемопередатчиком, соединенным по радиоканалу и гидроакустическому каналам связи с контрольным пунктом.
Гидроакустический приемопередатчик выполнен в виде подводного зонда, снабженного кабель-тросом, закрепленным на спасательном жилете посредством электрохимического размыкателя.
При попадании человека во время аварии на морском объекте хозяйственной деятельности, например, на морской платформе для добычи углеводородов, в морскую среду срабатывает электрохимический размыкатель путем его растворения в морской воде. При этом кабель-трос, удерживаемый до этого на спасательном жилете посредством электрохимического размыкателя, освобождается и под тяжестью подводного зонда стравляется в воду на глубину, равную длине кабель-троса.
Подводный зонд выполнен из прочного материала в виде цилиндра и размещен внутри металлического каркаса, на котором по его внешней окружности закреплены гидроакустические антенны, ориентированные по восьми румбам, выполненные в виде пьезоэлементов и работающие в режиме приема и передачи сигналов. Внутри подводного зонда установлены приемопередатчик, контроллер и элементы, формирующие гидроакустический канал связи (усилитель, кодер, декодер, формирователь команд). На теле человека размещены датчики физиологических параметров, соединенные с преобразователем измеренных аналоговых сигналов, соответствующих значениям измеряемых физиологических параметров, преобразователь измеренных аналоговых сигналов датчиками физиологических параметров информационно связан с радиоканалом и гидроакустическим каналом связи.
В качестве датчиков физиологических параметров могут быть использованы любые датчики, например измерители ЭКГ-потенциалов, температуры, давления.
Основной функцией преобразователя измеренных аналоговых сигналов датчиками физиологических параметров является преобразование измеренных аналоговых сигналов, соответствующих значениям измеряемых физиологических параметров, в последовательный двоичный код, который может модулировать излучаемый электромагнитный сигнал для передачи его по радиоканалу. Подводный зонд представляет собой маяк-дрифтер, который работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк).
Гидроакустическая аппаратура, размещенная в подводном зонде, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ датчиков физиологических параметров и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд. Формат команды - двоичный десятиразрядный код, способ модуляции, используемый при передаче команд, - многочастотная манипуляция.
Каждый зонд имеет определенный номер, который соответствует инвентарному номеру спасательного жилета, закрепленного за конкретным работником морского объекта хозяйственной деятельности, что сокращает время на установление личности человека, терпящего бедствие на воде.
Гидроакустическая аппаратура, размещенная на контрольном пункте, осуществляет передачу команд управления на расстоянии до 8 км и предназначена для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от подводных зондов, подтверждающих выполнение команд и сигналов, характеризующих физиологическое состояние терпящего бедствие на воде, измерение дальности и пеленгов до подводных зондов, а соответственно до человека, терпящего бедствие, с последующим определением географических координат и оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемо-передающими антеннами, навигационным контроллером, навигационным программно-математическим обеспечением и средствами визуализации местоположения человека, терпящего бедствие на воде.
Контрольный пункт может быть размещен как на вертолете, так и на плавательных средствах, включая надводные суда и подводные аппараты.
При размещении контрольного пункта на вертолете вертолет снабжается зондом, который спускается посредство кабель-троса на заданный режим глубины, в режиме «зависания» вертолета.
При размещении контрольного пункта на вертолете или на надводном судне существуют ограничения их использования по погодным условиям. Наиболее предпочтительным вариантом является вариант размещения контрольного пункта на подводном аппарате, оснащенным гидроакустической аппаратурой.
Приемно-обрабатывающая аппаратура контрольного пункта предназначена для:
- передачи на подводные зонды команд управления;
- приема от подводных зондов квитанций о приеме и исполнении команд управления;
- приема от подводных зондов цифровой телеметрической информации, соответствующей физиологическому состоянию терпящего бедствие;
- измерения расстояния до терпящего бедствие и на этой основе слежения за его перемещением;
- отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе протокола обмена сигналами с подводным зондом;
- отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе принимаемой цифровой телеметрической информации.
В случае размещения на акватории, после аварии на морском объекте хозяйственной деятельности ретрансляционных буев, ретрансляционные буи подключаются к радиомодему и обеспечивают по гидроакустическому каналу связи:
- передачу на подводные зонды команд управления;
- прием от подводных зондов квитанций о приеме и исполнении команд управления;
- прием от донных модулей аппаратуры ГАКС цифровой телеметрической информации.
В качестве ретрансляционного буя может быть также использован, подводный зонд, установленный на контрольном пункте, представляющим собой вертолет.
Через подводные зонды осуществляется включение датчиков измерения физиологических параметров терпящего бедствие и считывание цифровой телеметрической информации о зарегистрированных событиях. Подводные зонды обеспечивают:
- прием команд управления;
- передачу на контрольный пункт квитанций о приеме и исполнении команд управления;
- передачу на контрольный пункт по запросу цифровой телеметрической информации;
- переход по команде в режим гидроакустического маяка;
- передачу на контрольный пункт информации о зарегистрированном событии.
Передача сигналов управления и цифровой информации осуществляется на одной общей для всех подводных зондов рабочей частоте F=17,96 Гц методом относительной фазовой модуляции со скоростью модуляции V=560 Бод.
Разделение сигналов между подводными зондами осуществляется кодовыми методами. Для этого всем подводным зондам, объединенным в сеть, могут присваиваться порядковые номера, "адреса терпящих бедствие", которые передаются в составе сигнала команды управления.
Прием сигнала команды управления осуществляется тем подводным зондом, адрес которого соответствует адресу, передаваемому в составе сигнала; другие подводные зонды (с другими адресами) на данный сигнал команды управления "не реагируют". В составе сигнала команды управления помимо адреса вызываемого подводного зонда передается номер команды управления, подлежащей исполнению. Количество команд управления, передаваемых на каждый подводный зонд, - 31.
Команды управления на подводный зонд могут передаваться с контрольного пункта либо из ретрансляционного буя, если таковые будут размещены на акватории зоны бедствия.
В составе сигнала квитанции передаются: адрес подводного зонда, номер принятой команды управления и признак исполнения или неисполнения принятой команды управления. Структура сигналов квитанций схожа со структурой сигнала команд управления. В обоих случаях для повышения помехозащищенности приема сигналов управления применяется 6-кратная повторная передача пронумерованных кодовых комбинаций самосинхронизирующегося кода (64, 15), обнаруживающего ошибки.
Любой обмен сигналами управления между подводным зондом и контрольным пунктом сопровождается определением дальности между гидроакустическими антеннами подводного зонда и контрольной станцией на основе измерения времени распространения акустического сигнала между ними. Аппаратная погрешность измерения времени распространения акустического сигнала не превышает 1 мс.
Передача цифровой телеметрической информации от подводного зонда производится блоками 256 байт.
Для повышения достоверности передачи цифровой телеметрической информации в аппаратуре применяется избыточное кодирование циклическим кодом (2072, 2048) в сочетании с принципом повторной передачи по автозапросу информационных блоков с обнаруженными ошибками.
Гидроакустическая антенна подводного зонда выполнена из монокристаллических пьезоэлементов из материала с матрицей пьезомодулей. Каждый монокристаллический пьезоэлемент выполнен в виде прямоугольной пластины, у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллофизических осей.
В качестве материала пластины могут быть использованы ниобат лития или танталат лития. При использовании пьезоэлемента, выполненного из этих материалов, обеспечивается оптимальное сочетание максимальной пьезоактивности основной моды колебаний и максимальной анизотропии пьезоэффекта. Резкое возрастание анизотропии пьезоэффекта в предлагаемых материалах позволяет уменьшить число монокристаллических пьезоэлементов в их сборке в 3-5 раз, в несколько раз увеличив ширину каждого пьезоэлемента: от 0,1 до 1 мм и выше. В свою очередь, это облегчает технологию приготовления ультразвуковых преобразователей, а также упрощает электронные схемы для обработки принимаемых ультразвуковых сигналов из-за высокого импеданса предлагаемых кристаллов в частотном диапазоне от 5 до 10 МГц и выше (аналог пьезоэлемента известен из описания к патенту RU №2105432).
Все элементы и узлы, размещаемые на человеке, терпящем бедствие на воде, выполнены на микроэлементах, имеющих промышленную применимость.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №385819.
2. Авторское свидетельство SU №431063.
3. Авторское свидетельство SU №637298.
4. Авторское свидетельство SU №765113.
5. Авторское свидетельство SU №988655.
6. Авторское свидетельство SU №1348256.
7. Авторское свидетельство SU №1505840.
8. Авторское свидетельство SU №1505841.
9. Авторское свидетельство SU №1588636.
10. Авторское свидетельство SU №1615054.
11. Авторское свидетельство SU №1643325.
12. Авторское свидетельство SU №1664653.
13. Патент RU №2000995.
14. Патент RU №2009956.
15. Патент RU №2038259.
16. Патент RU №2043259.
17. Патент RU №2051838.
18. Патент US №3621501.
19. Патент US №4889511.
20. Патент GB №1145051.
21. Патент DK №103118.
22. Патент RU №2177437.
23. Мобильная спутниковая связь, Л.М.Невдяев, М., МЦТИ, 1998 г., стр.41-44.
24. Патент RU №2158003.