СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SYSTEM OF PROTECTION AGAINST UNAUTHORIZED ACCESS TO VEHICLES

Предлагаемая система относится к области транспортной техники, предназначена для предотвращения несанкционированного доступа к транспортным средствам и может быть использована в автомобильном транспорте для предотвращения угона или кражи.
Известны устройства и системы защиты от несанкционированного доступа для транспортных средств (авт. свид. СССР №№823194, 844418, 850440, 1186543, 1437270, 1614984, 1657227, 1720908, 1730648; патенты РФ №№2003523, 2006394, 2011575, 2032227, 2033354, 2040416, 2058906, 2061323, 2123441, 2227100; патенты США №№4013995, 4023163, 4619603, 4751499; патенты Франции №№2063292, 2231213, 2591165; патенты ФРГ №№3605299, 3622793; патент Великобритании №1161114; Дикарев В.И. и др. Защита транспортных средств и грузов от угона и краж. СПб, 2009, и др.).
Из известных устройств и систем наиболее близкой к предлагаемой является «Система защиты от несанкционированного доступа для транспортных средств» (патент РФ №2227100, B60R 25/00, 2002), которая и выбрана в качестве прототипа.
Указанная система содержит набор транспондеров и стационарную часть, устанавливаемую на защищаемом транспортном средстве и включающую в себя логический модуль, блок предупреждения пользователя, релейный орган иммобилайзера, считыватель транспондера, блок памяти индивидуальных сервисных установок и преобразователь сигналов состояния установок.
Однако известная система не позволяет подавлять узкополосные помехи и не обеспечивает помехоустойчивого и достоверного приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем ослабления узкополосных помех.
Поставленная задача решается тем, что система защиты от несанкционированного доступа для транспортных средств, состоящая, в соответствии с ближайшим аналогом, из набора транспондеров и стационарной части, устанавливаемой на защищаемом транспортном средстве, которая включает в свой состав логический модуль, блок предупреждения пользователя, релейный орган иммобилайзера, считыватель транспондера, блок памяти индивидуальных сервисных установок и преобразователь сигналов состояния установок, при этом вход считывателя транспондера соединен с выходом строба запроса логического модуля, выход управления реле которого подключен ко входу релейного органа иммобилайзера, выход управления сигнализацией - ко входу блока предупреждения пользователя, групповой выход управления исполнительными механизмами - к группе управляющих шин, групповой вход сигнальных датчиков соединен с группой сигнальных шин, а выход соединен с информационным входом блока памяти индивидуальных сервисных установок, адресный и управляющий входы которого подключены соответственно к выходу считывателя транспондера и к шине управления установкой, а выход соединен со входом сигналов индивидуальной установки логического модуля, при этом считыватель транспондера выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты и первого фильтра нижних частот, последовательно включенных блока памяти и блока сравнения, выход которого является выходом считывателя транспондера, а транспондер выполнен с помощью многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, сигналы с отводов которой умножаются на соответствующие весовые коэффициенты и линейно суммируются, и представляет собой пьезокристалл с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным пьезоэлектрическим преобразователем и набором отражателей, причем роль отводов выполняют встречно-штыревые преобразователи поверхностных акустических волн, а пьезоэлектрический преобразователь подключен к микрополосковой антенне, которая изготовлена на поверхности пьезокристалла, отличается от ближайшего аналога тем, что считыватель транспондера снабжен третьим и четвертым перемножителями, вторым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, блоком вычитания, первым и вторым фазоинверторами, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены ко второму входу блока сравнения.
Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг.1. При этом пунктиром ограничены элементы, входящие в состав стационарной части. Группа управляющих шин отмечена надписью «Управляющие шины», группа сигнальных шин - надписью «Сигнальные шины», а шина управления установкой - надписью «Уст».
Структурная схема транспондера представлена на фиг.2. Структурная схема считывателя 2 транспондера изображена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие работу считывателя 2 транспондера, изображены на фиг.4.
Выход строба запроса логического модуля 1 соединен со входом считывателя 2 транспондера, а к групповому входу сигнальных датчиков подключена группа сигнальных шин «Сигнальные шины». Шины управления исполнительными механизмами обозначены как «Управляющие шины».
Блок 4 памяти индивидуальных сервисных установок, к управляющему и адресному входам которого подключены соответственно шина управления установкой «Уст» и выход считывателя 2 транспондера, своим выходом подключен к входу сигналов индивидуальной установки логического модуля 1. К выходу управления сигнализацией логического модуля 1 подключен блок 5 предупреждения пользователя, который может включать в свой состав набор световых и звуковых индикаторов с соответствующими входными усилителями-формирователями. К выходу управления реле логического модуля 1 подключен релейный орган иммобилайзера 6, который представляет собой набор реле со схемами управления включением и отключением блоков транспортного средства. Группа сигнальных шин через преобразователь 7 сигналов состояния установок, который представляет собой набор компараторов и усилителей-формирователей, соединена с информационным входом блока 4 памяти индивидуальных сервисных установок.
э
э
Транспондер 3 выполнен с помощью многоотводной линии задержки на ПАВ, сигналы с отводов которой умножаются на соответствующие весовые коэффициенты и линейно суммируются. Местоположение отводов и величина весовых коэффициентов определяются путем разложения требуемой импульсной характеристики согласованного фильтра в ряд Котельникова. Наиболее простая структура согласованного фильтра получается при обработке ФМн-сигналов с постоянной амплитудой и двоичным кодированием: отводы линии задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода с шагом Δh=V·τ, где τ - длительность элементарных посылок обрабатываемого ФМн-сигнала, V - скорость поверхностных волн. Элементарные сигналы с отводов суммируются с одинаковыми амплитудными весовыми коэффициентами, а вид фазового множителя (1 или -1) определяется соответствующей фазой кодовой последовательности сложного ФМн-сигнала.
Использование линии задержки на ПАВ позволяет создавать систему отводов путем наложения металлических электродов непосредственно на поверхность пьезоматериала. При этом электроды выводов, имеющих одинаковые фазы, соединяются вместе. В результате получается встречно-штыревая структура, вид которой задается кодом псевдослучайной последовательности, используемой для формирования сложного ФМн-сигнала. В качестве примера на фиг.2 показана структура встречно-штыревого преобразователя (ВШП) для кода 1001010.
В основе работы ВШП лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода;
- обратное преобразование ПАВ в электрический сигнал.
Встречно-штыревой преобразователь ПАВ (фиг.2) состоит из двух гребенчатых систем электродов 24, нанесенных на поверхность звукопровода 22. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 25 и 26. Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой антенной 23. Работа электродных преобразователей основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ и отражаются набором 27 отражателей. Центральная частота и полоса пропускания ВШП определяются шагом размещения электродов и их количеством. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяет создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.
Считыватель 2 транспондера состоит из последовательно включенных задающего генератора 8, фазового манипулятора 10, второй вход которого соединен с выходом генератора 9 модулирующего кода, усилителя 11 мощности, дуплексера 12, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 13, усилителя 14 высокой частоты, первого перемножителя 15, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 18 нижних частот, первого узкополосного фильтра 17, второго перемножителя 16, второй вход которого соединен с выходом усилителя 14 высокой частоты, первого фильтра 18 нижних частот, блока 35 вычитания и блока 21 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 20 памяти, а выход является выходом считывателя 2 транспондера. К выходу усилителя 14 высокой частоты последовательно подключены третий перемножитель 28, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 33, второй узкополосный фильтр 30, первый фазоинвертор 32, четвертый перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом усилителя 14 высокой частоты, второй фильтр 31 нижних частот и второй фазоинвертор 33. Второй вход блока 35 вычитания соединен с выходом второго фильтра 31 нижних частот.
Первый 15 и второй 16 перемножители, первый узкополосный фильтр 17 и первый фильтр 18 нижних частот образуют первый демодулятор 19 ФМн-сигналов.
Третий 28 и четвертый 29 перемножители, второй узкополосный фильтр 30, второй фильтр 31 нижних частот, первый 32 и второй 33 фазоинверторы образуют второй демодулятор 34 ФМн-сигналов.
Внешние проявления системы защиты от несанкционированного доступа для транспортных средств следующие.
Стационарная часть формирует сигналы запроса. Эти сигналы могут формироваться периодически или, например, спустя определенный промежуток времени после получения воздействия (например, после открывания двери или багажника). На сигналы запроса стационарная часть ожидает получения идентификационной посылки транспондера. Если такая посылка не поступает в ожидаемый промежуток времени, стационарная часть переходит в режим охраны: закрываются все окна, выключается освещение и электронные приборы (радиоприемник, магнитофон и др.), стационарная часть проверяет закрытие дверей, капота, багажника (если не все закрыто, формируются звуковые и/или световые сигналы о неполной охране периметра), блокируются ригели запертых замков и с установленной задержкой включается релейный орган иммобилайзера (возможно, при включенном двигателе переход в режим охраны осуществляется только частично).
Таким образом, система готова как к приходу угонщика, так и к появлению одного из пользователей. Пользователя от угонщика стационарная часть отличает по наличию или отсутствию идентификационной посылки требуемого вида на очередной сигнал запроса. Система защиты не дает возможности угонщику воспользоваться транспортным средством в своих целях.
Если же на какой-либо запрос получена идентификационная посылка, то стационарная часть, анализируя полученную посылку, определяет конкретного пользователя и включает в работу транспортное средство, осуществляя при этом такие установки, которые были индивидуально определены для данного пользователя (например, устанавливаются конкретные положения стеклоподъемников определенных окон, устанавливаются выбранные положения стеклоподъемников определенных окон, устанавливаются выбранные положения кресел, рулевой колонки, зеркал, включается освещение и т.п).
Таким образом, для каждого из возможных пользователей индивидуально осуществляются выбранные этим пользователем сервисные установки. Если один пользователь заменяет другого, то первый пользователь должен покинуть транспортное средство, а следующий пользователь войти в транспортное средство таким образом, чтобы стационарная часть зафиксировала бы отсутствие идентификационной посылки транспондера при смене пользователей. Получив другую разрешенную идентификационную посылку, стационарная часть изменяет сервисные установки, приводя их в соответствии с желаниями очередного пользователя.
Предлагаемая система работает следующим образом. Логический модуль 1 формирует на своем выходе строба запроса сигналы управления считывателем 2 транспондера, которые определяются программой работы логического модуля 1. По каждому из сигналов управления считыватель 2 транспондера формирует сигналы бесконтактного запроса транспондера 3. В качестве таких сигналов бесконтактного запроса выбраны сложные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн).
При поступлении сигнала управления из логического модуля 1 задающий генератор 8 формирует высокочастотное колебание (фиг.4, а)
c
c
c
с
c
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
c
c
c
c
1
где U, w, φ; T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 10, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.4, б). На выходе фазового манипулятора 10 образуется ФМн-сигнал (фиг.4, в)
1
c
c
к1
c
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
1
к1
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 Кτ<t<(К+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=N·τ),
который после усиления в усилителе 11 мощности через дуплексер 12 поступает в приемопередающую антенну 13 и излучается ею в эфир в качестве сигнала запроса. Такой сигнал запроса излучается, например, пять раз в секунду.
После формирования этого сигнала возможно возникновение трех вариантов работы системы.
Во-первых, в зоне связи со считывателем 2 транспондера может не быть ни одного транспондера 3 (то есть не установлено индуктивной связи между считывателем 2 и транспондером 3). В этом случае на считыватель 2 не поступает ответного сигнала транспондера 3. Со считывателя 2 транспондера в блок 4 памяти индивидуальных сервисных установок при этом поступает «пустое» слово (набор сигналов логических нулей).
Во-вторых, в зоне связи со считывателем 2 транспондера может находиться транспондер 3, не входящий в комплект рассматриваемой системы защиты от несанкционированного доступа для транспортного средства. В данном случае на считыватель 2 транспондера поступает идентификационная посылка постороннего транспондера 3. Считыватель 2 транспондера сравнивает полученный модулирующий код с каждым из запомненных допустимых и определяет, что поступил запрещенный код идентификационной посылки. Для запрещенной идентификационной посылки на выходе считывателя 2 транспондера формируется «пустое» слово, поступающее в блок 4 памяти индивидуальных сервисных установок.
1
В-третьих, в зоне связи со считывателем 2 транспондера может находиться один из транспондеров 3, входящих в комплект данной системы защиты от несанкционированного доступа для транспортного средства. ФМн-сигнал u(t), излученный считывателем 2 транспондера и принятый микрополосковой приемопередающей антенной 23 транспондера, преобразуется в линии задержки в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла, отражается набором отражателей 27 и претерпевает обратное преобразование в электромагнитный сигнал с фазовой манипуляцией, который поступает в микрополосковую антенну 23 и излучается ею в пространство, где принимается антенной 13.
Принимаемый ФМн-сигнал (фиг.4, г)
2
2
c
к2
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
с выхода антенны 13 через дуплексер 12 и усилитель 14 высокой частоты поступает на первые входы перемножителей 15, 16, 28 и 29. На вторые входы перемножителей 16 и 28 с выходов узкополосного фильтра 17 и фазоинвертора 32 подаются опорные напряжения соответственно (фиг.4, д, ж):
01
0
c
c
u(t)=U·Cos(wt+φ),
02
0
c
c
c
u(t)=-U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T.
На выходе перемножителей 16 и 28 образуются суммарные напряжения соответственно:
∑1
∑
к2
∑
c
к2
c
u(t)=U·Cosφ(t)+U·Cos[2wt+φ(t)+2φ],
∑2
∑
к2
∑
c
к2
c
u(t)=-U·CoSφ(t)-UCos[2wt+φ(t)+2φ],
где .
Фильтрами 18 и 31 нижних частот выделяются низкочастотные напряжения соответственно (фиг.4, е, з):
н1
∑
к2
u(t)=U·Cosφ(t),
н2
∑
к2
c
u(t)=-U·CoSφ(t), 0≤t≤T,
2
пропорциональные модулирующему коду M(t). Указанные низкочастотные напряжения подаются на два входа блока 35 вычитания. Вычитая одно из другого указанные низкочастотные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе блока 35 вычитания образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение (фиг.4, и)
н
н1
н2
н
к2
u(t)=u(t)-u(t)=U·CoSφ(t),
н
∑
где U=2U,
н1
н2
т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u(t) и u(t).
При этом амплитудные аддитивные помехи проходят через два демодулятора 19 и 34 одинаково, изменяя амплитуды продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 35 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярным, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.
н2
Низкочастотное напряжение u(1) (фиг.4, з) с выхода фильтра 31 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 33, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, к)
н3
∑
к2
c
u(t)=U·CoSφ(t), 0≤t≤T.
н1
н3
Низкочастотные напряжения u(t) и u(1) с выхода фильтра 18 нижних частот и фазоинвертора 33 поступают на вторые входы перемножителей 15 и 28 соответственно, на выходе которых образуются гармонические напряжения:
01
3
c
c
3
c
к2
с
0
c
c
u(t)=U·Cos(wt+φ)+U·Cos[wt+2φ(t)+φ]=U·Cos(wt+φ);
03
3
c
с
3
c
к2
с
0
c
с
u(t)=U·Cos(wt+φ)+U·Cos[wt+2φ(t)+φ]=U·Cos(wt+φ),
0
3
где ; U=2U.
01
03
Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 17 и 30 соответственно. Напряжение u(t) (фиг.4, д) с выхода узкополосного фильтра 17 подается на второй вход перемножителя 16. Напряжение u(t) выделяется узкополосным фильтром 30 и поступает на вход фазоинвертора 32, на выходе которого образуется напряжение (фиг.4, ж)
02
0
c
с
u(t)=-U·Cos(wt+φ),
которое подается на второй вход перемножителя 29.
Следовательно, перемножители 15 и 16 (28 и 29), узкополосный фильтр 17 (30) и фильтр 18 (31) нижних частот образуют универсальный демодулятор 19 (34) ФМн-сигналов. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, выделяется непосредственно из самого ФМн-сигнала.
Известны устройства, обеспечивающие выделение опорного напряжения непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, например, схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф. и Травина Г.А. (Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г.Зюко. - М.: Изд-во «Связь», 1975, с.354-356, рис.14.19, 14.20).
Однако этим устройствам присуще явление «обратной работы», которое резко снижает помехоустойчивость и достоверность приема ФМн-сигналов.
Предлагаемые демодуляторы ФМн-сигналов свободны от явления «обратной работы».
Ослабление узкополосных помех осуществляется двумя универсальными демодуляторами 19 и 34. За счет фазоинверторов 32 и 33 выходные напряжения демодуляторов 19 и 34 оказываются взаимно противоположной полярности. В результате этого взаимно инверсные выходные напряжения демодуляторов 19 и 34 складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.
н
Удвоенное низкочастотное напряжение u(t) (фиг, 4, и) с выхода блока 35 вычитания поступает на первый вход блока 21 сравнения, на второй вход которого подаются коды, записанные в блоке 20 памяти.
Если поступивший код совпадает с одним из записанных в блоке 20 памяти кодом, то блок 21 сравнения формирует код номера транспондера, который поступает в блок 4 памяти индивидуальных сервисных установок. Например, если в блоке 20 памяти запомнено четыре кода транспондера 3, то при считывании информации транспондера (в зависимости от того, какой именно комплектный транспондер 3 находится в зоне связи со считывателем 2 транспондера) на выходе блока 21 сравнения может быть сформирован один из четырех кодов: «001», «010», «011» или «100».
Если считыватель 2 транспондера формирует на своем выходе «пустое» слово, то это означает необходимость установления режима охраны транспортного средства. При переходе в режим охраны логический модуль 1 формирует на своем групповом выходе управления исполнительными механизмами сигналы запуска стеклоподъемников для закрывания всех окон, сигналы выключения освещения и электронных приборов (радиоприемника, магнитофона и др.). По величине параметров (аналоговых или кодовых), поступающих по сигнальным шинам, логический модуль 1 проверяет закрытие дверей, капота, багажника (если не все закрыто, логический модуль 1 выдает сигнал на блок 5 предупреждения пользователя для формирования звуковых и/или световых сигналов о неполной охране периметра), блокирует ригели запертых замков и с установленной задержкой включает релейный орган иммобилайзера 6.
Логический модуль 1 производит установку в транспортном средстве требуемого режима, воздействуя на управляющие шины транспортного средства. Сигналы от датчиков, определяющих требуемую индивидуальную установку, поступают на преобразователь 7 сигналов состояния установок и преобразуются в нем в код, подаваемый в блок 4 памяти индивидуальных сервисных установок.
По окончании режима отключения охраны логический модуль 1 прекращает воздействие на управляющие шины (устанавливая их, например, в состояние высокого импеданса) и пользователь получает возможность изменять, например, положение зеркал, рулевой колонки и др. Это измененное положение может быть запомнено в блоке 4 памяти сервисных установок для того, чтобы при следующем использовании транспортного средства данным пользователем оно было бы установлено после отключения охраны (например, летом пользователь может захотеть иметь открытыми окна, а осенью открытые окна становятся для него излишними).
Для запоминания измененного положения необходимо подать сигнал по шине управления установкой (например, нажать соответствующую кнопку в течение заданного промежутка времени). После формирования сигнала по шине управления установкой происходит считывание идентификационного сообщения транспондера 3 и определение кода его номера в считывателе 2 транспондера. Такое считывание необходимо, поскольку в общем случае пользователь, меняющий свои сервисные установки, не обязательно должен быть основным пользователем.
Система удобна в пользовании. Транспондер выполняется в виде брелка, кольца или небольшого медальона, и пользователю не требуется совершать никаких действий для снятия и постановки транспортного средства на охрану. Он не затрудняет обычную жизнедеятельность пользователю. Применение линии задержки на поверхностных акустических волнах обеспечивает возможность изготовить пассивный транспондер, т.е. не требующий источников питания приемоответчик с малыми габаритами.
Таким образом, предлагаемая система защиты от несанкционированного доступа для транспортных средств по сравнению с прототипом и другими техническими средствами аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Это достигается путем ослабления узкополосных помех, повышением отношения сигнал/шум на выходе блока вычитания с помощью двух универсальных демодуляторов, инверсные выходные напряжения которых складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.