КУПАЛЬНЫЙ КОСТЮМ С ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ПЛАВУЧЕСТЬЮ
BODILY LIGHT SWIMWEAR

Изобретение относится к индивидуальным средствам при занятиях плаванием на воде и может быть использовано при поиске терпящих бедствие на воде.
Известен купальный костюм с положительной плавучестью, который характеризуется тем, что он выполнен из слоев ткани (RU №66904, 10.10.2007 [1]).
Недостатком данного купального костюма является использование слоев  газонепроницаемой ткани для получения положительной плавучести за счет газа - воздуха или гелия в качестве наполнителя.
Известен также купальный костюм с положительной плавучестью (заявка WO №2011/105933 А2, РСТ RU №2011/000099, 22.02.2011, RU №2010106837, 24.02.2010 [2]), который выполнен трехслойным - между слоями ткани размещены пластины из изолона - материала с малым удельным весом, которые обеспечивают плавучесть. При этом изобретение направлено на повышение удобства плавать в воде неограниченное время и не утонуть.
Недостатком данного технического решения является ограниченное применение, преимущественно в наблюдаемой зоне, т.е. на ограниченной акватории.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей использования купального костюма с положительной плавучестью.
Поставленная задача решается за счет того, что купальный костюм с положительной плавучестью снабжен гидроакустическим приемопередатчиком, размещенным в застежке, выполненной в виде брелка, гидроакустический приемопередатчик соединен по гидроакустическому каналу связи с контрольным пунктом, на внутренней поверхности купального костюма с положительной плавучестью 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, передачу кодовых сообщений выполняют по одному гидроакустическому каналу связи, при этом передают импульсы, соответствующие одному разряду, разделенные во времени.
Для решения поставленной задачи предложен купальный костюм с положительной плавучестью, который выполнен из слоев ткани, между которыми размещены пластины из материала с малым удельным весом, которые обеспечивают плавучесть, застежка которого выполнена в виде брелка, с размещенным в нем гидроакустическим приемопередатчиком, на внутренней поверхности купального костюма с положительной плавучестью 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, передачу кодовых сообщений выполняют по одному гидроакустическому каналу связи, при этом передают импульсы, соответствующие одному разряду, разделенные во времени.
Как и в прототипе [2], с помощью пластин можно регулировать плавучесть при обучении плаванию, а в качестве материала пластин может быть использован изолон толщиной 5-8 мм, что создает дополнительную плавучесть в 2-3 кг, что вполне достаточно, чтобы человек постоянно находился на поверхности воды. При этом купальный костюм может быть выполнен в виде сплошного или раздельного купальника.
При выполнении купального костюма в виде сплошного костюма, застежка выполнена в виде брелка, с размещенным в нем гидроакустическим приемопередатчиком. При выполнении купального костюма в виде раздельного купальника гидроакустический приемоответчик размещается в декоративной пряжке купального костюма.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами.
Фиг.1. Купальный костюм с положительной плавучестью. 1 - ткань, 2 - застежка, 3 - декоративная пряжка.
Фиг.2. Размещение пластин между слоями ткани. 4 - слои ткани, 5 - пластины.
Фиг.3. Пример формирования кодовой посылки, состоящей из семи разрядов.
Фиг.4. Функциональная схема приемного устройства. Функциональная схема приемного устройства состоит из следующих основных узлов: усилителя-ограничителя 6, предназначенного для усиления и нормирования сигнала, поступающего на вход приемника с антенны; схемы квадратурного детектирования и фильтрации, состоящей из двух перемножителей 7 и 8, фильтров низкой частоты (ФНЧ) 9 и ФНЧ 10, генератора переменной частоты (ГЕН) 11 и схемы 12 принятия решения о наличии полезного сигнала на входе приемника; декодера 13 гидроакустической цифровой информации; схемы управления 14 частотой генератора ГЕН.
Купальный костюм с положительной плавучестью, как и в прототипе [2], выполнен трехслойным - между слоями 4 размещены пластины 5, выполненные из материала с малым удельным весом, которые обеспечивают плавучесть. Пластины 5 могут быть извлечены для регулирования плавучести.
Использование материала изолон толщиной 5-8 мм позволяет улучшить теплоизоляцию тела в костюме, избежать переохлаждения.
Купальный костюм может одеваться поверх обычного купальника.
Купальный костюм снабжен гидроакустическим приемопередатчиком, соединенным по гидроакустическому каналу связи с контрольным пунктом. На внутренней стороне купального костюма размещены датчики физиологических параметров, соединенные с преобразователем измеренных аналоговых сигналов, соответствующих значениям измеряемых физиологических параметров, преобразователь измеренных аналоговых сигналов информационно связан с радиоканалом и гидроакустическим каналом связи.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Купальный костюм содержит приемопередатчик гидроакустических сигналов с передающей антенной, а также аппаратуру, установленную на контрольном пункте.
Аппаратура, установленная на контрольном пункте, содержит приемную антенну, 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 контроля за пловцами, а также обнаружение и определение их местоположения при их неадекватном поведении.
Гидроакустическая антенна приемопередатчика ориентирована по восьми румбам, и выполнена в виде пьезоэлементов, и работающая в режиме приема и передачи сигналов. На пластинах 5 установлены приемопередатчик, контроллер и элементы, формирующие гидроакустический канал связи (усилитель, кодер, декодер, формирователь команд). На внутренней поверхности купального костюма 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 гидроакустическим каналом связи.
В качестве датчиков физиологических параметров могут быть использованы любые датчики, например измерители ЭКГ-потенциалов, температуры, давления. При этом датчики физиологических параметров плотно прилегают к телу пловца в соответствующих точках тела.
Основной функцией преобразователя измеренных аналоговых сигналов датчиками физиологических параметров является преобразование измеренных аналоговых сигналов, соответствующих значениям измеряемых физиологических параметров, в последовательный двоичный код.
Гидроакустическая аппаратура, размещенная в купальном костюме, 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 приемопередатчик имеет определенный номер, закрепленный за конкретным пловцом, 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 пловцов, подтверждающих выполнение команд и сигналов, характеризующих физиологическое состояние пловца, измерение дальности и пеленгов до пловца, с последующим определением географических координат и оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемо-передающими антеннами, навигационным контроллером, навигационным программно-математическим обеспечением и средствами визуализации местоположения пловца на мониторе.
Контрольный пункт может быть размещен как в прибрежной полосе, так и на плавательных средствах.
Приемно-обрабатывающая аппаратура контрольного пункта предназначена для:
- передачи команд управления;
- приема квитанций о приеме и исполнении команд управления;
- приема цифровой телеметрической информации, соответствующей физиологическому состоянию пловца;
- измерения расстояния до пловца и на этой основе слежения за его перемещением;
- отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе протокола обмена сигналами с пловцом;
- отображения на мониторе и регистрации на машинном носителе принимаемой цифровой телеметрической информации.
В случае размещения на акватории ретрансляционных буев, ретрансляционные буи подключаются к радиомодему и обеспечивают по гидроакустическому каналу связи:
- передачу команд управления;
- прием квитанций о приеме и исполнении команд управления;
- прием цифровой телеметрической информации.
Через ретрансляционные буи осуществляется включение датчиков измерения физиологических параметров пловцов и считывание цифровой телеметрической информации о зарегистрированных событиях, которые 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 пловцов рабочей частоте F=17,96 Гц методом относительной фазовой модуляции со скоростью модуляции V=560 Бод.
Разделение сигналов между пловцами осуществляется кодовыми методами. Для этого всем пловцам, объединенным в сеть, могут присваиваться порядковые номера, "адреса пловцов", которые передаются в составе сигнала команды управления.
Прием сигнала команды управления осуществляется тем пловцом, адрес которых соответствует адресу, передаваемому в составе сигнала; другие пловцы (с другими адресами) на данный сигнал команды управления "не реагируют". В составе сигнала команды управления помимо адреса вызываемого пловца передается номер команды управления, подлежащей исполнению. Количество команд управления, передаваемых на приемопередатчик каждого пловца, - 31.
Команды управления могут передаваться с контрольного пункта либо из ретрансляционного буя, если таковые будут размещены на наблюдаемой акватории.
В составе сигнала квитанции передаются: адрес пловца, 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 пловцом и контрольным пунктом сопровождается определением дальности между гидроакустическими антеннами пловцом 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 пловца 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 приемопередатчика 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 пловце, выполнены на микроэлементах, имеющих промышленную применимость.
В известных способах передачи кодовых сообщений при передаче информации часто используются методы со скачкообразной перестройкой частоты (Прокис Джон, Цифровая связь, М., Радио связь, 2000 г. - С.628-629 [1]), т.е. методы многоуровневой частотной манипуляции (MFSK, т.е. M-ary frequency keying). Приемные устройства таких систем состоят из многоканальных приемников, настроенных на различные частоты. Это приводит к значительному усложнению аппаратуры связи.
Кроме того, морская среда, в которой распространяются гидроакустические сигналы, характеризуется значительной пространственно-временной изменчивостью, обуславливающая особый характер процессов передачи акустических волн. Особенность распространения сигналов в море проявляется в виде изменений амплитуды, фазы, времени и углов прихода и других параметров гидроакустического поля в точке приема. Одним из наиболее неприятных явлений, имеющих место при распространении сигналов, является реверберация и многолучевость, проявляющаяся в конечном счете в виде мультипликативной помехи, приводящая к замираниям. Такая помеха в общем случае может значительно снижать достоверность приема сообщений.
Одним из способов, позволяющим эффективно бороться с ухудшением характеристик, вызванным замиранием, является применение сигналов переносчиков с расширением в спектральной и временной области. В частности, в радиосистемах передачи информации часто используются методы со скачкообразной перестройкой частоты, т.е. методы многоуровневой частотной манипуляции (MFSK, т.е. M-ary frequency keying). Приемные устройства таких систем состоят из многоканальных приемников, настроенных на различные частоты. Это приводит к значительному усложнению аппаратуры связи.
В предлагаемом техническом решении применен только один канал приема цифровой информации для всех рабочих частот, что значительно упрощает приемное устройство, а также обеспечивает повышенную помехоустойчивость при передаче гидроакустических сигналов в условиях мультипликативных помех.
Принцип модуляции сигналов-переносчиков, т.е. сигналов, которые используются для передачи цифровой информации по гидроакустическому каналу связи, следующий.
син
син
Каждому двоичному разряду цифровых данных поставлен в соответствие сигнал, представляющий собой прямоугольный импульс длительностью, заполненный своей, отличной от других, несущей частотой. Причем логическому "0" присваиваются свои частоты, логической "1" - свои. Таким образом, цифровая информация передается различными частотами. Способ формирования сигналов, на примере семиразрядного двоичного кода, поясняется фиг.3. Здесь семиразрядное слово передается 14 различными частотами от F1 до F14. Вначале передачи формируется синхроимпульс F. Теперь можно условно присвоить нечетные номера частот логическому 0, а четные номера логической единице. Тогда если первый разряд кода 0, то формируется F1, если 1, то F2; если второй разряд 0, то формируется F3, если 1, то F4 и т.д. и, наконец, если седьмой разряд 0, то формируется F13, если 1, то F14. Для того чтобы при приеме данных не использовать два канала приемника, канала нулей и канала единиц, можно передавать импульсы, соответствующие одному разряду, разделенные во времени. Рассмотрим первый разряд, если его значение было 0, то через время Т от начала синхросигнала F формируется импульс с частотой F1, если значение разряда было 1, то импульс с частотой F2 формируется не на том временном участке, где формировался импульс с частотой F1, а позже. Место, где должен быть импульс с частотой F1, остается свободным. Такой же способ модуляции используется и для последующих разрядов.
Пример формирования посылки приведен на фиг.3.
Такой принцип модуляции сигналов переносчиков с одновременным использованием помехоустойчивого кодирования позволяет практически полностью исключить влияние реверберации и многолучевости распространения сигналов на качество приема информации и значительно упростить приемный тракт. На фиг.4 представлена функциональная схема приемного устройства.
Приемник выполнен по схеме оптимального квадратурного обнаружителя радиоимпульса со случайной фазой, который позволяет максимизировать отношение сигнал/шум и тем самым улучшить качество приема, повышая точность измерения дальности.
оп
син
син
оп
оп
оп
оп
сек
син
код
В отсутствии полезного сигнала приемник находится в дежурном режиме. На входы перемножителей 7 и 8 с генератора ГЕН 11 поступают непрерывные опорные напряжения U с частотой F, равной частоте заполнения импульса синхронизации, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90 градусов. Полоса пропускания ФНЧ 9 и 10 выбирается квазиоптимальной. Схема принятия решения 12 постоянно анализирует, по заданному алгоритму, выходные напряжения ФНЧ 9 и ФНЧ 10 us(t) и uc(t) соответственно. После прихода импульса синхронизации с частотой F величины напряжений us(t) и uc(t) будут удовлетворять заданному критерию принятия решения. Схема сообщит об этом декодеру 13, подав на его вход импульс, фронт которого соответствует моменту появления полезного сигнала на входе приемника. Декодер 13, зафиксировав появление этого импульса, дает команду схеме управления 14 выключить U. На входы перемножителей 7 и 8 поступает напряжение, равное 0, и прием не производится. Через время Т, после приема первого импульса декодер дает команду схеме управления 14 включить опорные напряжения U с частотой, равной частоте заполнения первого импульса информационного сигнала F1, которая соответствует логическому нулю первого разряда. Если сигнал с частотой F1 был принят, то декодер 13 принимает решение, чтобы принят ноль, и переключает частоту опорного напряжения для приема сигнала с частотой F3, соответствующей логическому нулю второго разряда команды. Если же сигнал с частотой F1 принят не был, то декодер 13 переключает частоту опорного напряжения для приема сигнала с частотой F2, соответствующей логической единице первого разряда, и, приняв его, принимает решение, что была принята единица. После этого декодер 13 дает команду схеме управления 14 переключить частоту U для приема второго разряда также, как и после приема логического нуля первого разряда. Эта процедура повторяется для каждого из семи разрядов команды, при которой частота опорного напряжения U может меняться от F1 до F14. Пауза между приемом импульсов команды, т.е. когда опорное напряжение на перемножители 7,8 не подается, равна Т или 2Т в зависимости от того, какое логическое значение было присвоено каждому из разрядов. Если информационное слово было принято полностью, то декодер 13 идентифицирует его и посылает в буфер данных. Затем декодер 13 снова переключает ГЕН для приема синхроимпульса F и прием информационных слов продолжается по выше описанному алгоритму. Количество частот и время Т выбирается большим, чем время корреляции замирания сигналов.
Такой принцип модуляции сигналов переносчиков с одновременным использованием помехоустойчивого кодирования позволяет практически полностью исключить влияние реверберации и многолучевости распространения сигналов на качество приема информации и значительно упрощает приемный тракт.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано при контроле за действиями как одиночных пловцов, так и групп, занимающихся подводным плаванием.
Источники информации
1. RU №66904, 10.10.2007.
2. Заявка WO №2011/105933 A2, PCT RU №2011/000099, 22.02.2011, RU №2010106837, 24.02.2010.