Система мониторинга состояния льда и окружающей среды

Изобретение относится к области автоматизированного мониторинга состояния льда и окружающей среды с одновременным определением координат собственного местонахождения комплекса и передачей полученной информации по радиоканалу. Измерительно-навигационный комплекс содержит корпус 1, приемник 3 GPS-сигналов, блок 2.1 управления, блок 4 определения состояния атмосферы, блок 5 определения толщины ледового покрова, блок 6 определения состояния аккумуляторной батареи, блок 7 электропитания и приемопередающее устройство, которое выполнено в виде первой радиостанции 8.1. Стационарный пост мониторинга (СПМ) выполнен в виде второй радиостанции 8.2. Каждая радиостанция 8.1 (8.2) содержит блок 2.1 (2.2) управления, синхронизатор 16.1 (16.2), генератор 17.1 (17.2) ПСП, синтезатор 18.1 (18.2) несущих частот, фазовый манипулятор 19.1 (19.2), синтезатор 20.1 (20.2) частот первого гетеродина, первый смеситель 21.1 (21.2), усилитель 22.1 (22.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 23.1 (23.2) мощности, дуплексер 24.1 (24.2), приемопередающую антенну 25.1 (25.2), второй усилитель 26.1 (26.2) мощности, синтезатор 27.1 (27.2) частот второго гетеродина, второй смеситель 28.1 (28.2), усилитель 29.1 (29.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 30.1 (30.2), полосовой фильтр 31.1 (31.2), фазовый детектор 32.1 (32.2). Приемник 3 GPS-сигналов содержит приемную антенну 9, усилитель 10 мощности, смеситель 11, усилитель 12 второй промежуточной частоты, перемножитель 13, полосовой фильтр 14 и фазовый детектор 15. Технический результат - повышение надежности обмена радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом. Система мониторинга состояния льда и окружающей среды содержит измерительно-навигационный комплекс (ИНК), устанавливаемый на дрейфующий лед, стационарный пост мониторинга (СПМ), GPS-спутники и ИСЗ-ретранслятор S. 5 ил.

 

Предлагаемая система относится к области автоматизированного мониторинга состояния льда и окружающей среды с одновременным определением координат собственного местонахождения комплекса и передачей полученной информации по радиоканалу и может быть использована в качестве средства мониторинга окружающей среды в зоне движения льда для безопасной проводки судов по северному морскому пути и обеспечения безопасности объектов нефтегазопромысловой и гидротехнической инфраструктуры на шельфе и в прибрежной зоне в ледовых морях и в условиях ледяного покрова, в том числе дрейфующего.

Известны системы мониторинга состояния льда и окружающей среды (авт. свид. СССР №№ 1.151.107, 1.341.594, 1.376.769, 1.788.487, 1.840.717; патенты РФ №№ 2.080.620, 2.137.153, 2.251.128, 2.319.205, 2.384.861, 2.404.442, 2.425.400, 2.486.471, 2.487.365, 2.500.031; патенты США №№ 4.231.039, 4.527.160, 4.608.568, 6.204.813; патенты Великобритании №№ 1.494.582, 1.499.388, 2.122.834; патенты Франции №№ 2.384.268, 2.592.959; патенты Германии №№ 2.800.074, 2.802.918; Экспедиционная деятельность в рамках международного полярного года/Сборник статей. - Т. 1: Экспедиции 2007 года/под ред. А. И. Данилова. - СПб: ААНИИ. - 2008, с. 1 - 234 и другие).

Из известных систем мониторинга состояния льда и окружающей среды наиболее близким к предлагаемой является «Измерительно-навигационный комплекс, устанавливаемый на лед» (патент РФ № 2.486.471, G01C 21/00, 2011), который и выбран в качестве прототипа.

Известный комплекс включает установленные в едином термостатируемом корпусе блок управления, блок определения координат по системе спутниковой навигации, блок определения состояния атмосферы, подключенные к приемо-передающему устройству. Помимо этого, комплекс включает блок электропитания, подключенный к энергопотребляющим блокам. Причем блок управления выполнен с возможностью включения блоков определения координат по системе спутниковой навигации, определения толщины ледяного покрова и определения состояния атмосферы, а также приемопередающего устройства по получению управляющего сигнала и передаче телеметрии состояния бортовых систем комплекса.

Известный комплекс обеспечивает обмен радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом, устанавливаемым на лед, и стационарным постом мониторинга.

Однако, в условиях северных ледовых морей, многолучевого распространения радиоволн, организованных и непреднамеренных помех, а также на значительных расстояниях надежный обмен радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом, устанавливаемым на дрейфующий лед, и стационарным постом мониторинга вызывает технические трудности.

В определенной мере проблема надежного обмена радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом и стационарным постом мониторинга в условиях северных ледовых морей, многолучевого распространения радиоволн, организованных и непреднамеренных помех, может быть решена путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ).

Технической задачей изобретения является повышение надежности обмена радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом, устанавливаемым на дрейфующий лед, и стационарным постом мониторинга в условиях северных ледовых морей, многолучевого распространения радиоволн, организованных и непреднамеренных помех путем использования геостационарного ИСЗ-ретранслятора сложных и сигналов с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты.

Поставленная задача решается тем, что система мониторинга состояния льда и окружающей среды, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, измерительный навигационный комплекс, устанавливаемый на лед и характеризуемый наличием установленных в едином термостатируемом корпусе блока управления, блока определения координат по системе спутниковой навигации, блока определения состояния атмосферы, подключенных к приемопередающему устройству, а также блока электропитания, подключенного к энергопотребляющим блокам, и стационарный пост мониторинга, причем блок управления выполнен с возможностью включения блоков определения координат по системе спутниковой навигации, определения толщины ледового покрова и определения состояния атмосферы, а также приемопередающего устройства по получению управляющего сигнала и передаче телеметрии состояния бортовых систем комплекса, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена геостационарным ИСЗ-ретранслятором, причем приемопередающее устройство выполнено в виде первой радиостанции, а стационарный пост мониторинга выполнен в виде второй радиостанции, каждая радиостанция содержит последовательно подключенные к первому выходу блока управления синхронизатор, генератор псевдослучайной последовательности, синтезатор несущих частот, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, а выход подключен к первому входу блока управления, частоты ω_г1i и ω_г2i синтезаторов частот первого и второго гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

ω_г2i-ω_г1i=ω_пр2i,

где i=1, 2, …, М, М - число используемых несущих частот,

первая радиостанция излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты на частотах ω_1i=ω_пр1i=ω_г2i, а принимает - на частотах ω_2i=ω_пр3i=ω_г1i, а вторая радиостанция, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты на частотах ω_2i, а принимает - на частотах ω_1i, где ω_пр1i и ω_пр3i - первая и третья промежуточные частоты, блок определения координат по системе спутниковой навигации выполнен в виде приемника GPS-сигналов, состоящим из последовательно включенных приемной антенны, усилителя мощности, смесителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, а выход подключен ко второму входу блока управления.

Геометрическая схема расположения измерительно-навигационного комплекса (ИНК), устанавливаемого на дрейфующий лед, спутников навигационной системы GPS и ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг. 1, где введены следующие обозначения: О - центр масс Земли, r - радиус-вектор ИСЗ-ретранслятора S, размещенного на геостационарной орбите. Частотная диаграмма, поясняющая преобразование сигналов, показана на фиг. 2. Структурная схема ИНК представлена на фиг. 3. Структурная схема стационарного поста мониторинга (СПМ) представлена на фиг. 4. Фрагмент частотно-временной матрицы используемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) приведен на фиг. 5.

Измерительно-навигационный комплекс (ИНК), устанавливаемый на дрейфующий лед, содержит установленные в едином термостатируемом корпусе 1 блок 2.1 управления, блок 3 определения координат по системе спутниковой навигации, блок 4 определения состояния атмосферы, блок 5 определения толщины ледового покрова, блок 6 определения состояния аккумуляторной батареи, блок 7 электропитания и приемопередающее устройство, которое выполнено в виде первой радиостанции 8.1. Стационарный пост мониторинга (СПМ) выполнен в виде второй радиостанции 8.2.

Каждая радиостанция содержит последовательно подключенные к первому выходу блока 2.1 (2.2) управления, синхронизатор 16.1 (16.2), генератор 17.1 (17.2) псевдослучайной последовательности (ПСП), синтезатор 18.1 (18.2) несущих частот, фазовый манипулятор 19.1 (19.2), второй вход которого соединен со вторым выходом блока 2.1 (2.2) управления, первый смеситель 21.1 (21.2), второй вход которого через синтезатор 20.1 (20.2) частот первого гетеродина соединен с выходом генератора 17.1 (17.2) ПСП, усилитель 22.1 (22.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 23.1 (23.2) мощности, дуплексер 24.1 (24.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 25.1 (25.2), второй усилитель 26.1 (26.2) мощности, второй смеситель 28.1 (28.2), второй вход которого через синтезатор 27.1 (27.2) частот второго гетеродина соединен с выходом генератора 17.1 (17.2) ПСП, усилитель 29.1 (29.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 30.1 (30.2), второй вход которого соединен с выходом синтезатора 20.1 (20.2) частот первого гетеродина, полосовой фильтр 31.1 (31.2) и фазовый детектор 32.1 (32.2), второй вход которого соединен с выходом синтезатора 27.1 (27.2) частот второго гетеродина, а выход подключен ко второму входу блока 2.1 (2.2) управления. Блок 2.1 управления связан с блоками 4 определения состояния атмосферы, блоком 5 определения толщины ледяного покрова, блоком 6 определения состояния аккумуляторной батареи.

Блок 3 определения координат по системе спутниковой навигации выполнен в виде приемника GPS-сигналов, который состоит из последовательно включенных приемной антенны 9, усилителя 10 мощности, смесителя 11, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 27.1 частот второго гетеродина, усилителя 12 второй промежуточной частоты, перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 27.1 частот второго гетеродина, полосовой фильтр 14 и фазовый детектор 15, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 20.1 частот первого гетеродина, а выход подключен ко второму входу блока 2.1 управления. Блок 2.1 управления может быть выполнен на базе микропроцессора. В качестве блока 4 определения состояния атмосферы может быть использован измерительный блок метеозонда, который выполнен с возможностью определения скорости ветра, температуры и влажности воздуха. В качестве блока 7 электропитания может быть использована аккумуляторная батарея, предпочтительно выполненная с возможностью подзарядки. Блок 6 определения состояния аккумуляторной батареи 7 обеспечивает передачу информации об ее состоянии на стационарный пост мониторинга с помощью радиостанции 8.1.

Корпус 1 комплекса преимущественно выполнен с возможностью установки с борта летательного аппарата или плавсредства. Он выполнен со смещенным центром тяжести, что обеспечивает вертикальное фиксирование комплекса на льдине. Корпус может содержать вплавляемую в лед, за счет действия аккумуляторной батареи, якорную систему. Якорная система может быть выполнена в виде штанги, вплавляемой в лед. В этом случае штанга может быть использована в качестве средства измерения толщины льда. Кроме того, на штанге может быть закреплен один из элементов термопары (второй элемент расположен над поверхностью льда), при этом генерированный термопарой электрический заряд поступает в аккумуляторную батарею. Также для подзарядки аккумуляторной батареи может быть использован ветрогенератор, закрепленный на выдвигаемой мачте в верхней части корпуса. Мачта может быть также использована в качестве антенны приемопередающих устройств.

Каждый используемый комплекс имеет свой индивидуальный код (идентификационный номер - ID), который приведен во всех радиограммах, отправляемых комплексом.

Используемый комплекс обеспечивает выполнение следующих функций:

- прием сигналов от навигационных спутниковых группировок;

- передача в эфир (по каналам спутниковой связи) собираемых данных в режиме онлайн (в заданное время);

- о собственной координате в настоящее время;

- о толщине льда, на котором он находится в текущее время;

- о скорости ветра, давлении и влажности воздуха, температуре (по необходимости).

Установка и использование комплексов на заданном расстоянии обеспечивает возможность создания сети информационных комплексов в системе контроля движения льда и его состояния для безопасной проводки судов по северному морскому пути и обеспечения безопасности объектов нефтегазопромысловой и гидротехнической инфраструктуры на шельфе и в прибрежной зоне в ледовитых морях и в условиях ледяного покрова, в том числе дрейфующего.

Предлагаемая система мониторинга состояния льда и окружающей среды работает следующим образом.

Сформированный комплекс с заряженной аккумуляторной батареей с борта вертолета сбрасывают на лед. За счет использования конструкции корпуса («ванька-встанька») корпус 1 ориентирован тяжелой нижней частью в сторону ледового покрова акватории. После контакта со льдом по управляющему сигналу блока 2.1 управления из корпуса 1 выделяется якорная система и вплавляется за счет разогрева от аккумуляторной батареи в поверхность льда. После закрепления корпуса в ледовой поверхности из корпуса поднимается мачта с ветрогенератором и датчиками температуры и влажности воздуха, а также скорости ветра. Одновременно с использованием системы спутниковой навигации происходит определение географических координат нахождения комплекса.

Каждый GPS-спутник излучает на частоте ω₂=1575 МГц специальный навигационный сигнал в виде бинарного фазоманипулированного (ФМн) сигнала, манипулированного по фазе псевдослучайной последовательностью длиной 1023 символа

где ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с ПСП длительностью N=1023.

Данный сигнал принимается антенной 9 и через усилитель 10 мощности поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подается напряжение синтезатора 27.1 частот второго гетеродина

где i=1, 2, ,М,

М - число частотных каналов.

На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение второй промежуточной частоты

где

ω_пр2i=ω_г2i-ω₂ - вторая промежуточная частота;

ϕ_пр2i=ϕ₂-ϕ_г2i,

которое поступает на первый вход перемножителя 13. На второй вход последнего подается напряжение u_г2i(t) синтезатора 27.1 частот второго гетеродина. На выходе перемножителя 13 образуется напряжение

где

которое представляет собой сложный ФМн сигнал на частоте ω_г1i синтезатора 20.1 частот первого гетеродина, выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 15. На второй (опорный) вход фазового детектора 15 в качестве опорного напряжения подается напряжение синтезатора 20.1 частот первого гетеродина

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 15 образуется низкочастотное напряжение

где

которое поступает на первый вход блока 2.1 управления, где определяется местоположение ИНК, установленного на дрейфующий лед (широта, долгота). Для этого достаточно присутствие в зоне радиовидимости трех спутников.

Полученная в блоке 2.1 управления информация о географических координатах ИНК, толщине льда, скорости ветра, давления и влажности воздуха, состоянии аккумуляторной батареи переводится в модулирующий числовой код M₁(t) и посредством радиостанции 8.1 передается на стационарный пост мониторинга. Для этого с помощью блока 2.1 управления включается синхронизатор 16.1 и генератор 17.1 ПСП, который, в свою очередь, управляет работой синтезатора 18.1 несущих частот, синтезатора 20.1 частот первого гетеродина и синтезатора 27.1 частот второго гетеродина.

На выходе синтезатора 18.1 несущих частот последовательно во времени формируется сетка высокочастотных колебаний различных несущих частот:

где U_i, ω_i, ϕ_i, Т_c - амплитуды, несущие частоты, начальные фазы и длительность сигналов;

i = 1, 2, …,М,

М - число используемых несущих частот (число частотных каналов) (фиг. 5);

М=Δω_c/Δω₁,

Δω_c - ширина полосы частот расширенного спектра используемого сигнала;

Δω₁ - ширина полосы одного частотного канала;

t_c - временной интервал между переключениями частот, характеризует собой время работы на одной несущей частоте.

В зависимости от соотношения времени работы на одной частоте t_c и длительности информационных символов τ_э псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) может быть разделена: на межсимвольную, посимвольную и внутрисимвольную. При межсимвольной ППРЧ n информационных символов (n≥2) передаются на одной частоте, при этом t_c=n⋅τ_э.

В качестве примера на фиг. 5 показан фрагмент частотно-временной матрицы сложного ФМн_н сигнала с ППРЧ. При этом n выбрано равным 4(t_с=4⋅τ_э), квадратами с различной наклонной штриховкой обозначены различные информационные символы с различными фазами (0, π).

Сформированные высокочастотные колебания u_i(t) последовательно во времени поступают на первый вход фазового манипулятора 19.1, на второй вход которого подается со второго выхода блока 2.1 управления модулирующий код M₁(t).

На выходе фазового манипулятора 19.1 формируется сложный ФМн сигнал

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), причем ϕ_к1(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=k⋅τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N-1); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_c(Т_c=N⋅τ_э), который поступает на первый вход смесителя 21.1. На второй вход смесителя 21.1 с выхода синтезатора 20.1 частот первого гетеродина последовательно во времени подаются напряжения:

которые формируются последовательно во времени с помощью генератора 17.1 ПСП.

На выходе смесителя 21.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.1 выделяются напряжения только первой промежуточной (суммарной) частоты

где

ω_пр1i=ω_i+ω_г1i - первая промежуточная (суммарная) частота (фиг. 2);

ϕ_пр1i=ϕ_i+ϕ_г1i,

которые после усиления в усилителе 23.1 мощности через дуплексер 24.1 поступают в приемопередающую антенну 25.1, излучаются ею в эфир в направлении ИСЗ-ретранслятора, переизлучаются им на этой же частоте с сохранением фазовых соотношений, принимаются приемопередающей антенной 25.2 стационарного поста мониторинга и через дуплексер 24.2 и усилитель 26.2 мощности поступают на первый вход смесителя 28.2, на второй вход которого подаются напряжения u_г1i(t) синтезатора 27.2 частот первого гетеродина (i=1, 2, …, М). На выходе смесителя 28.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.1 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты

где

ω_пр2i=ω_пр1i-ω_г1i - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2i=ϕ_пр1i-ϕ_г1i,

которые поступают на первый вход перемножителя 30.2. На второй вход перемножителя 30.2 подаются напряжения синтезатора 20.2 частот первого гетеродина:

На выходе перемножителя 30.2 образуются напряжения

где

ω_г1i=ω_пр

которые выделяются полосовым фильтром 31.2 и поступают на первый (информационный) вход фазового детектора 32.2. На второй (опорный) вход фазового детектора 32.2 подаются напряжения u_г1i(t) синтезатора 27.2 частот второго гетеродина. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.2 образуются низкочастотные напряжения

где

которые поступают на вход блока 2.2 управления.

В последующем периодически по программе, заложенной в блок 2.1 управления, или по управляющему сигналу от стационарного поста мониторинга повторяют операцию измерения параметров. Для передачи соответствующих команд в блоке 2.2 управления формируется модулирующий код M₂(t), который поступает на второй вход фазового манипулятора 19.2. На первый вход последнего подаются высокочастотные колебания с выхода синхронизатора 18.2 несущих частот, управляемого генератором 17.2 ПСП, к управляющему входу которого подключен синхронизатор 16.2

На выходе фазового манипулятора 19.2 формируются сложные ФМн сигналы

где ϕ_к2(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₂(t), которые поступают на первый вход смесителя 21.2. На второй вход смесителя 21.2 последовательно подаются напряжения u_г2i(t) синтезатора 20.2 частот первого гетеродина. На выходе смесителя 21.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.2 выделяются напряжения третьей промежуточной частоты

где

ω_пр3i=ω_г2i-ω_i=ω_2i - третья промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр3i=ϕ_г2i-ϕ_i,

которые после усиления в усилителе 23.2 мощности через дуплексер 24.2 поступают в приемопередающую антенну 25.2, излучаются ею в направление ИСЗ-ретранслятора на частоте ω_2i, переизлучаются бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора с сохранением фазовых соотношений, принимаются антенной 25.1 ИНК и через дуплексер 24.1 и усилитель 26.1 мощности поступают на первый вход смесителя 28.1, на второй вход которого подаются последовательно во времени напряжения u_г2i(t) синтезатора 27.1 частот второго гетеродина. На выходе смесителя 28.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.1 выделяются напряжения второй промежуточной частоты

где

ω_пр2i=ω_г2i-ω_2i - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_6i=ϕ_пр3i-ϕ_г2i,

которые поступают на первый вход перемножителя 30.1. На второй вход последнего подаются напряжения u_г2i(t) синтезатора 27.1 частот второго гетеродина. На выходе перемножителя 30.1 образуются напряжения

где

которые выделяются полосовым фильтром 31.1 и поступают на первый (информационный) вход фазового детектора 32.1. На второй (опорный) вход фазового детектора 32.1 подаются напряжения u_г1i(t) синтезатора 20.1 частот первого гетеродина в качестве опорных напряжений. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.1 образуются низкочастотные напряжения

где

пропорционально модулирующему коду M₂(t), которые поступают на второй вход блока 2.1 управления, где реализуются команды и рекомендации стационарного поста мониторинга.

В случае соответствия всех измеренных блоками 4, 5 и 6 параметров условиям нормальной эксплуатации измерительно-навигационного комплекса передача радиотелеметрической информации с борта ИНК на стационарный пост мониторинга происходит с заданной периодичностью (например, один раз в 60 минут).

При превышении хотя бы одного из измеренных параметров заданного уровня или отклонения места нахождения ИНК от планового места нахождения, период между передачами сокращается.

При возникновении аварийной ситуации дискретную информацию с борта ИНК передают непрерывно.

При возвращении контролируемых параметров к допустимым значениям, а также соответствие места нахождения ИНК плановому месту нахождения, период между передачами дискретной информации будет снова увеличен.

Режим передачи дискретной информации блоком 2.1 управления может быть также изменен решением стационарного поста мониторинга. Система подзарядки аккумуляторной батареи работает постоянно.

Таким образом, предлагаемая система мониторинга состояния льда и окружающей среды по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности обмена радиотелеметрической и командной информацией между измерительно-навигационным комплексом, установленным на дрейфующий лед, и стационарным постом мониторинга в условиях северных ледовых морей, многолучевого распространения радиоволн, организованных и непреднамеренных помех. Это достигается за счет использования геостационарного ИСЗ-ретранслятора и сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Основное достоинство дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор состоит в том, что он обеспечивает надежной дуплексной радиосвязью измерительно-навигационный комплекс и стационарный пост мониторинга, разнесенные на большие расстояния. В нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров бортового ретранслятора и типа используемых сигналов.

Рабочая частота используемых ФМн сигналов и частоты гетеродинов перестраиваемые в широких пределах в соответствии с псевдослучайными кодами, известными на измерительно-навигационном комплексе и стационарном посте мониторинга и неизвестными постановщику помех.

Стратегия борьбы с непреднамеренными и организованными помехами заключается в «уходе» сигналов дуплексной системы радиосвязи от воздействия помех путем псевдослучайной перестройки рабочей частоты и в «противоборстве» с ними путем фазовой манипуляции несущей частоты псевдослучайной последовательностью.

Поэтому при защите от помех важной характеристикой является фактическое время работы на одной частоте t_c. Чем меньше это время, тем выше вероятность того, что сигналы системы дуплексной радиосвязи с ППРЧ не будут подвержены воздействию организованных помех.

Помехоустойчивость системы дуплексной радиосвязи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор зависит не только от времени работы на одной частоте, но и от вида помех и их мощности, мощности полезного сигнала, структуры приемников.

Используемые сложные ФМн сигналы с ППРЧ обладают энергетической, структурной, информационной, временной и пространственной 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 с ППРЧ в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн 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 ФМн сигналов с ППРЧ обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов с ППРЧ и априорно неизвестной структурой с целью повышения чувствительности приемников.

Информационная скрытность определяется способностью противостоять мерам радиотехнической разведки, направленным на раскрытие смысла сообщений, которыми обмениваются измерительно-навигационный комплекс и стационарный пост мониторинга.

Временная скрытность системы дуплексной радиосвязи определяется ее временными режимами работы на излучение.

Пространственная скрытность системы дуплексной радиосвязи зависит от мощности сигнала, вида и параметров диаграмм направленности приемопередающих антенн.

Сложные ФМн сигналы с ППРЧ позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере зависит дальнейший прогресс средств дуплексной радиосвязи, следует отнести проблему установления надежной связи между ИНК и стационарным постом мониторинга при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого характера распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых сигналов.

Попытка преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложные ФМн сигналы с ППРЧ благодаря использованию нескольких несущих частот и своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность «свернутого» импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн сигналов с ППРЧ. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

Основной особенностью предлагаемой системы, создаваемой при использовании устанавливаемых на дрейфующий лед измерительно-навигационных комплексов, является возможность обеспечивать точный технический контроль состояния льда, его толщины, что позволяет при использовании специальных программных продуктов делать прогноз времени и качества формирования торосов, смещения льда и образования, непроходимых для ледокольного флота ледовых условий.

Использование разработанной системы позволяет обеспечить повышение уровня безопасной проводки судов во льдах и безопасность объектов нефтегазопромысловой и гидротехнической инфраструктуры на шельфе и в прибрежной зоне в ледовых морях и в условиях дрейфующего ледяного покрова.

Система мониторинга состояния льда и окружающей среды, содержащая измерительно-навигационный комплекс, устанавливаемый на лед и характеризуемый наличием установленных в едином термостатируемом корпусе блока управления, блока определения координат по системе спутниковой навигации, блока определения состояния атмосферы, подключенных к приемопередающему устройству, а также блока электропитания, подключенного к энергопотребляющим блокам, и стационарный пост мониторинга, причем блок управления выполнен с возможностью включения блоков определения координат по системе спутниковой навигации, определения толщины ледового покрова и определения состояния атмосферы, а также приемопередающего устройства по получению управляющего сигнала и передаче телеметрии состояния бортовых систем комплекса, отличающаяся тем, что она снабжена геостационарным ИСЗ-ретранслятором, причем приемопередающее устройство выполнено в виде первой радиостанции, а стационарный пост мониторинга в виде второй радиостанции, каждая радиостанция содержит последовательно подключенные к первому выходу блока управления синхронизатор, генератор псевдослучайной последовательности, синтезатор несущих частот, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления, первый смеситель, второй вход которого через синтезатор частот первого гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через синтезатор частот второго гетеродина соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, а выход подключен к первому входу блока управления, частоты ω_г1i и ω_г2i синтезаторов частот первого и второго гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

ω_г2i - ω_г1i = ω_np2i,

где i=1, 2, …, М, М - число используемых несущих частот, первая радиостанция излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты на частоте ω_1i = ω_np1i = ω_г2i, а принимает - на частоте ω_2i = ω_np3i = ω_г1i, а вторая радиостанция, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией и псевдослучайной перестройкой рабочей частоты на частотах ω_2i, а принимает - на частотах ω_1i, где ω_np1i и ω_np3i - первая и третья промежуточные частоты, блок определения координат по системе спутниковой навигации выполнен в виде приемника GPS-сигналов, состоящего из последовательно включенных приемной антенны, усилителя мощности, смесителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот второго гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом синтезатора частот первого гетеродина, а выход подключен ко второму входу блока управления.