СПОСОБ И СИСТЕМА МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD AND MOBILE COMMUNICATION SYSTEM FOR EXTENDED OBJECTS

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для установления связи со стационарными и мобильными абонентами, находящимися на линейно протяженных объектах, например, таких как горные выработки шахт и рудников, в туннелях, трубопроводах.
Существуют различные системы связи для линейно протяженных объектов, использующие проводники для передачи высокочастотной электромагнитной энергии вдоль протяженных объектов, такие как:
- УКВ системы связи с излучающим кабелем;
- СВЧ однопроводная система связи с переизлучением электромагнитной энергии (Патент RU №2090974 «УСТРОЙСТВО СВЧ-СВЯЗИ В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ»).
- Средневолновые однопроводные системы связи («ВЭБР» КИС-1, http://www.vebr.vrn.ru/prod/racii-pod-zemley.php).
Недостатком первых двух систем связи является большое затухание электромагнитной волны при распространении вдоль проводной линии, связанное с переизлучением энергии и необходимостью ретранслировать сигнал. Для того чтобы обеспечить дальность действия системы связи с излучающим кабелем, приходится устанавливать ретрансляторы через каждые несколько сотен метров. Соответственно, это требует больших расходов, как на само оборудование связи, так и на подведение электрического питания к ретрансляторам.
Эффективность СВЧ однопроводной системы связи является очень зависимой от расположенных вблизи этой линии металлических предметов. Любой металлический предмет вблизи этой линии становится источником вторичного излучения и соответственно потерь. Невозможно объективно соблюсти идеальные условия прокладки и эксплуатации однопроводной СВЧ линии связи в реальных шахтах и рудниках, поэтому это решение не нашло широкого распространения.
Для уменьшения влияния окружающих предметов на однопроводную линию при передаче электромагнитной энергии используют более низкие частоты электромагнитных колебаний в качестве диапазона для передачи информации.
Существует однопроводная средневолновая система связи «ВЭБР» КИС-1 (http://www.vebr.vrn.ru/prod/racii-pod-zemley.php), где на одном конце находится стационарный приемопередатчик средневолнового диапазона, который подключен через специальное согласующее устройство к однопроводной линии передачи, располагаемой в выработках шахты. Второй конец однопроводной линии нагружен на резистор. В линии устанавливается режим бегущей волны. Связь с мобильной радиостанцией, имеющей малогабаритную магнитную антенну, может осуществляться только в непосредственной близости от однопроводной линии вследствие индукционного эффекта. Т. е. связь осуществляется не за счет переизлучения электромагнитной энергии линией, а за счет того, что мобильная радиостанция попадает в магнитное поле сигнала, распространяющегося вдоль линии связи, и сама наводит в линии токи на частоте передачи из-за трансформаторного эффекта.
Данная система связи тоже обладает недостатком. Электромагнитное поле сигнала, распространяемого вдоль однопроводной линии, сосредоточено вблизи очень маленького расстояния от однопроводной линии связи, и его амплитуда резко убывает с зависимостью обратно пропорциональной расстоянию от провода.
Если однопроводная линия проложена вдоль стенок горной выработки с металлическими крепями, это приводит к еще большему градиенту амплитуды магнитного поля и ее резкому убыванию вдали от провода.
На практике это означает, что для связи мобильному абоненту приходится подносить антенну приемопередатчика непосредственно к однопроводной линии связи, закрепленной на одной из стен, а большинство горных выработок в шахте имеют поперечные размеры в несколько метров. Это приводит к невозможности связываться подобным способом с абонентом, который находится в середине горной выработки или у противоположной стены.
Однопроводная линия связи создает значительные индукционные токи в металлических крепях горной выработки, что приводит к потерям.
Кроме того, на такую однопроводную систему связи будут существенно действовать электрические помехи, возникающие от работы электрооборудования, расположенного вблизи линии связи.
Предлагаемый способ связи состоит в том, чтобы создать линейно протяженную зону радиосвязи с устойчивым сигналом, где расстояние между продольными границами зоны обслуживания много меньше длины электромагнитной волны. Для этого достигается максимальная концентрация поля распространяемого электромагнитного сигнала только вдоль площади линейного объекта, где необходима мобильная радиосвязь. Это осуществляется за счет того, что территорию радиосвязи слева и справа ограничивают двухпроводной линией передачи, а все абоненты с мобильными приемопередатчиками оказываются внутри двухпроводной линии связи, т. е. расстояние между проводниками двухпроводной линии больше, чем мобильные приемопередатчики и антенны. При этом для связи используются радиоволны с длиной волны много больше, чем расстояние между проводами двухпроводной линии связи и  поперечного сечения линейно протяженного объекта. Радиосвязь между мобильными приемопередатчиками осуществляется путем ретрансляции их сигналов стационарной радиостанцией, подключенной к двухпроводной линии передачи.
Предлагаемое в изобретении решение направлено:
- на уменьшение затухания сигнала вследствие наведения индукционных токов в крепях горной выработки, металлического каркаса тоннелей, что происходит при использовании однопроводной линии;
- на увеличение площади действия системы связи в поперечном направлении распространения сигнала и равномерного распределения сигнала от стационарного приемопередатчика по всей площади выработки шахты или площади туннеля;
- на уменьшение уровня воздействия электрических помех на систему связи.
Данное решение приводит к увеличению помехозащищенности и дальности действия системы связи в несколько раз.
Предлагаемая система связи изображена на Фиг.1 и Фиг.2 и содержит двухпроводную или трехпроводную линию связи 1, состоящую из проводников 1.1, 1.2. и 1.3, подключенный к линии связи стационарный приемопередатчик 2, приемопередатчики мобильных абонентов с малогабаритными антеннами 3, при необходимости резистивную нагрузку на конце линии 4.
Каждый из проводников двухпроводной линии запитывается противофазным током от приемопередатчика 2. Каждый из двух проводников 1.1 и 1.2 располагается на противоположных стенках створа горной выработки, туннеля 5 (Фиг. 2.) или линиях, ограничивающих зону действия сети связи в поперечном направлении. Совместно два проводника образуют высокоомную кабельную линию передачи электромагнитной энергии. Мобильные приемопередатчики располагаются в сечении двухпроводной высокоомной линии передачи электромагнитной энергии и их размеры много меньше расстояния между проводами линии. Частота сигнала для связи выбирается такой, чтобы расстояние между проводами d было много меньше длины волны λ.
Так, например, максимальные размеры мобильных приемопередатчиков могут составлять 0,2 м, сечение горной выработки и расстояние между проводниками линии может составлять 3-5 м, а используемая частота сигнала 1000 кГц с длиной волны до 300 м.
Зона действия такой системы связи будет ограничена площадью внутри двухпроводной линии связи, и ее сигналы не будут влиять и создавать помехи другим системам.
Поле передаваемой вдоль линии электромагнитной энергии будет сконцентрировано между двумя проводниками. Во всем сечении выполненного таким образом двухпроводного симметричного кабеля, совпадающего своими размерами с горной выработкой или туннелем, будет значительный уровень электромагнитного поля с малым градиентом, позволяющий хорошо принимать и передавать сообщения. Из-за того, что поле сигнала будет сконцентрировано внутри горной выработки или пространства туннеля, значительно сократятся потери, связанные с возбуждением паразитных индукционных токов в крепях горной выработки, находящихся снаружи двухпроводной линии передачи.
Вместе с тем, помехи, действующие от расположенных в зоне пролегания двухпроводной линии электрических приборов, будут минимизированы, так как синфазные волны в двухпроводной системе связи приниматься не будут.
Для того чтобы сделать систему связи менее зависимой от  ориентации малогабаритных антенн мобильных приемопередатчиков, вместо двухпроводной линии связи используют трехпроводную. Третий провод располагается на потолке штреков или туннелей, а каждый провод запитывается от стационарного приемопередатчика со сдвигом фазы 120°. Это создает вращающееся магнитное поле в створе горной выработки или туннеля при передаче сигнала от стационарного приемопередатчика.
Чтобы обеспечить передачу электромагнитной энергии сигнала и связь не только вдоль линейно протяженного объекта, но и осуществлять в шахте и руднике связь сквозь горную породу с параллельными горными выработками, на протяжении всей линии передачи располагают контрольные устройства с реле, сигналы управления на которые поступают по линии передачи от стационарного приемопередатчика (базовой станции). Контрольные устройства подключают к одной или нескольким антеннам. Антенны могут выполняться как в виде малогабаритных резонансных конструкций точечных излучателей, так и в виде полноразмерных антенн из отрезков провода, уложенного вдоль самой линии передачи. Такая конструкция системы связи позволяет осуществлять связь между параллельными выработками шахт и рудников, резервировать каналы связи в случае завалов.
На Фиг.3 изображен стационарный приемопередатчик 2, линия передачи 1, мобильные приемопередатчики 3, контрольное устройство 5, оконечная нагрузка линии передачи 4,  малогабаритные антенны 7, линейные полноразмерные антенны 8.
По сигналу с приемопередатчика соответствующее контрольное устройство подключает всю или часть электромагнитной энергии из линии передачи к антенне для излучения этой энергии непосредственно в нужном месте для связи сквозь горную породу 6.