Экологический дирижабль

Изобретение относится к летательным управляемым аппаратам легче воздуха, поддерживаемым в атмосфере статическим давлением воздуха, а при принудительном движении - также и аэродинамической подъемной силой, которая позволяет при помощи горизонтальных и вертикальных рулей менять высоту и направление полета. Предложенный дирижабль предназначен для ведения дистанционного экологического мониторинга линейно-протяженных техногенных транспортно-коммуникационных сооружений: магистральных и межпромысловых нефте-, газо- и продуктопроводов, а также железнодорожных и автомобильных магистралей, линий электропередач и других объектов, в том числе природных. Аппаратура оперативной двухсторонней связи, размещенная как на дирижабле, так и в исследовательском центре, содержит приемную антенну, приемник GPS-сигналов, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, контроллер, задающий генератор, фазовый манипулятор, два гетеродина, два смесителя, усилитель первой промежуточной частоты, два усилителя мощности, антенный переключатель, приемопередающую антенну, усилитель второй промежуточной частоты, фазовый детектор и блок регистрации. За счет использования для связи между дирижаблем и исследовательским центром двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией повышаются надежность и достоверность обмена дискретной информацией. 5 ил.

 

Экологический дирижабль является летательным управляемым аппаратом, который относится к воздушным судам легче воздуха и поддерживаемым в атмосфере статическим давлением воздуха, а при принудительном движении - также и аэродинамической подъемной силой, которая позволяет при помощи горизонтальных и вертикальных рулей менять высоту и направление полета. Он предназначен для ведения дистанционного экологического мониторинга линейно-протяженных техногенных транспортно-коммуникационных сооружений: магистральных и межпромысловых нефте-, газо- и продуктопроводов, а также железнодорожных и автомобильных магистралей, линий электропередач и других объектов, в том числе природных.

Известны дирижабли (заявки РФ №№93018879, 93029118, 94025125; патент РФ №2185999; патент США №4089492; патент Германии №1962151; патент ЕР №771729 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Экологический дирижабль» (патент РФ №2185999, В 64 В 1/06, 2000), который и выбран в качестве базового объекта.

Известный дирижабль содержит корпус с несколькими отсеками, заполняемыми несущим газом легче воздуха, подвесную гондолу с двигателями и топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей. Дирижабль оснащен приборами дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, откидными и выносными пробоотборниками воздуха, воды и почв, устройствами посадки на неподготовленные участки Земли и водную поверхность, аппаратурой точной координатной привязки, аппаратурой оперативной двухсторонней связи. Дирижабль может быть снабжен солнечными батареями и/или энергетической установкой в виде компактного ядерного реактора.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и достоверности обмена дискретной информацией между экологическим дирижаблем и исследовательским центром путем использования двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что в дирижабле, содержащем корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени, аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском центре выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, контроллера, второй вход которого соединен с выходом приборов дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, антенного переключателя, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, и блока регистрации.

Структурная схема аппаратуры, размещенной на дирижабле, представлена на фиг.1, структурная схема аппаратуры, размещенной на каждом воздушном, космическом, наземном, морском и речном исследовательском центре, представлена на фиг.2. Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов, показана на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы аппаратуры, изображены на фиг.4 и 5.

Аппаратура, размещенная на дирижабле (исследовательском центре), содержит последовательно включенные приемную антенну 1(19), приемник 2(20) GPS-сигналов, контроллер 4(22), второй вход которого соединен с выходом приборов 3(21) дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазовый манипулятор 6(24), второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 5(23), первый смеситель 8(26), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7(25), усилитель 9(27) первой промежуточной частоты, первый усилитель 10(28) мощности, антенный переключатель 11(29), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 12(30), второй усилитель 13(31) мощности, второй смеситель 15(33), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 14(32), усилитель 16(34) второй промежуточной частоты, фазовый детектор 17(35), второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 5(23), и блок 18(36) регистрации.

Примером конкретного исполнения дирижабля является дирижабль, у которого жесткий каркас обтянут мягкой оболочкой с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха (водород, гелий, метан, пары воды). Система управления имеет горизонтальные и вертикальные рули. Подвесная гондола снабжена двигателем и топливными баками, а также кабиной управления, салонами для экипажа и операторов-наблюдателей. Имеется рабочий технический отсек с приборами наблюдения и бортовой химической экспресс-лабораторией.

Оптимальные диапазоны параметров его таковы. Объем корпуса 2000-10000 м³. Длина дирижабля 25-50 м, а его наибольший диаметр 8-15 м. Число газовых отсеков 5-10 штук. Подъемная сила достигает 1.6-8 т. Масса воздушного корабля 1.2-5 т. Чистая подъемная сила составляет 0.4-3 т.

Особенно эффективен дирижабль для осуществления экологического патрулирования протяженных объектов: нефте-, газо-, продуктопроводов, транспортных магистралей, в том числе железнодорожных, автомобильных и водных. Его осуществимость подтверждается тем, что дирижабли широко демонстрируются на международных авиационных выставках, а оснащение его экологической аппаратурой не представляет собой технической сложности.

Аппаратура оперативной двухсторонней связи работает следующим образом.

Приемник 2 GPS-сигналов с приемной антенной 1 обеспечивает прием сигналов глобальной навигационной системы GPS(Global Positioning System), известной так же, как Navstar. В состав данной системы входят космический сегмент, состоящий из 24 КА, сеть наземных станций наблюдения за их работой и пользовательский сегмент (навигационные приемники GPS-сигналов). Информация о местонахождении дирижабля с выхода приемника 2 GPS-сигналов поступает на первый вход контроллера 4, на второй вход которого подается информация с выхода приборов 3 дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом.

Контроллер 4 формирует модулирующий код М₁(t), содержащий информацию о местонахождении дирижабля и о результатах дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы (фиг.4, б). Указанный код поступает на первый вход фазового манипулятора 6, на второй вход которого с первого выхода задающего генератора 5 подается высокочастотное колебание (фиг.4, а)

где U_c1, w_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 6 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.4, в)

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М₁(t), причем ϕ_к1(t)=const при кτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2,..., N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c1(Т_c1=N·τ_э),

который поступает на первый вход первого смесителя 8, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 7

На выходе смесителя 8 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 9 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты (фиг.4, г)

где

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

w_пр1=w_c+w_Г1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕ_пр1=ϕ_с+ϕ_Г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 10 мощности через антенный переключатель 11 излучается приемопередающей антенной 12 в эфир на частоте w₁=w_пр1, улавливается приемопередающей антенной 30 и через антенный переключатель 29 и усилитель 31 мощности поступает на первый вход смесителя 33. На второй вход смесителя 33 подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 32. На выходе смесителя 33 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 34 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, д)

где

w_пр2=w_пр1-w_Г1=w_с - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_пр1-ϕ_Г1=ϕ_с,

которое поступает на первый вход фазового детектора 35. На второй вход последнего со второго выхода задающего генератора 23 подается в качестве опорного напряжения высокочастотное колебание u_c(t).

На выходе фазового детектора 35 образуется низкочастотное напряжение (фиг.4, е)

где

K₂ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное модулирующему коду М₁(t) (фиг.4, б). Это напряжение регистрируется блоком 36 регистрации.

При передаче сообщений с исследовательского центра с помощью задающего генератора 23 формируется высокочастотное колебание (фиг.5, а)

которое поступает на второй вход фазового манипулятора 24. На первый вход последнего подается модулирующий код М₂(t) (фиг.5, б) с выхода контроллера 22. Модулирующий код М₂(t) содержит сведения о местоположении исследовательского центра и результаты дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы. На выходе фазового манипулятора 24 формируется сложный ФМн-сигнал (фиг.5, в)

который поступает на первый вход смесителя 26, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 25

На выходе смесителя 26 образуется напряжения комбинационных частот. Усилителем 27 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.5, г)

где

w_пр=w_Г2-w_с=w₂ - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_Г2-ϕ_с.

Это напряжение после усиления в усилителе 28 мощности через антенный переключатель 29 излучается приемопередающей антенной 30 в эфир на частоте w₂=w_пр, улавливается приемопередающей антенной 12 и через антенный переключатель 11 и усилитель 13 мощности поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение u_Г2(t) гетеродина 14. На выходе смесителя 15 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 16 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты (фиг.5, д)

где

w_пр2=w_Г2-w_пр - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр3=ϕ_Г2-ϕ_пр,

которое поступает на первый вход фазового детектора 17. На второй вход фазового детектора 17 подается напряжение u_c1(t) со второго выхода задающего генератора 5. На выходе фазового детектора 17 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, е)

где

которое фиксируется блоком 18 регистрации.

Таким образом, предлагаемый дирижабль по сравнению с базовым объектом и другими техническими решения аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности и достоверности обмена дискретной информацией между экологическим дирижаблем и исследовательским центром. Это достигается использованием двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию.

С точки зрения обнаружения сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного 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 сигналов с фазовой манипуляцией обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Дирижабль, содержащий корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени, отличающийся тем, что аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и в каждом исследовательском центре выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, контроллера, второй вход которого соединен с выходом приборов дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, антенного переключателя, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого соединен с вторым выходом задающего генератора, и блока регистрации.