Система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде

 

Изобретение относится к спасательным средствам и может быть использовано для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения. Способ содержит спасательный жилет с расположенными в его грудной и заспинной областях источниками света и передатчиками с передающими антеннами, а также аппаратуру, установленную на борту вертолета. Бортовая аппаратура вертолета содержит приемные антенны 23-27, смесители 30-33, 40, усилители 35-38 первой промежуточной частоты, первый и второй гетеродины 28 и 39, усилитель 41 второй промежуточной частоты, перемножители 44-47, 52, 53, узкополосные фильтры 48-51, 54, 55, амплитудный детектор 42, блок 43 регистрации, линии задержки 56 и 57, фазовые детекторы 58 и 59, фазометры 60-63, двигатель 64, опорный генератор 65. Такое выполнение системы обеспечивает повышение надежности обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде. 4 ил.

Изобретение относится к спасательным средствам и может быть использовано для обнаружения человека, терпящего бедствие на воде и определения его местоположения.

Известны спасательные системы и устройства (авт. свид. СССР N N 385819, 431063, 637298, 765113, 988655, 1348256, 1505840, 1505841, 1588636, 1615054, 1643325, 1664653; патента РФ N N 2000995, 2009956, 2038259, 2043259, 2051838; патенты США NN 3621501, 4889511; патент Великобритании N 1145051; патент Дании N 103118 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Спасательный жилет" (авт. свид. N 1664653, В 63 С 9/20, 1985), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный спасательный жилет, одетый на человека, снабжен источником энергии, кабелями подвода энергии к источникам света, патронами, мембранами, рычагами пневмомагистралью двумя источниками света и обеспечивает обнаружение человека, терпящего бедствие на воде.

Однако обнаружить источники света в светлое время и в условиях плохой погоды на больших расстояниях затруднительно.

Технической задачей изобретения является повышение надежности обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, путем использования радиоизлучателя и вертолета.

Поставленная задача решается тем, что система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, включающая спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи и 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 заспинной его области, 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, снабжена двумя миниатюрными передатчиками с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и аппаратурой, установленной на борту вертолета и состоящей из одного измерительного и четырех пеленгационных каналов, причем измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, шестого смесителя, второй вход которого соединен с выходам второго гетеродина, усилители второй промежуточной частоты, амплитудного детектора и блока регистрации, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первого промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и узкополосного фильтра, при этом к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, пятый узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены первая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, приемная антенна измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором.

На фиг. 1 схематично изображен спасательный жилет с источниками света 1, 2 и передатчиками 19, 20 с передающими антеннами 21, 22, одетый на человека; на фиг. 2 - то же, разрез. Структурная схема аппаратуры, установленной на вертолете, представлена на фиг. 3. Геометрическая схема расположения приемных антенн на вертолете изображена на фиг. 4.

Спасательный жилет, кроме того, состоит из источника 3 энергии, кабелей 4 и 5 подвода энергии к источникам света 1, 2 и передатчиками 19, 20 с передающими антеннами 21, 22, патронов 6 и 7, мембран 8, 9 и связанных с ними рычагов 10 и 11 с контактами 12 и 13, а также герметичной пневмомагистрали 14, связывающей 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.

Аппаратура, размещаемая на борту вертолета, содержит измерительный канал и четыре пеленгационных канала. Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 23, смесителя 29, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 28, усилителя 34 первой промежуточной частоты, шестого смесителя 40, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 39, усилителя 41 второй промежуточной частоты, амплитудного детектора 42 и блока 43 регистрации. Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 24 (25, 26, 27), смесителя 30 (31, 32, 33), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 28, усилителя 35 (36, 37, 38) первой промежуточной частоты, перемножителя 44 (45, 46, 47), второй вход которого соединен с выходом усилителя 41 второй промежуточной частоты, и узкополосного фильтра 48 (49, 50, 51). К выходу первого узкополосного фильтра 48 последовательно подключены пятый перемножитель 52, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 49, пятый узкополосный фильтр 54 и первый фазометр 60. К выходу второго узкополосного фильтра 49 последовательно подключены первая линия 56 задержки, первый фазовый детектор 58, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 49, и второй фазометр 61. К выходу третьего узкополосного фильтра 50 последовательно подключены: шестой перемножитель 53, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра 51, шестой узкополосный фильтр 55 и третий фазометр 62. К выходу четвертого узкополосного фильтра 51 последовательно подключены вторая линия 57 задержки, второй фазовый детектор 59, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра 51, и четвертый фазометр 63. Вторые входы фазометров 60-63 соединены с выходом опорного генератора 65. Приемная антенна 23 измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны 24-27 пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель 64 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 65.

Система работает следующим образом.

В положении, показанном на фиг. 1, давление окружающей среды P₂ на мембрану 9 больше, чем атмосферное давление P₁ на мембрану 8. Мембрана 9 находится в поджатом, мембрана 8 в отжатом состоянии. Соответственно 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^o, то тогда наверху оказываются 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 разомкнута, 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 20 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 обнаружить источник света затруднительно.

Радиоизлучение является всепогодным и обеспечивает передачу сигнала бедствия на большие расстояния. При этом сигнал бедствия (SOS) излучается периодически с определенным периодом Т_п длительностью Т_с на определенной частоте W_с, которая отводится специально для передачи сигнала бедствия и не занимается для передачи другой информации.

Приемная аппаратура размещается на борту вертолета. Вертолеты в настоящее время применяются для решения широкого круга задач, таких как медико-эвакуационные операции, спасательные работы при ликвидации аварий, поиск потерпевших бедствие, противопожарное патрулирование, контроль автострад с целью пеленгации угнанных транспортных средств, контроль за маршрутом следования специальных машин, перевозящих в пределах населенных пунктов опасные грузы (например, горючие, взрывчатые вещества и т.п.), определение местоположения источников экологического и стихийного бедствий, обеспечение деятельности морских нефтяных промыслов, геологоразведка и другие. Это возможно благодаря их преимуществам по сравнению с самолетами взлетать и садиться на площадки малооборудованные и ограниченные по размерам.

Наличие вращающегося винта вертолета может быть использовано для определения направления на источник излучения сигнала бедствия (радиодатчик PD) с помощью устройства, антенны которого расположены на концах лопастей несущего винта.

Измерив углы направления на источник излучения сигнала бедствия α,β и зная высоту h полета вертолета, можно определить местоположение указанного источника (человека, терпящего бедствие на воде).

Принимаемые сигналы бедствия: U₁(t) = Vc•Cos[(Wc±ΔW)t+ϕc]; U₂(t) = Vc•Cos[(Wc±ΔW)t+ϕc+2πR/λ•Cos(Ω-α)]; U₃(t) = Vc•Cos[(Wc±ΔW)t+ϕc-2πR/λ•Cos(Ω-α)]; U₄(t) = Vc•Cos[(Wc±ΔW)t+ϕc+2πR/λ•Cos(Ω-β)]; где V_c, W_c, ϕc, T_c - амплитуда, частота, начальная фаза и длительность сигналов бедствия; ΔW - нестабильность несущей частоты сигнала бедствия, обусловленная различными дестабилизирующими факторами; R - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 24-27; Ω = 2πF - скорость вращения приемных антенн 24-27 вокруг приемной антенны 23 (скорость вращения винта вертолета);
α - пеленг на источник излучения сигнала бедствия;
β - угол места источника излучения сигнала бедствия, с выходов приемных антенн 23-27 поступают на первые входы смесителей 29-33, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 28
Uг₁(t) = Vг₁•Cos(Wг₁t+ϕг₁).
Знаки "+" и "-" перед величинами 2πR/λ•Cos(Ω-α) и 2πR/λ•Cos(Ω-β) соответствуют диаметрально противоположным расположением антенн 24 и 25, 26 и 27 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 23, размещенной над втулкой винта вертолета. На выходе смесителей 29-33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 34-38 выделяются напряжения первой промежуточной частоты:
Uпр₁(t) = Vпр₁•Cos[(Wпр₁±ΔW)t+ϕпр₁];




где Uпр₁=1/2 K₁ U_c Vг₁;
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
Uпp₁ = Wс - Wг₁ - первая промежуточная частота;
ϕпр₁= ϕc+ϕг₁.

Напряжение Uпp₁ (t) с выхода усилителя 34 первой промежуточной частоты поступает на первый вход смесителя 40, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 39.

Uг₂(t) = Vг₂•Cos(Wг₂t+ϕг₂).
На выходе смесителя 40 образуются напряжения комбинированных частот. Усилителем 41 выделяется напряжение второй промежуточной частоты.

где Uпp₂ = 1/2 K₁ Vпp₁ Vг₂:
Wпp₂ = Wпp₁ - Wг₂ - вторая промежуточная частота;
ϕпр₂= ϕпр₁+ϕг₂,
которое поступает на второй вход перемножителей 44-47, на первый вход которых подаются напряжения Uпp₂-Uпp₅(t). На выходе перемножителей образуются напряжения:
U₆(t) = V₆•Cos[(Wг₂t+ϕг₂+2πR/λ•Cos(Ω-α)];
U₇(t) = V₆•Cos[(Wг₂t+ϕг₂-2πR/λ•Cos(Ω-α)];
U₈(t) = V₆•Cos[(Wг₂t+ϕг₂+2πR/λ•Cos(Ω-β)];

где V₆ = 1/2 K₂ Vпp₁ Vпp₂;
K₂ - коэффициент передачи перемножителей, которые выделяются узкополосными фильтрами 48-51.

Следовательно, полезная информация об углах α и β переносится на стабильную частоту Wг₂ второго гетеродина 39. Поэтому нестабильность несущей частоты принимаемых сигналов бедствия, вызванная различными дестабилизирующими факторами, не влияет на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения источника радиоизлучений.

Причем величина Δϕm = 2πR/λ•,
входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы вращающихся антенн 24-27 относительно фазы 23. Пеленгатор тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер баз R/λ.Однако с ростом R/λ уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разность фаз превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета.

Следовательно, при R/λ < 1/2 наступает неоднозначность отсчета углов α и β. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения R/ часто не удается из-за конструктивных соображений.

Напряжение Uпp₆(t) с выхода усилителя 41 второй промежуточной частоты одновременно поступает после детектирования в амплитудном детекторе 42 на вход блока 43 регистрации и тем самым фиксирует обнаружение источника радиоизлучения (человека, терпящего бедствие на воде).

Для повышения точности пеленгации радиодатчика PD в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (угломестной) плоскостях приемные антенны 24 и 25, 26 и 27 располагаются на концах четырех противоположных лопастей несущего винта вертолета. Смещение сигналов от четырех диаметрально противоположных приемных антенн 24 и 25, 26 и 27, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, которая идентична фазовой модуляции, получаемой с помощью двух приемных антенн, вращающихся по кругу, радиус R₁ которых в два раза больше (R₁ = 2R).

Действительно, на выходе перемножителей 52 и 53 образуются гармонические напряжения:
U₁₀(t) = V₁₀•Cos(Ω-α);
U₁₁(t) = V₁₀•Cos(Ω-β)]; 0 ≤ t ≤ Tc,
где V₁₀ = 1/2 K₂ V₆ ²;
с индексом фазовой модуляции Δϕm₁= 2πR₁/λ(R₁= 2R). которые выделяются узкополосными фильтрами 54 и 55 соответственно и поступают на первый вход фазометров 60 и 62, на второй вход которых подается напряжение опорного генератора 65.

U₆(t) = V₆•CosΩt.

Фазометры 60 и 62 обеспечивают точное измерение угловых координат α и β
Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ.

Это достигается использованием двух автокорреляторов, каждый из которых состоит из линии задержки 56 (57) и фазового детектора 58 (59), что эквивалентно уменьшению индекса фазовой до величины Δϕm₂= 2πd₁/λ , где d_1. < R.

На выходе автокорреляторов образуются напряжения:
U₁₂(t) = V₁₂•Cos(Ω-α);
U₁₃(t) = V₁₂•Cos(Ω-β), 0 ≤ t ≤ Tc,
где V₁₂ = 1/2 К₃ V₆ ²;
К₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;
с индексом фазовой модуляции Δϕm₂= 2πd₁/λ, которые поступают на первый вход фазометров 61 и 63, на второй вход которых подается напряжение U₀(t) с выхода опорного генератора 65. Фазометры 61 и 63 обеспечивают однозначное измерение угловых координат α и β. По существу фазометры представляют собой две шкалы измерений. Фазометры 60 и 62 представляют собой точные, но неоднозначные шкалы измерений угловых координат α и β а фазометры 61 и 63 - грубые, но однозначные шкалы измерений угловых координат α и β.

Зная высоту h полета вертолета и измерив угловые координаты α и β, можно точно и однозначно определить местонахождение источника излучения сигнала бедствия (человека, терпящего бедствие на воде).

Бортовая аппаратура, установленная на вертолете, инвариантна к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, так как пеленгация источника излучения сигнала бедствия осуществляется на стабильной частоте Wг₂ второго гетеродина 39. Бортовая аппаратура также инвариантна к виду модуляции принимаемых сигналов, если сигналы бедствия имеют модуляцию (манипуляцию) одного из параметров.

Таким образом, предлагаемая система обеспечивает повышение надежности обнаружения человека, терпящего бедствие на воде, и определения его местоположения путем использования радиоизлучателя и вертолета. Для пеленгации источника излучения сигнала бедствия используется дифференциально-фазовый метод, который реализуется на борту вертолета. При этом приемные антенны 24-27 размещаются на концах четырех противоположных лопастей винта вертолета и вращающихся вокруг приемной антенны 23, размещенной над втулкой винта вертолета. Для повышения точности пеленгации радиоизлучателя (радиодатчика) приемные антенны размещаются на диаметрально противоположных концах лопастей винта вертолета. А возникающая при этом неоднозначность пеленгации устраняется автокорреляционной обработкой принимаемых сигналов. Измеряются угловые координаты α и β с помощью четырех фазометров 60 - 63. При этом фазометры 60 и 62 образуют точные, но неоднозначные шкалы измерений угловых координат α и β соответственно, а фазометры 61 и 63 образуют грубые, но однозначные шкалы измерений угловых координат α и β соответственно.

Местоположение источника излучения сигнала бедствия (радиодатчика) осуществляется с использованием измеренных значений азимута α, угла шесть β и высоты h полета вертолета.

Формула изобретения

Система для обнаружения и определения местоположения человека, терпящего бедствие на воде, включающая спасательный жилет, одетый на человека и содержащий два источника света, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, источник тока, два размыкателя электрической цепи и 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 заспинной его области, 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, отличающаяся тем, что она снабжена двумя миниатюрными передатчиками с передающими антеннами, один из которых расположен в грудной области спасательного жилета, а другой - в заспинной его области, и аппаратурой, установленной на борту вертолета и состоящей из одного измерительного и четырех пеленгационных каналов, причем измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, шестого смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, амплитудного детектора и блока регистрации, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и узкополосного фильтра, при этом к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, пятый узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены первая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, приемная антенна измерительного канала размещена над втулкой винта вертолета, приемные антенны пеленгационных каналов размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4