Способ применения обрывного рефлектометрического средства обнаружения
Владельцы патента RU 2716897:
Федеральное государственное казенное образовательное учреждение высшего образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации" (RU)
Изобретение относится к способам применения обрывного рефлектометрического средства обнаружения (СО) и может быть использовано в случаях сигнализационного прикрытия участка местности, обрывным средством обнаружения, определяющим расстояние до места обрыва микропровода (МП) на основе рефлектометрического метода. Технический результат заключается в повышении точности определения места обрыва микропровода. Способ обеспечивает привязку к местности микропровода во время его развертывания при помощи GPS-приемника, работающего в режиме дифференциальных поправок; расчет поправочного коэффициента к показаниям средства охраны, равного отношению расчетной длины микропровода, установленной на основании данных привязки к местности, к длине, указываемой средством охраны; последующий учет и пересчет указанного коэффициента при выработке сигнала тревоги и определении расстояния до места обрыва. 11 ил.
Изобретение относится к способам применения обрывного рефлектометрического средства обнаружения (СО) и может быть использовано в случаях сигнализационного прикрытия участка местности обрывным средством обнаружения, определяющим расстояние до места обрыва микропровода (МП) на основе рефлектометрического метода.
Для охраны локальных участков местности протяженностью от 100 до 500 метров широко применяются обрывные средства обнаружения. Некоторые из этих средств имеют возможность определения не только факта обрыва МП, использующегося в них в качестве чувствительного элемента, но также и определения расстояния до места его обрыва на основе рефлектометрического метода [1]. Наиболее распространенными из них являются: Кувшинка-М, Краб - 1, КСМ-ОС [2-4].
Известен способ применения обрывного рефлектометрического средства обнаружения, заключающийся в развертывании на местности чувствительного элемента в виде одножильного медного МП, оборудовании заземления, подключении заземления и МП к СО (фиг. 1, элемент №1), передаче на систему сбора и обработки информации (ССОИ), (фиг. 1, элемент №2) сигнала тревоги и значения длины МП, оставшегося подключенного к СО после обрыва его нарушителем (фиг. 1, элемент №3), определении алгоритмом, записанным в ССОИ, места обрыва МП (фиг. 1, элемент №4) на местности по полученному значению длины и априори известной схеме развертывания МП. [5].
Недостатком указанного способа является низкая точность определения места обрыва МП нарушителем. Так, согласно тактико-техническим характеристикам СО, погрешность в определении места обрыва МП достигает ±20 процентов от его длины (фиг. 2) [2, 3]. В абсолютных значениях точность указания места обрыва может составить сто и более метров, в зависимости от длины провода, оставшегося подключенным к СО. При длине МП в 500 метров точность указания места обрыва сравнима с точностью простых обрывных СО. При том, что стоимость первых на порядок выше (фиг. 3). На практике показания СО с учетом погрешности его измерения позволяют получить силам реагирования грубую оценку места обрыва МП: в начале, в середине или в конце МП. С тактической точки зрения, это снижает вероятность успешного задержания нарушителя [6].
Близким по принципу работы, конструкции и элементной базе СО является кабель - тестер (фиг. 4). Его точность указания расстояния до места неоднородности (обрыва кабеля) в 7-8 раз выше, чем у СО (до 3%) (фиг. 4). Главным образом, это объясняется тем, что кабель - тестеры проверяют симметричную линию провод - провод, а СО контролирует несимметричную среду: провод - земля.
В различных местах применения, земля как проводник имеет разную проводимость в зависимости от типа грунта, его влажности, температуры, что приводит к значительной мультипликативной систематической погрешности при измерениях [7].
В некоторых СО для снижения систематической ошибки измерений длины МП, конструктивно предусмотрена возможность калибровки показаний СО [4]. Для чего специалист перед каждым применением средства оценивает условия местности и устанавливает калибровочное значение. Очевидно, что такой подход малоэффективен, так как в нем поправка к показаниям оценивается на основе субъективного мнения, поэтому в более поздних моделях СО не применяется [3].
Переход на двужильный микропровод (симметричную линию провод - провод) для повышения точности указания места обрыва нецелесообразен. Главная причина в том, что такой микропровод необходимо изготовить специально для СО, как например, в приборе ТРОС [8]. Что во - первых, повысит и без того высокую стоимость изделия, во - вторых, диаметр такого микропровода должен быть меньше, чем в известном способе применения, что приведет к более вероятному обрыву под воздействием внешних факторов (например, ветра). К тому же, рекомендуемая используемая длина такого МП не более - 30-100 метров (прочность микропровода низкая, велика вероятность его обрыва при развертывании на большую длину) [8]. Промышленность рассматриваемые средства с применением двужильного провода не выпускает.
В настоящее время наиболее распространенный способ учета значения систематической погрешности - учет максимальных значений систематической погрешности (±20% от указанной длины) при получении данных от СО. То - есть, если СО выдало сигнал тревоги с указанием длины МП - 350 метров, это значит, что место обрыва находится на удалении 280-420 метров от СО (фиг. 2, 5).
Целью изобретения является повышение точности указания места обрыва МП СО без аппаратный доработки самого средства.
Для достижения поставленной цели разработан способ применения обрывного рефлектометрического СО, заключающийся в развертывании на местности чувствительного элемента в виде одножильного медного МП; оборудовании заземления; подключении заземления и МП к СО; привязке к местности МП во время его развертывания при помощи GPS - приемника, работающего в режиме дифференциальных поправок; снятии показаний длины МП СО после развертывания и сравнении с расчетной длиной МП, полученной по данным его привязки к местности; расчете поправочного коэффициента, равного отношению расчетной длины МП к длине, указываемой СО; применении в ССОИ алгоритма, в котором решение об обрыве микропровода нарушителем принимается в зависимости от значения изменений его длины, указываемого средством обнаружения: если длина микропровода изменилась на величину равную чувствительности средства обнаружения - пересчитывается поправочный коэффициент, если длина микропровода изменилась на величину большую чувствительности средства обнаружения - формируется сигнал тревоги и указывается место обрыва микропровода как произведение длины микропровода, указанной средством обнаружения, и поправочного коэффициента.
Значение систематической погрешности возможно рассчитать через сравнение истинной длины развернутого МП и длины МП, указываемой СО.
Авторами предлагается истинную длину МП определить по данным его геопривязки. В настоящее время практически все современные быстро-развертываемые сигнализационные системы, в состав которых входят СО, оснащаются средствами геопозиционирования [9]. Так, при развертывании МП на местности (как правило, в виде кусочно - ломанной кривой) существует функциональная возможность привязки его к местности (в качестве точек привязки выступают опоры (фиг. 6, элементы 5-7, N-2, N-1, N) при помощи GPS - приемника, работающего в режиме приема дифференциальных поправок (фиг. 6) [10].
где LGPS - длина МП, полученная по данным его привязки к местности, м;
xi, yi; xi+1, yi+1 - прямоугольные координаты соседних опор, определенные при помощи GPS - приемника, м;
N - количество опор, на которые крепится МП, шт.;
5…15 - пределы расстояний, устанавливаемых между опорами, м.
Предлагаемое определение длины линейного объекта, которым является развернутый МП (длиной от 100 до 500 метров, с расстоянием между точками привязки к местности от 5 до 15 метров), по данным его привязки к местности, имеет высокую точность с погрешностью 2 процента от истинного значения [10].
где L - истинная длина МП, м.
Полученное значение длины МП, после геопривязки необходимо сравнить со значением длины МП, измеренной при помощи СО, таким образом, оценив систематическую погрешность его показаний и рассчитать поправочный коэффициент, как отношение расчетной длины МП к длине, указываемой СО:
где K - поправочный коэффициент к показаниям СО;
LCO - длина МП, указываемая СО после развертывания, м.
Известно, что систематическая погрешность измерения длины МП СО растет с увеличением этой длины по линейной зависимости [11]. Поэтому, значение поправочного коэффициента, определенного для длины LCO, можно применить по всей длине МП.
где LССОИ - длина МП, рассчитанная ССОИ, м;
I - длина МП, указываемая СО при поступлении сигнала тревоги, м.
Поправочный коэффициент может быть больше единицы (К>1), когда показания СО о длине подключенного МП меньше истинного значения длины МП, и меньше единицы (К<1), когда показания СО больше истинного значения длины МП (фиг. 7, 8).
С учетом максимальных значений систематической погрешности (±20% от указываемой длины) поправочный коэффициент лежит в пределах:
Рассматриваемые СО применяются на конкретном участке местности с конкретным неизменным типом грунта и параметрами (температура, влажность), которые изменяются во времени намного медленнее (часы) по сравнению с периодом опроса СО ССОИ (несколько секунд). Соответственно, значение систематической ошибки будет также медленно изменяться, что позволяет оперативно получать информацию о ее изменениях. В связи с этим, в предлагаемом способе предусмотрено уточнение поправочного коэффициента при изменении значения показания длины подключенного к СО МП. В течении всего времени применения, с заданным периодом опроса, ССОИ получает информацию от СО о длине подключенного МП. При изменении оценки длины МП на величину равную пределу чувствительности, ССОИ относит данное отклонение к изменению свойств среды и пересчитывает поправочный коэффициент (фиг. 9). При поступлении на ССОИ данных об изменении длины МП на величину, превышающую значение чувствительности, она выдает сигнал тревоги и рассчитывает длину МП, с учетом поправочного коэффициента (фиг. 10).
Чувствительность прибора 
это минимальное значение оборванной длины МП, после обрыва которого СО выдаст сигнал тревоги. В современных СО она не превышает 10 метров (фиг. 1) [3].
Даже при получении данных: К>1 или К<1 точность указания места обрыва в предлагаемом способе увеличится в два раза по сравнению с известным (фиг. 5, 7, 8).
Оценка дополнительных затрат по времени, которые потребует предлагаемый способ, показывает, что время готовности СО, от начала развертывания до постановки СО в дежурный режим, в предлагаемом способе незначительно выше известного. Она выше за счет необходимости привязки к местности МП при помощи GPS - приемника, расчета поправочного коэффициента, записи на ССОИ данного значения:
где T - время готовности СО в предлагаемом способе, с;
T1 - время готовности СО в известном способе, с;
Т2 - время, необходимое для записи координат места прохождения МП на местности, с;
T3 - время расчета поправочного коэффициента, с;
Т4 - время записи поправочного коэффициента на ССОИ, м.
Развертывание на местности СО с установкой заготовленных заранее опор по рубежу длинной в 500 метров занимает в среднем 1 час [5]. На каждой опоре для записи координат места прохождения МП на местности будет дополнительно затрачиваться до 3-7 секунд, что при длине 500 метров (до 50 опор) составит около 6 минут. Работа с ССОИ при вводе поправочного коэффициента занимает до 1 минуты. Расчет значения поправочного коэффициента занимает так же не более 1 мин. Таким образом, общие временные затраты в предлагаемом способе увеличатся незначительно (с 1 часа до 1 часа 10 минут).
Способ включает два этапа: подготовительный и основной.
Подготовительный этап включает:
1. Развертывание МП на местности и подключение его к средству 1 обнаружения с передатчиком.
2. Привязка к местности МП средства 1 обнаружения при помощи приемника 8 GPS.
3. Определение расчетной длины МП, полученной по данным привязки к местности при помощи приемника 8 GPS (формула 1).
4. Снятие показания длины МП, указываемое средством 1 обнаружения.
5. Расчет поправочного коэффициента и запись его в устройство 10 решающее (формула 3).
6. Начало работы средства 1 обнаружения с передатчиком в дежурном режиме.
7. Опрос средства 1 обнаружения о длине подключенного к СО МП.
8. Пересчет значения поправочного коэффициента при изменении длины МП на величину равную чувствительности.
Основной этап начинается при обрыве нарушителем развернутого МП длиной большей величины чувствительности :
1. Переход средства 1 обнаружения с передатчиком в режим тревоги и передачу им сигнала тревоги и длины, оставшейся части подключенного к нему МП на систему 2 сбора и обработки информации (фиг. 11).
2. Регистрацию приемником 9 сигнала тревоги от средства 1 обнаружения с передатчиком (фиг. 11).
3. Запись длины оставшейся части МП, подключенного к средству 1 обнаружения с передатчиком в устройство 10 решающее (фиг. 11).
4. Определения места обрыва МП, как произведение длины МП, указанной средством 1 обнаружения, и поправочного коэффициента (формула 4).
5. Выведение результата на монитор 11 (фиг. 11).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены:
- фиг. 1 - схема развертывания СО с отображением величины погрешности определения места обрыва МП и чувствительности СО;
- фиг. 2 - таблица значений погрешностей определения места обрыва МП в известном способе;
- фиг. 3 - таблица сравнения обрывных и обрывных рефлектометрических средств обнаружения по точности указания места обрыва и стоимости;
- фиг. 4 - таблица технических характеристик кабель - тестеров;
- фиг. 5 - график систематической погрешности для известного способа;
- фиг. 6 - схема развертывания МП на участке местности в виде кусочно ломанной кривой;
- фиг. 7 - график систематической погрешности для предлагаемого способа (К>1);
- фиг. 8 - график систематической погрешности для предлагаемого способа (К<1);
- фиг. 9 - график изменения показаний СО о длине подключенного МП в течении времени применения без обрыва МП нарушителем;
- фиг. 10 - график изменения показаний СО о длине подключенного МП в течении времени применения с обрывом МП нарушителем;
- фиг. 11 - структурная схема взаимосвязи применяемых устройств при реализации способа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности указания места обрыва МП СО без аппаратный доработки самого средства.
Источники информации
1. Пат. 1826788 Российская Федерация G08B 13/12. Сигнальное устройство / Круглов Ю.Н., - №4887358/24; заявл. 26.10.1990; опубл. 10.08.1996 Бюл. №22. - 4 с.
2. Сигнализатор обрывного типа «Кувшинка - М». Паспорт АНВЯ 425119.006 ПС - 4 с.
3. Средство обнаружения обрывное «КСМ-ОС». Паспорт БАЖК. 425112.002 ПС. - 21 с
4. Сигнализатор обрывного типа «Краб - 1». Инструкция по установке и эксплуатации - 4 с.
5. Коршняков, В.Г. Сигнализационные средства охраны локальных участков: уч. пособие / В.Г. Коршняков - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2004. - 135 с.
6. Шумов, В.В. Применение математических методов и моделей для обоснования решений на охрану государственной границы: Научно-практическое пособие. - Часть 2. - М.: Просвещение, 1996. - 196 с.
7. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений: 2-е издание, перераб. И доп. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1991. - 304 с.
8. Сигнализатор обрывного типа «ТРОС». Инструкция по установке и эксплуатации - 25 с.
9. Разведывательно-сигнализационный комплекс «Радиобарьер - МФ». Руководство по эксплуатации ПАУР.424248.002РЭ - 70 с.
10. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография / К.М. Антонович. - «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. - 360 с.
11. Магауенов, Р.Г. Системы охранной сигнализации. Основы теории и построения: учебное пособие / Р.Г. Магауенов. - Москва: горячая линия - телеком, 2008 - 496 с.
Способ применения обрывного рефлектометрического средства обнаружения, заключающийся в развертывании на местности чувствительного элемента в виде одножильного медного микропровода; оборудовании заземления; подключении заземления и микропровода к средству обнаружения; передаче на систему сбора и обработки информации сигнала тревоги и значения длины микропровода, оставшегося подключенным к средству обнаружения после обрыва его нарушителем; определении алгоритмом, записанным в систему сбора и обработки информации, места обрыва микропровода на местности по полученному значению длины и априори известной схеме развертывания микропровода, отличающийся тем, что при развертывании микропровода проводится его привязка к местности при помощи GPS-приемника, работающего в режиме приема дифференциальных поправок; после развертывания снимается показание длины микропровода, указываемое средством обнаружения, и сравнивается с расчетной длиной микропровода, полученной по данным его привязки к местности; рассчитывается поправочный коэффициент к показаниям средства обнаружения, как отношение расчетной длины микропровода к длине, указанной средством обнаружения; в системе сбора и обработки информации применяется алгоритм, в котором решение об обрыве микропровода нарушителем принимается в зависимости от значения изменений его длины, указываемого средством обнаружения: если длина микропровода изменилась на величину, равную чувствительности средства обнаружения, пересчитывается поправочный коэффициент, если длина микропровода изменилась на величину, большую чувствительности средства обнаружения, формируется сигнал тревоги и указывается место обрыва микропровода как произведение длины микропровода, указанной средством обнаружения, и поправочного коэффициента.
