Устройство дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения специальных объектов
DEVICE FOR REMOTE MONITORING OF LIFE SUPPORT SYSTEMS OF SPECIAL FACILITIES

Предлагаемое устройство относится к области радиосвязи и может быть использовано для передачи сигналов управления с диспетчерского пункта на системы жизнеобеспечения (теплоснабжения, водоснабжения, газоснабжения, электроснабжения, канализации, вентиляции и т.п.) сложных объектов, а также для сбора информации с указанных систем для централизованного контроля и управления технологическими процессами на них.
Традиционно эксплуатация систем жизнеобеспечения как гражданских, так и военных объектов финансируется по, так называемому, «остаточному принципу». Такой подход привел к тому, что большая часть оборудования систем жизнеобеспечения выработала свой ресурс, и его износ составляет от 50 до 80%. Особенно тяжелая ситуация сложилась в теплоснабжении объектов.
Суровые климатические условия, характерные для большей части территории России, предопределяют теплоснабжение как наиболее значимый как в социальном, так и в техническом отношении сектор экономики.
Около 50% объектов теплоснабжения и тепловых сетей требуют замены, не менее 15% находятся в аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери тепла в тепловых сетях достигают 30%, капитального ремонта или полной замены требуют 80% общей протяженности сетей.
Основными причинами подобного состояния систем теплоснабжения являются: износ оборудования и тепловых сетей, дефицит финансирования, слабое управление и другие.
Для решения накопившихся в последние десятилетия проблем как в теплоснабжении, так и в других системах жизнеобеспечения сложных объектов, необходимо осуществление комплексных мер, среди которых важное место занимают устройства дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения сложных объектов.
Известны устройства дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения сложных объектов (авт. свид. СССР NN 830.304, 911.464, 930.254, 1.075.426, 1.233.105, 1.276.594, 1.291.984, 1.522.417, 1.626.428, 1.663.784, 1.665.531, 1.780.080, 1.798.738; патенты РФ NN 2.001.531, 2.013.018, 2.019.052, 2.156.551, 2.214.691, 2.215.370, 2.264.034, 2.286.026, 2.313.911, 2.329.608, 2.447.598, 2.504.903, 2.614.016; патенты США NN 4.328.581, 5.058.136, 5.077.538, 5.499.760, 5.856.027, 6.128.476; патент Франции N 2.438.877; патенты ЕР NN 0.405.512, 0.486.830, 0.669.740; патенты WO NN 96/10.309, 97/20.438; Тепляков И.М. и др. Радиосистемы передачи информации. М.: Радио и связь, 1982, с. 237, рис. 12.2 и другие).
пр2
1
2
з1
з2
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Региональная информационная система связи» (патент РФ N 2.264.034, Н04В 7/00, 2004), которая и выбрана в качестве базового объекта. Известная система дуплексной радиосвязи построена с использованием супергетеродинных приемников, в которых одно и тоже значение второй промежуточной частоты W может быть получено в результате приема сигналов на четырех частотах: W, W, W и W; т.е.
пр2
1
r1
пр2
r1
з1
W=W-W, W=W-W,
пр2
r2
2
пр2
з2
r2
W=W-W, W=W-W.
1
2
з1
з2
1
2
пр2
r1
r2
пр
Следовательно, если частоты настройки W и W принять за основные каналы приема, то наряду с ними будут иметь место зеркальные каналы приема, частоты W и W которых отличаются от частот W и W на 2W и расположены симметрично (зеркально) относительно частот W и W гетеродинов (рис. 2, 4). Преобразование по зеркальным каналам происходит с тем же коэффициентом преобразования К, что и по основным каналам приема. Поэтому они наиболее существенно влияют на помехоустойчивость и достоверность обмена аналоговой и дискретной информацией между диспетчерским пунктом и системами жизнеобеспечения сложных объектов.
Кроме зеркальных существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема.
В общем виде любые комбинационные каналы приема имеют место при выполнении условий:
пр2
ki
r1
W=(±m W±n W),
пр2
kj
r2
W=(±m W±n W),
ki
kj
где W, W - частоты i-го и j-го комбинационных каналов приема;
m, n, i, j - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первых гармоник частот сигналов с гармониками частот гетеродинов малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность супергетеродинных приемников по этим каналам близка к чувствительности основных каналов приема. Так, четырем комбинационным каналам приема при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
k1
r1
пр2
k2
r1
пр2
W=2 W  - W, W=2W+W,
k3
r2
пр2
k4
r2
пр2
W=2 W - W, W=2 W+W.
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным (зеркальным и комбинационным) каналам приема, приводит к снижению помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между диспетчерским пунктом и системами жизнеобеспечения сложных объектов.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискретной информацией между диспетчерским пунктом и системами жизнеобеспечения сложных объектов путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
Поставленная задача решается тем, что устройство дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения сложных объектов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, диспетчерский пункт и системы жизнеобеспечения сложных объектов, при этом диспетчерский пункт и каждая система жизнеобеспечения сложных объектов содержат последовательно включенные источник аналоговых сообщений, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора несущей частоты, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом источника дискретных сообщений, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности и второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, последовательно включенные усилитель второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель, синхронный детектор и блок регистрации и анализа, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к второму входу блока регистрации и анализа, между диспетчерским пунктом и каждой системой жизнеобеспечения сложных объектов устанавливается дуплексная радиосвязь с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на одной несущей частоте, при этом на диспетчерском пункте эти сигналы излучаются на частоте
1
пр1
r2
W=W=W,
пр1
где W - первая промежуточная частота,
r2
W - частота второго гетеродина,
а принимаются на частоте
2
пр3
r1
W=W=W,
пр3
где W - третья промежуточная частота,
r1
W - частота первого гетеродина,
2
1
r1
r2
а на каждой системе жизнеобеспечения сложных объектов, наоборот, сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией на одной несущей частоте излучаются на частоте W, а принимаются на частоте W, частоты W и W гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
r2
r1
пр2
W-W=W,
на каждой системе жизнеобеспечения сложных объектов блок регистрации и анализа выполнен в виде исполнительного блока, отличается от ближайшего аналога тем, что диспетчерский пункт и каждая система жизнеобеспечения сложных объектов снабжены усилителем суммарной частоты, третьим гетеродином и третьим смесителем, причем к выходу второго смесителя последовательно подключен усилитель суммарной частоты и третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина, а выход подключен к входу усилителя второй промежуточной частоты.
Причин подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, основан на двойном преобразовании несущей частоты принимаемого сигнала. Причем при первом преобразовании несущая частота принимаемого сигнала преобразуется "вверх", т.е. используется суммарная частота принимаемого сигнала и частота второго гетеродина, а при втором преобразовании полученная суммарная частота преобразования "вниз", т.е. используется вторая промежуточная (разностная) частота. Указанные операции обеспечивают подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
Структурная схема устройства дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения сложных объектов представлена на фиг. 1 и 3. Частотные диаграммы, иллюстрирующие принцип преобразования сигналов, показаны на фиг. 2 и 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг. 5.
Диспетчерский пункт (система жизнеобеспечения) содержит последовательно включенные источник 1.1 (1.2) аналоговых сообщений, амплитудный модулятор 4.1 (4.2), второй вход которого соединен с выходом генератора 3.1 (3.2) несущей частоты, фазовый манипулятор 5.1 (5.2), второй вход которого соединен с выходом источника 6.1 (6.2) дискретных сообщений, первый смеситель 9.1 (9.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 8.1 (8.2), усилитель 10.1 (10.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 11.1 (11.2) мощности, дуплексер 12.1 (12.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 13.1 (13.2), второй усилитель 15.1 (15.2) мощности, второй смеситель 17.1 (17.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16.1 (16.2), усилитель 25.1 (25.2) суммарный частоты, третий смеситель 27.1 (27.2), второй вход которого соединен с выходом третьего гетеродина 26.1 (26.2), усилитель 18.1 (18.2) второй промежуточный частоты, амплитудный ограничитель 19.1 (19.2), синхронный детектор 20.1 (20.2), второй вход которого соединен с выходом усилителя 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты, и блок 24.1 (исполнительный блок 24.2) регистрации и анализа.
К выходу амплитудного ограничителя 19.1 (19.2) последовательно подключены перемножитель 21.1 (21.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 8.1 (8.2), полосовой фильтр 22.1 (22.2) и фазовый детектор 23.1 (23.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 16.1 (16.2), а выход подключен ко второму входу блока 24.1 (исполнительного блока 24.2) регистрации и анализа.
Последовательно включенные генератор 3.1 (3.2) несущей частоты, амплитудный модулятор 4.1 (4.2) и фазовый манипулятор 5.1 (5.2) образуют модулятор 2.1 (2.2) с двойным видом модуляции.
Первый гетеродин 8.1 (8.2), первый смеситель 9.1 (9.2), усилитель 10.1 (10.2) первой промежуточной частоты и первый усилитель 11.1 (11.2) мощности образуют передатчик 7.1 (7.2).
Второй усилитель 15.1 (15.2) мощности, второй гетеродин 16.1 (16.2), второй смеситель 17.1 (17.2), усилитель 18.1 (18.2) второй промежуточной частоты, усилитель 25.1 (25.2) суммарной частоты, третий гетеродин 26.1 (26.2), третий смеситель 27.1 (27.2), амплитудный ограничитель 19.1 (19.2), синхронный детектор 20.1 (20.2), перемножитель 21.1 (21.2), полосовой фильтр 22.1 (22.2) и фазовый детектор 23.1 (23.2) образуют приемник 14.1 (14.2).
Между диспетчерским пунктом и каждой системой жизнеобеспечения сложных объектов устанавливается дуплексная радиосвязь с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) на одной несущей частоте.
Устройство дистанционного мониторинга систем жизнеобеспечения сложных объектов работает следующим образом.
Для передачи сообщений и команд с диспетчерского пункта включается генератор 3.1 несущей частоты, который формирует высокочастотное гармоническое колебание (фиг. 5, а)
c1
c
с1
c1
1
где U, W, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного гармонического колебания, которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 4.1. На второй вход последнего с выхода источника 1.1 аналоговых сообщений подается модулирующая функция m(t) (фиг. 5, б), содержащая аналоговое сообщение.
На выходе амплитудного модулятора 4.1 образуется амплитудно-модулированный (AM) сигнал (фиг. 5, в).
1
который поступает на первый вход фазового манипулятора 5.1, на второй вход которого подается модулирующий код M (t) (фиг. 5, г) с выхода источника 6.1 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 5.1 формируется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) (фиг. 5, д)
k1
1
k1
1
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M (t), причем φ(t)=coust при Кτэ<t<(k+1)τэ и может изменяться скачком при t=Кτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (К-1.2, …, N):
1
с1
c1
1
τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т (T=N⋅τэ),
который поступает на первый вход первого смесителя 9.1, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 8.1
На выходе смесителя 9.1 образуются напряжения комбинационных частот/ Усилителем 10.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
где
up1
c
r1
W=W+W - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с1
r1
φ=φ+φ.
1
r1
Это напряжение после усиления в усилителе 11.1 мощности через дуплексер 12.1 поступает в приемопередающую антенну 13.1, излучается ею в эфир на частоте W, улавливается приемопередающей антенной 13.2 системы жизнеобеспечения и через дуплексер 12.2 и усилитель 15.2 мощности поступает на первый вход смесителя 17.2. На второй вход смесителя 12.2 подается напряжение U (t) гетеродина 16.2. На выходе смесителя 17.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25.2. выделяется напряжение первой суммарной частот:
c1
0<t<T,
Σ1
пр1
r1
где U=0.5UU;
Σ1
r1
1
W=W+W - первая суммарная частота;
Σ1
пр1
r1
ϕ=ϕ+ϕ.
которое поступает на первый вход третьего смесителя 27.2. На второй вход третьего смесителя 27.2 подается напряжение третьего гетеродина 26.2
на выходе смесителя 27.2 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 18.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
up2
Σ1
r3
где U=1/2U*U;
up2
r3
Σ1
w=w-w - вторая промежуточная (разностная) частота,
uр2
r3
Σ1
ϕ=ϕ-ϕ
up2
Напряжение u(t) (фиг. 5, е) второй суммарной частоты с выхода усилителя 18.2 поступает на вход амплитудного ограничителя 19.2 и на первый (информационный) вход синхронного детектора 20.2. На выходе амплитудного ограничителя 19.2 образуется напряжение (фиг. 5, ж)
o
где U - порог ограничителя,
которое представляет собой ФМн сигнал и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 20.2 и на первый вход перемножителя 21.2.
На выходе синхронного детектора 20.2 образуется первое низкочастотное напряжение (фиг. 5, з)
1
где  пропорциональное модулирующей функции m (t) (фиг. 5, б).
Это напряжение поступает на первый вход исполнительного блока 24.2. На второй вход перемножителя 21.2 подается напряжение гетеродина 8.2
На выходе перемножителя 21.2 образуется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты (фиг. 5, и)
где
up3
r2
up2
W=W-W - третья промежуточная (разностная) частота;
пр3
r2
uр2
φ=φ-φ,
r1
up3
которое представляет собой ФМн сигнал на частоте W=W гетеродина 16.2.
r1
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 22.2 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 23.2, на второй (опорный) вход которого подается напряжение u (t) гетеродина 16.2. На выходе фазового детектора 23.2 образуется второе низкочастотное напряжение (фиг. 5, к)
где
1
пропорциональное модулирующему коду M (t) (фиг. 5, г). Это напряжение поступает на второй вход исполнительного блока 24.2.
1
Описанная выше работа супергетеродинного приемника 14.2 соответствует случаю приема полезных АМ-ФМн сигналов по основному каналу на частоте W (фиг. 4).
з1
Если ложный сигнал (помеха) поступает на вход приемника 14.2 по первому зеркальному каналу на частоты w,
з1
0<t<T,
Σ2
з1
r2
Где U=1/2 U+U;
Σ2
з1
r1
ϕ=ϕ+ϕ - вторая суммарная частота;
Σ2
з1
r1
ϕ=ϕ+ϕ
H1
H1
Σ1
которое не попадает в полосу пропускания усилителя 25.2 суммарный частоты. Это объясняется тем, что частота настройки ω усилителя 25.2 суммарной частоты выбирается равной ω=ω.
з1
Следовательно, ложный сигнал (помеха), поступающий на вход приемника 14.2 по первому зеркальному каналу на частоте ω, подавляется.
По аналогической причине подавляется и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным каналам.
При передаче сообщений с системы жизнеобеспечения сложных объектов с помощью генератора 3.2 несущей частоты формируется высокочастотное гармоническое колебание
2
которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 4.2. На второй вход амплитудного модулятора 4.2 с выхода источника 1.2 аналоговых сообщений подается модулирующая функция m(t), содержащая аналоговые сообщения.
На выходе амплитудного модулятора 4.2 образуется AM сигнал
2
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 5.2, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода источника 6.2 дискретных сообщений. На выходе фазового манипулятора 5.2 формируется сложный АМ-ФМн сигнал
который поступает на первый вход смесителя 9.2, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 8.2
На выходе смесителя 9.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 10.2 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты
где
пр3
r2
c
W=W-W - третья промежуточная (разностная) частота;
6
r2
с2
φ=φ-φ.
2
r2
Это напряжение после усиления в усилителе 11.2 мощности через дуплексер 12.2 поступает в приемопередающую антенну 13.2, излучается ею в эфир на частоте W, улавливается приемопередающей антенной 13.1 диспетчерского пункта и через дуплексер 12.1 и усилитель 15.1 мощности поступает на первый вход смесителя 17.1. На второй вход смесителя 17.1 подается напряжение u(t) гетеродина 16.1. На выходе смесителя 17.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 25.1 выделяется напряжение третьей суммарной частоты
c2
0<t<T
Σ2
6
r2
Где U=1/2 U*U;
Σ3
2
r2
w=w+w - первая суммарная частота;
Σ3
r2
6
ϕ=ϕ+ϕ
которое поступает на первый вход третьего смесителя 27.1. На второй вход третьего смесителя 27.1 подается напряжение третьего гетеродина 26.1
на выходе смесителя 27.1 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 18.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
up4
6
r2
где U=1/2 U*U;
up4
Σ3
r3
w=w-w - вторая промежуточная (разностная) частота,
up4
Σ3
r3
ϕ=ϕ-ϕ
которое поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 20.1 и на вход амплитудного ограничителя 19.1.
На выходе амплитудного ограничителя 19.1 образуется напряжение
o
где U - порог ограничения,
которое поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 20.1 и первый вход перемножителя 21.1.
На выходе синхронного детектора 20.1 образуется низкочастотное напряжение
где
2
пропорциональное модулирующей функции m(t). Это напряжение поступает на первый вход блока 24.1 регистрации и анализа.
r1
На второй вход перемножителя 2.1 подается напряжение u(t) гетеродина 8.1, на выходе которого образуется напряжение
где
r2
r2
которое представляет собой ФМн сигнал на частоте W гетеродина 16.1. Это напряжение выделяется полосовым фильтром 22.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 23.1, на второй (опорный) вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 16.1. На выходе фазового детектора 23.1 образуется низкочастотное напряжение
где
2
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на второй вход блока 24.1 регистрации и анализа.
2
Описанная выше работа супергетеродинного приемника 14.1 соответствует случаю приема полезных АМ-ФМн сигналов по основному каналу на частоте W (фиг. 2).
з2
Если ложный сигнал (помеха) поступает на вход приемника 14.1 по первому зеркальному каналу на частоты w,
з2
0<t<T,
то на выходе смесителя 17.1 образуется следующее напряжение
з2
0<t<Т,
Σ4
з2
r2
где U=1/2 UU;
Σ4
з2
r2
w=w+w - вторая суммарная частота;
Σ4
з2
r2
ϕ=ϕ+ϕ
H2
H2
Σ3
которое не попадает в полосу пропускания усилителя 25.1 суммарный частоты. Это объясняется тем, что частота настройки ω усилителя 25.1 суммарной частоты выбирается равной ω=ω.
з2
Следовательно, ложный сигнал (помеха), поступающий на вход приемника 14.1 по первому зеркальному каналу на частоте ω, подавляется.
По аналогической причине подавляется и ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным каналам.
Сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией (АМ-ФМн) на одной несущей частоте обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных АМ-ФМн сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный АМ-ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного АМ-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 АМ-ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы кваиоптимальную обработку сложных АМ-ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные АМ-ФМн сигналы позволяют применять современный 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.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности обмена аналоговой и дискрийной информации между диспетчерским пунктом и системами жизнеобеспечения сложных объектов. Это достигается за счет подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальным и комбинационным каналам, методом двойного преобразования несущей частоты принимаемого сигнала.
Причем при первом преобразовании несущей частоты принимаемого сигнала преобразуется "вверх", т.е. используется суммарная частота принимаемого сигнала и частоты второго гетеродина, а при втором преобразовании полученная суммарная частота преобразуется "вниз", т.е. используется вторая промежуточная (разностная) частота.
Метод двойного преобразования несущей частоты принимаемого сигнала отличается высокой эффективностью и простотой технической реализации.