СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА, ТЕРПЯЩЕГО БЕДСТВИЕ НА ВОДЕ
SYSTEM FOR DETECTING AND LOCATING A PERSON IN DISTRESS ON WATER

Предлагаемая система относится к спасательным средствам и может быть использована для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения.
Известны спасательные системы и устройства (авт. свид. СССР №№385.819, 431.063, 637.298, 765.113, 988.655, 1.348.819, 1.505.840, 1.588.636, 1.615.054, 1.643.325, 1.664.653; патенты РФ №№2.000.995, 2.009.956, 2.038.259, 2.043.259, 2.051.838, 2.177.437, 2.193.990, 2.226.479, 2.276.038, 2.299.832, 2.363.614, 2.240.950, 2.372.245, 2.381.138, 2.521.456; патенты США №№3.621.501, 4.889.511; патенты Великобритании №1.145.051, 2.249.826; патент Франции №2.638.705 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близкой к предлагаемой является «Система для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде» (патент РФ №2.240.950, В63С 9/20, 2003), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная система содержит надеваемый на человека спасательный жилет с двумя источниками света и передатчиками с передающими антеннами, а также приемник, расположенный на пункте контроля и обеспечивающий определение азимута α и угла места β на источник радиоизлучений (ИРИ), который размещен на человеке, терпящем бедствие на воде.
Однако потенциальные возможности указанной системы используются не в полной мере. Использование третьей измерительной базы, расположенной в гипотенузной плоскости, позволяет определить угол ориентации ψ на ИРИ. Измерив три угла: азимут α, угол места β и угол ориентации ψ и, использовав корреляционную обработку принимаемых сигналов, можно точно и однозначно определить местоположение ИРИ, который размещен на человеке, терпящем бедствие на воде.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем точного и однозначного определения местоположения источника радиоизлучений, который размещен на человеке, терпящем бедствие на воде.
r1
r2
Поставленная задача решается тем, что система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, спасательный жилет, надетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в наспинной, источник тока, два размыкателя электрической цепи, 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 наспинной, 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, и два миниатюрных передатчика с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в наспинной, и приемник, установленный на пункте контроля и содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединены с первым выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, первый блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, первый пороговый блок, первый ключ, третий ключ, второй вход которого через третий пороговый блок соединены с вторым выходом первого блока корреляторов, первый фазометр и блок регистрации, последовательно подключенные к выходу второго усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом первого ключа, последовательно включенные третью приемную антенну, третий усилитель высокой частоты, третий смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, третий усилитель промежуточной частоты, второй блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй пороговый блок, второй ключ, четвертый ключ, второй вход которого через четвертый пороговый блок соединен с вторым выходом второго блока корреляторов, и второй фазометр, выход которого соединен со вторым входом блока регистрации, последовательно подключенные к выходу третьего усилителя промежуточной частоты третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, и третий узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом второго ключа, последовательно подключенные к второму выходу первого гетеродина первый перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго фазометров, при этом частоты первого ω и второго ω гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
r2
г1
пр
ω-ω=2ω
и выбраны симметричными относительно несущей частоты *c принимаемого сигнала бедствий
с
г1
г2
с
up
ω-ω=ω-ω=ω,
отличается от ближайшего аналога тем, что приемник снабжен третьим блоком корреляторов, пятым и шестым пороговыми блоками, пятым и шестым ключами, четвертым перемножителем, четвертым узкополосным фильтром и третьим фазометром, причем к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены третий блок корреляторов, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя промежуточной частоты, пятый пороговый блок, пятый ключ, шестой ключ, второй вход которого через шестой пороговый блок соединен со вторым выходом третьего блока корреляторов, и третий фазометр, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя промежуточной частоты, и четвертый узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом пятого ключа, приемными антеннами образованы три измерительные базы, которые расположены в азимутальной, угломестной и гипотенузной плоскостях в виде прямоугольного треугольника, в вершине которого помещена первая приемная антенна.
Спасательный жилет, надетый на человека, схематично изображен на фиг. 1, на фиг. 2 - то же, разрез. Структурная схема приемника, работающего на пункте контроля, представлена на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, изображена на фиг. 4. Взаимное расположение приемных антенн показано на фиг. 5. Геометрическая схема расположения летательного аппарата (ЛА) и человека показана на фиг. 6.
Система содержит спасательный жилет, с источниками 1 и 2 света, передатчиками 19 и 20 с передающими антеннами 21 и 22, соответственно, и приемник, установленный на пункте контроля. Спасательный жилет, кроме того, содержит источник 3 энергии, кабели 4 и 5 подвода энергии к источникам света 1, 2 и передатчикам 19, 20, патроны 6 и 7, мембраны 8, 9 и связанные с ними рычаги 10 и 11 с контактами 12 и 13, а также герметичную пневмомагистраль 14, связывающую герметичные воздушные полости 15 и 16. Места ввода кабелей 4 и 5 от источника энергии 3 в полости 15 и 16 загерметизированы уплотнительными кольцами 17 и 18. Источник света 1 и передатчик 19, источник света 2 и передатчик 20 подключены параллельно к источнику энергии 3.
Приемник, установленный на пункте контроля, содержит последовательно включенные первую приемную антенну 23, первый усилитель 26 высокой частоты, первый смеситель 31, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 29, и первый усилитель 34 промежуточной частоты, последовательно включенные вторую приемную антенну 24, второй усилитель 27 высокой частоты, второй смеситель 32, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30, второй усилитель 35 промежуточной частоты, первый блок 43 корреляторов, первый пороговый блок 45, первый ключ 47, третий ключ 51, второй вход которого через третий пороговый блок 49 соединен со вторым выходом первого блока 43 корреляторов, первый фазометр 53 и блок 55 регистрации, последовательно включенные третью приемную антенну 25, третий усилитель 28 высокой частоты, третий смеситель 33, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 30, третий усилитель 36 промежуточной частоты, второй блок 44 корреляторов, второй пороговый блок 46, второй ключ 48, четвертый ключ 52, второй вход которого через четвертый пороговый блок 50 соединен со вторым выходом второго блока 44 корреляторов, и второй фазометр 54, выход которого соединен со вторым входом блока 55 регистрации, вторые входы первого 43 и второго 44 блоков корреляторов соединены с выходом первого усилителя 34 промежуточной частоты. К выходу первого усилителя 34 промежуточной частоты последовательно подключены второй перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 35 промежуточной частоты, и второй узкополосный фильтр 41, выход которого соединен со вторым входом первого ключа 47. К выходу второго усилителя 35 промежуточной частоты последовательно подключены третий блок 56 корреляторов, второй вход которого соединен с выходом третьего усилителя 36 промежуточной частоты, пятый пороговый блок 57, пятый ключ 60, шестой ключ 62, второй вход которого через шестой пороговый блок 61 соединен со вторым выходом третьего блока 56 корреляторов, и третий фазометр 63, выход которого соединен с третьим входом блока 55 регистрации. К выходу усилителя 35 промежуточной частоты последовательно подключены четвертый перемножитель 58, второй вход которого соединен с выходом усилителя 36 промежуточной частоты, и четвертый узкополосный фильтр 59, выход которого соединен со вторым входом пятого ключа 60. Ко второму выходу первого гетеродина 29 последовательно подключены: первый перемножитель 37, второй вход которого соединен со вторым выходом второго гетеродина 30, и первый узкополосый фильтр 38, выход которого соединен со вторым входом фазометров 53, 54 и 63.
Система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, работает следующим образом.
2
1
В положении на спине (фиг. 1) давление окружающей среды Р на мембрану 9 (фиг. 2) больше, чем атмосферное давление P на мембрану 8. Мембрана 9 находится в поджатом, мембрана 8 - в отжатом состоянии. Следовательно, рычаг 11 отжимает контакт 13 от источника 2 света и передатчика 22, а рычаг 10 поджимает контакт 12 к источнику 1 света и передатчику 19. Источник 1 света горит, передатчик 19 излучает сигнал бедствия, источник 2 света не горит, передатчик 20 не работает.
Если человек совершает поворот относительно горизонтальной оси на 180°, на грудь, тогда наверху оказывается источник 2 света и передатчик 20 с передающей антенной 22.
Давление среды на мембрану 8 становится больше, чем на мембрану 9, мембрана 8 поджимается, рычаг 10 размыкает контакт 12 с источником 1 света и передатчиком 19 с передающей антенной 21. Цепь размыкается, источник 1 света гаснет, передатчик 19 выключается. Одновременно воздух из полости 15 перетекает через магистраль 14 в полость 16, мембрана 9 отжимается, рычаг 11 замыкает контакт 13 с источником 2 света и передатчиком 29 с передающей антенной 22. Источник 2 света загорается, а передатчик 20 излучает сигнал бедствия.
В ночное время и в хорошую погоду источник света может быть обнаружен визуально на значительном расстоянии. Однако в светлое время и в плохую погоду источник света обнаружить затруднительно.
п
с
с
Радиоизлучение является всепогодным и обеспечивает передачу сигнала бедствия на большие расстояния. При этом сигнал бедствия (SOS) излучается периодически с определенным периодом Т и длительностью Т на определенной частоте ω, которая отводится именно для передачи сигнала бедствия и не занимается для передачи другой информации.
Приемник размещается на пункте контроля, который может быть размещен на суше, на кораблях различного назначения, в том числе и на поисково-спасательных кораблях, а также на летательных аппаратах (вертолетах, самолетах и космических аппаратах).
Приемные антенны 23, 24 и 25, поднятые над поверхностью воды, например, с помощью летательного аппарата и расположенные в виде прямоугольного треугольника (фиг. 5), принимают сигнал бедствия:
c
с
1
3
с
где U, ω, φ-φ, Т - амплитуда, несущая частота, начальные фазы и длительность сигналов бедствия, принимаемых антеннами 23…25;
±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала бедствия, обусловленная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами.
Регистрация сигнала бедствия осуществляется приемными антеннами 23-25.
Указанные сигналы с выходов приемных антенн 23-25 через усилители 26-28 высокой частоты поступают на первые входы смесителей 31-33, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродинов 29 и 30:
частоты, которых разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
с
г1
пр
ω-ω=2ω
с
и выбраны симметричными относительно несущей частоты ω
с
г1
г2
с
пр
ω-ω=ω-ω=ω
На выходах смесителей 31-33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 34-36 выделяют напряжения промежуточной (разностной) частоты:
1
К - коэффициент передачи смесителей
пр
с
г1
г2
с
ω=ω-ω=ω-ω - промежуточная частота
пр1
1
г1
пр2
г2
2
пр3
г2
3
φ=φ-φ; φ=φ-φ; φ=φ-φ.
г1
г2
Напряжения u(t) и u(t) со вторых входов гетеродинов 29 и 30 подаются на два входа перемножителя 37, на выходе которого образуется напряжение,
г
г
г2
г1
г
г
пр
г
u(t)=U⋅cos[(ω-ω)t+φ]=U⋅cos[(2ωt+φ),
где
2
К - коэффициент передачи перемножителя;
г
г2
г1
φ=φ-φ,
которое выделяется узкополосным фильтром 38.
up1
up2
up1
up3
up2
up3
Напряжения U(t) и U(t), U(t) и U(t), U(t) и U(t) с выходов усилителей 34, 35 и 36 промежуточной частоты подаются на входы перемножителей 39, 40 и 58, на выходах которых образуются напряжения:
1
2
3
где - d, d, d - измерительные базы,
- длина волны,
α, β, ψ - угловые координаты (азимут, угол места и угол ориентации) источника излучения сигнала бедствия, которые выделяются узкополосными фильтрами 41, 42 и 59 соответственно.
up1
up2
up1
up3
up2
up3
1
2
3
пор1
Напряжения U(t) и U(t), U(t) и U(t), U(t) и U(t) одновременно поступают на два входа блоков 43, 44 и 56 корреляторов, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные корреляционным функциям R(τ), R(τ) и R(τ) соответственно. Указанные напряжения поступают на входы пороговых блоков 45, 46 и 57, где сравниваются с пороговыми напряжениями U.
up1
up2
up1
up3
up2
up3
c
пор1
Так как канальные напряжения U(t) и U(t), U(t) и U(t), U(t) и U(t) образуются одним и тем же сигналом бедствия, принимаемым по основному каналу на несущей частоте ω, то между ними существует сильная корреляционная связь. Выходные напряжения блоков 43, 44 и 56 корреляторов достигают максимального значения и превышают пороговый уровень U в пороговых блоках 45, 46 и 57.
пор1
При превышении порогового напряжения U в пороговых блоках 45, 46 и 57 формируются постоянные напряжения, которые поступают на управляющие входы ключей 47, 48 и 60, открывая их. В исходном состоянии ключи 47, 48, 51, 52, 60 и 62 всегда закрыты.
4
5
6
o
o
o
На вторых выходах блоков 43, 44 и 56 корреляторов формируются напряжения, пропорциональных корреляционным функциям R(τ), R(τ) и R(τ). Указанные напряжения достигают максимального значения только при истинных значениях угловых координат α, β и ψ соответственно. И только при этих значениях в пороговых блоках 49, 50 и 61 формируются постоянные напряжения, которые поступаю на управляющие входы ключей 51, 52 и 62, открывая их.
4
5
6
r
1
2
3
При этом напряжения U(t), U(t) и U(t) с выходов узкополосных фильтров 41, 42 и 59 через открытые ключи 47 и 51, 48 и 52, 60 и 62 посещают на первые входы фазометров 53, 54 и 63, на вторые входы которых подается напряжение U(t) с выхода узкополосного фильтра 38. Фазометры 53, 54 и 63 измеряют фазовые сдвиги Δφ, Δφ и Δφ, которые фиксируются блоком 55 регистрации.
Зная высоту h полета летательного аппарата, который может использоваться в качестве пункта контроля, и, измерив угловые координаты α, β и ψ, можно точно и однозначно определить координаты источника излучения сигнала бедствия (человека, терпящего бедствие на воде) (фиг. 6).
c
Описанная выше работа приемника соответствует случаю приема полезного сигнала бедствия по основному каналу на частоте ω.
з1
Если ложные сигналы (помехи) поступают по первому зеркальному каналу на частоте ω:
то на выходе смесителей 31, 32 и 33 образуются следующие напряжения:
up
г1
з1
ω=ω-ω - промежуточная частота;
up
г2
з1
3ω=ω-ω - утроенной значение промежуточной частоты;
up4
г1
7
up5
г2
8
up6
г2
9
φ=φ-φ; φ=φ-φ; φ=φ-φ
up4
з1
Однако только напряжение U(t) попадает в полосу пропускания первого усилителя 34 промежуточной частоты и на первые входы блоков 43 и 44 корреляторов. Выходные напряжения блоков 43 и 44 корреляторов равны нулю. Ключи 47 и 48 не открываются и ложные сигналы (помехи), поступающие по первому зеркальному каналу на частоте ω, подавляются.
з2
Если ложные сигналы (помехи) поступают по второму зеркальному каналу на частоте ω:
то на выходе смесителей 31, 32 и 33 образуются следующие напряжения:
up
з2
г1
3ω=ω-ω - утроенной значение промежуточной частоты
up
з2
г2
ω=ω-ω - промежуточная частота
up7
г2
10
up8
г2
11
up9
г2
12
φ=φ-φ; φ=φ-φ; φ=φ-φ
up8
up9
з2
Однако только напряжения U(t) и U(t) попадают в полосу пропускания усилителей 35 и 36 промежуточной частоты и на входы блоков 43, 44 и 56 корреляторов. Выходные напряжения блоков 43, 44 и 56 корреляторов равны нулю. Ключи 47, 48 и 60 не открываются и ложные сигналы (помехи), поступающие по второму зеркальному каналу на частоте ω, подавляются.
k1
k2
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые по первому комбинационному каналу на частоте ω или по второму комбинационному каналу на частоте ω или по любому другому дополнительному каналу.
з1
з2
up4
up8
up9
Если ложные сигналы (помехи) одновременно поступают по первому ω и второму ω зеркальным каналам, то напряжения U(t), U(t) и U(t) попадают в полосы пропускания усилителей 34, 35 и 36 промежуточной частоты и на входы блоков 43, 44 и 56 корреляторов.
з1
з2
пор1
з1
з2
Однако указанные напряжения образованы различными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных частотах ω и ω, поэтому между ними существует слабая корреляционная связь. Выходные напряжения блоков 43, 44 и 56 корреляторов не достигают максимальные значений и не превышают порогового уровня U в пороговых блоках 45, 46 и 57. Ключи 47, 48 и 60 не открываются и ложные сигналы (помехи), поступающие одновременно по первому и второму зеркальным каналам на частотах ω и ω, подавляются.
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), одновременно поступающие по двум любым дополнительным каналам приема.
1
2
3
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает точное и однозначное определение местоположения источника радиоизлучений (ИРИ), который размещен на человека, терпящим бедствие на воде. Это достигается использованием трех измерительных баз d, d и d, размещаемых в азимутальной, угломестной и гипотенузной плоскостях соответственно в виде прямоугольного треугольника.
1
2
3
При этом точность местоположения источника радиоизлучений достигается увеличением относительного размера измерительных баз d/λ, d/λ и d/λ, а возникающая при этом неоднозначность отсчета угловых координат источника радиоизлучений, присущая фазовому методу пеленгации, устраняется корреляционной обработкой принимаемых сигналов. За счет корреляционной обработки принимаемых сигналов устраняются и ложные сигналы (помехи), поступающие по дополнительным каналам приема.
Принцип определения местоположения источников радиоизлучений пассивным методом отличается новизной, оригинальностью и может найти широкое практическое применение в различных областях радиолокации и радионавигации.
Тем самым функциональные возможности известной системы расширены.