Компьютерная система дистанционного управления навигационными комплексами для автоматизированного мониторинга окружающей среды в условиях Арктики

Предлагаемая система относится к области автоматизированного мониторинга окружающей среды в условиях Арктики, а именно состояния атмосферы и льда с одновременным определением координат собственного местонахождения навигационных комплексов и передачей полученной информации по радиоканалам, 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 ледовитых морях и в условиях ледяного покрова, в том числе и 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 №№2080620, 2137153, 2196347, 2251128, 2486471, 2487365, 2500031; патенты США №№3449950, 4231039, 4527160, 4608568, 6204813; патенты Великобритании №№1494582, 1499388, 2122834; патенты Франции №№2384218, 2592959; патенты Германии №№2800074, 2802918; Ваулин Ю.В. и др. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики. Навигация, управление и связь, 2008, №1(5), с. 24-31 и другие).

Из известных систем наиболее близким к предлагаемой является «Двухсредний исследовательский и навигационный комплекс с системой обеспечения точной навигационной привязки для подводных подвижных технических объектов» (патент РФ №2485447, G01C 21/00. 2011), который и выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного технического решения является невозможность удаленного автоматизированного мониторинга окружающей среды на больших территориях в условиях Арктики.

Технической задачей изобретения является обеспечение возможности для удаленного автоматизированного мониторинга окружающей среды на больших территориях в условиях Арктики и оперативного обмена информаций между диспетчерским пунктом и навигационными комплексами путем дуплексной радиосвязи с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией, компьютеров и космических аппаратов спутниковой системы связи в качестве ретрансляторов.

Поставленная задача решается тем, что компьютерная система дистанционного управления навигационными комплексами для автоматизированного мониторинга окружающий среда в условиях Арктики, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, не менее трех навигационных комплексов, каждый из которых характеризуется наличием надводной и подводной секциями, соединенными кабелем, при этом надводная часть содержит блок управления, блок определения координат по системе спутниковой навигации, блок определения состояния атмосферы, подключенные к приемопередающему устройству, а подводная часть содержит подводный навигационный маяк, управляющие входы блока определения координат по системе спутниковой навигации, блока определения толщины ледового покрова, блока определения состояния атмосферы и подводного навигационного маяка соединены с соответствующими выходами блока управления, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена приемопередающим устройством, установленным на диспетчерском пункте, и космическими аппаратами спутниковой системы связи, при этом каждое приемопередающее устройство выполнено в виде последовательно подключенных к выходу блока управления компьютера, задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с вторым выходом компьютера, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к компьютеру, частоты ω_г1 и ω_г2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты

ω_г2-ω_г1=ω_пр2,

приемопередающее устройство диспетчерского пункта излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте

ω₁=ω_пр1=ω_г2,

где ω_пр1 - первая промежуточная частота, а принимает на частоте

ω₂=ω_пр3=ω_г1,

где ω_пр3 - третья промежуточная частота, а приемопередающие устройства навигационных комплексов, наоборот, излучают сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω₂, а принимают - на частоте ω₁ космические аппараты спутниковой системы связи ретранслируют сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частотах ω₁ и ω₂ с сохранением фазовых соотношений.

Геометрическая схема расположения диспетчерского пункта (ДП), навигационных комплексов (HKi, i=1, 2, …, n) и космических аппаратов (КА) спутниковой системы связи изображена на фиг. 1. Структурная схема приемопередающего устройства 1, установленного на диспетчерском пункте ДП, представлена на фиг. 2. Структурная схема приемопередающего устройства 1.i, установленного на i-ом навигационном комплексе, представлена на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов по частоте, изображена на фиг. 4.

Каждое приемопередающее устройство 1 (1.i) выполнено в виде последовательно включенных блока 2 (2 i) управления, компьютера 3 (3.i), задающего генератора 4 (4.i), фазового манипулятора 6 (6.i), второй вход которого через формирователь 5 (5.i) модулирующего кода соединен с вторым выходом компьютера 3 (3.i), первого смесителя 8 (8.i), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7 (7.i), усилителя 9 (9.i) первой промежуточной частоты, первого усилителя 10 (10.i) мощности, дуплексера 11 (11.i), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 12 (12.i), второго усилителя 13 (13.i) мощности, второго смесителя 15 (15.i), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 14 (14.1), усилителя 16 (16.i) второй промежуточной частоты, перемножителя 17 (17 л), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7 (7.i), полосового фильтра 18 (18.i) и фазового детектора 19(19.i), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 14 (14.i), а выход подключен к второму входу компьютера 3 (3.i).

Блок 2 (2.i) может быть выполнен на базе микропроцессора. Блок 21.i определения координат по системе спутниковой навигации может быть выполнен на базе систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС и представляет собой приемник 21.i GPS сигналов с приемной антенной 20.i. Блок 22.i измерения толщины ледового покрова может быть выполнен на базе ультразвукового толщиномера. В качестве блока 23.i измерения состояния атмосферы может быть использован измерительный блок метеозонда.

Предпочтительно в составе комплекса используют блок электропитания, выполненный с возможностью подзарядки. В этом случае комплекс дополнительно содержит генератор электрической энергии, подключенный к входу блока электропитания. В качестве указанного генератора может быть использован ветрогенератор или генератор, использующий термопару.

В некоторых вариантах реализации блок 23 л определения состояния атмосферы выполнен с возможностью определения скорости ветра, температуры и влажности воздуха.

Штанга, на которой закреплен подводный навигационный маяк 24.i, может быть использован 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. Мачта ветрогенератора может быть дополнительно использована в качестве антенны приемопередающих устройств.

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

Совместное использование, по меньшей мере, трех навигационных комплексов обеспечивает ориентирование в пространстве подводного аппарата любого типа.

Навигационные комплексы обеспечивают выполнение следующих функций:

- подача сигналов подводной навигации;

- прием сигналов от навигационных спутниковых группировок;

- параллельное проведение измерений толщины льда;

- передача в эфир (по каналам спутниковой связи) собираемых данных в режиме он-лайн (в заданное время):

- о собственных координатах в настоящее время;

- о толщине льда, на котором они находятся в текущее время;

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

Установка и использование комплексов на заданном расстоянии обеспечивают 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. Кроме того, установка и использование комплексов на заданном расстоянии обеспечивают возможность создания сети подводной навигации.

Основной особенностью системы, создаваемой при использовании устанавливаемых на лед комплексов, является возможность обеспечивать точный технический контроль состояния льда, его толщины, что позволяет при использовании специальных программных продуктов делать точный прогноз времени и качества формирования торосов, смещения льда и образования непроходимых для ледокольного флота ледовых условий. Кроме того, система указанных комплексов обеспечивает подводную навигацию.

Предлагаемая система работает следующим образом.

С целью передачи необходимой информации управления на избранный навигационный комплекс HKi (i=1, 2, …, n) на диспетчерском пункте ДП 1 с помощью блока 2 управления и компьютера 3 включается задающий генератор 4, который формирует высокочастотное гармоническое колебание

u_c(t)=U_c⋅Cos(ω_ct+(ϕ_c), 0≤t≤Т_с,

где U_c, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность гармонического колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 6, на второй вход которого подается модулирующий код M₁(t) с второго выхода компьютера 3. Указанный модулирующий код соответствует идентификационному номеру запрашиваемого навигационного комплекса. На выходе фазового манипулятора 6 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U₁⋅Cos[ω_ct+ϕ_kl(t)+ϕ_с], 0≤t≤Т_с,

где ϕ_к1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии модулирующим кодом M₁(t), причем ϕ_к1(t)=const при kτэ<t(k+1)τэ и может изменяться скачком при t=kτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2, …, N -1);

τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых

составлен сигнал длительностью

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

u_г1(t)=U_г1⋅Cos(ω_г1t+(ϕ_г1).

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

u_пр1(t)=U_пр1⋅Cos[ω_пр1t+ϕ_к1(t)+ϕ_пр1], 0≤t≤Т_с,

где

ω_пр1=ω_c+ω_г1=_ω1 - первая промежуточная (суммарная) частота

ϕ_пр1=ϕ_с+ϕ₁,

которое после усиления в усилитель 10 мощности через дуплексер 11 поступает в приемопередающую антенну 12, излучается ею на частоте ω₁ в эфир (в направлении навигационных комплексов), через КА-ретрансляторы, улавливается приемопередающей антенной 12.i навигационного комплекса и через дуплексер 1 1.i и усилитель 13.i мощности поступает на первый вход смесителя 15.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14.i

u_r1(t)=U_г1⋅Соs(ω_г1t+ϕ_г1).

На выходе смесителя 15.i образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 16.i выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

u_пр2(t)=U_пр2⋅Cos[ω_пp2t+ϕ_к1(t)+ϕ_пр2), 0≤t≤Т_с,

где

_{ωпр2=ωпр1-ωг1 - вторая промежуточная (разностная) частота;}

ϕ_пр2=ϕ_пр1-ϕ_г1,

которое поступает на первый вход перемножителя 17.i, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 8.i

u_г2(t)=U_г2⋅Соs(ω_г2t+ϕ_г2).

На выходе перемножителя 17.i образуется напряжение

u₂(t)=U₂⋅Cos[ω_г1t-ϕ_к1(t)+ϕ_г1], 0,≤t≤Т_с,

где

ω_г1=ω_г2-ω_пр2,

которое представляет собой ФМн сигнал на частоте ω_г1 гетеродина 14.i. Это напряжение выделяется полосовым фильтром 18.i и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 19.i, на второй (опорный) вход которого подается напряжение U_г1 (t) гетеродина 14.i. На выходе фазового детектора 19.i образуется низкочастотное напряжение

u_Н1(t)=U_н1⋅Соsϕ_к1(t), 0,≤t≤Т_с,

где

пропорциональное модулирующему коду М₁(t). Это напряжение поступает в компьютер 3.i

Частоты ω_г1 и ω_г1 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг. 4)

ω_г2-ω_г1=ω_пр2.

Если идентификационный номер M_и(t) запрашиваемого навигационного комплекса соответствует модулирующему коду M₁(t), то в компьютере 3.i формируется команда, которая через блок 2.i управления воздействует на блоки 21.i, 22.i и 23.i, включая их. При этом информация с указанных блоков через компьютер. При этом информация с указанных блоков через компьютер 3.i поступает на вход формирователя 5.i модулирующего кода, где формируется суммарный модулирующий код

M_Σ(t)=M_и(t)+M₂(t)+M₃(t)+M₄(t),

Где M_и(t) - идентификационный номер навигационного комплекса;

M₂(t) - модулирующий код, отображающий координаты (долгота и ширина) навигационного комплекса;

M₃(t) - модулирующий код, отображающий толщину льда;

M₄(t) - модулирующий код, отображающий скорость ветра, температуру и влажность воздуха.

Одновременно с этим включается задающий генератор 4.i, который формирует высокочастотное гармоническое колебание

u_ci(t)=U_ci⋅Cos(ω_ct+ϕ_ci), 0,≤t≤T_ci,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 6.i, на второй вход которого с выхода формирователя 5.i модулирующего кода поступает суммарный модулирующий код M_Σ(t).

На выходе фазового манипулятора 6.i образуется сложный ФМн сигнал

u_3i(t)=U_3i⋅Cos[ω_ct-ϕ_к2(t)+ϕ_ci], 0≤t≤T_ci,

где ϕ_к2(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с суммарным модулирующим кодом M_Σ(t),

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

u_г2(t)=U_г2⋅Cos(ω_г2t+ϕ_г2).

На выходе смесителя 8.i образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 9.i выделяется напряжение третьей промежуточной частоты

u_пр3(t)=U_пр3⋅Cos[ω_пp3t-ϕ_к2(t)+ϕ_пр3], 0≤t≤T_ci,

где _;

ω_пр3=ω_г2 - ω_с - третья промежуточная частота;

ϕ_пр3=_ϕг2-ϕ_ci

которое после усиления в усилителе 10.1 мощности через дуплексер 11.i поступает в приемопередающую антенну 12.i, излучается ею на частоте ω₂ в эфир (в направлении КА), переизлучается им в направлении диспетчерского пункта ДП, улавливается приемопередающей антенной 12 и через дуплексер 11 и усилитель 13 мощности поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14

u_г2(t)=U_г2⋅Cos(ω_г2t+ϕ_г2).

На выходе смесителя 15 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 16 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

u_пp4(t)=U_пр4⋅Cos[ω_пp2t - ϕ_к2(t)+ϕ_пр2], 0≤t≤Т_с,

где

_ωпр2=ω_г2-ω_пр3 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_г2-ϕ_пр3,

которое поступает на первый вход перемножителя 17, на второй вход которого подается напряжение u_ri(t) гетеродина 7. На выходе перемножителя 17 образуется напряжение

u₄(t)=U₄⋅Cos[ω_г2t - ϕ_к2(t)+ϕ_г2], 0≤t≤Т_с,

где

_ωг2=ω_пр2 - ω_г1;

ϕ_г2=ϕ_пр1-ϕ_г1,

которое выделяется полосовым фильтром 18 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 19, на второй (опорный) вход которого подается напряжение u_г2(t) гетеродина 14. На выходе фазового детектора 19 образуется низкочастотное напряжение

u_н2(t)=U_н2⋅Cos ϕ_к2(t), 0≤t≤Т_с,

где _;

пропорциональное суммарному модулирующему коду M_Σ(t). Это напряжение поступает в компьютер 3.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает возможность для удаленного автоматизированного мониторинга окружающей среды на больших территориях в условиях Арктики и оперативного обмена информацией между диспетчерским пунктом и навигационными комплексами. Это достигается за счет дуплексной радиосвязи с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией, компьютеров и космических аппаратов спутниковой системы связи в качестве ретрансляторов.

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 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 обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.