ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СБОРА ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ РЕГИОНА Российский патент 2013 года по МПК G08C19/00 

Предлагаемая система относится к области контрольных устройств (систем) и может быть использована при конструировании систем экологического мониторинга городов и регионов.

Известны устройства и системы экологического мониторинга городов и регионов (авт. свид. СССР №1.398.628; патенты РФ №2.105.523, 2.145.120, 2.150.126, 2.210.095, 2.275.689; патент США №3.819.862; патент Германии №2.179.480; патент Японии №62.62.304 и другие).

Из известных устройств и систем наиболее близкой к предлагаемой является «Экологическая система сбора информации о состоянии региона» (патент РФ №2.275.689, G08C 19/00, 2004), которая и выбрана в качестве прототипа.

Известная система содержит контрольные пункты промышленных стоков предприятий, проводные каналы связи, локальные диспетчерские пункты контроля промышленных предприятий, радиоканалы связи, центральный диспетчерский пункт, первую и вторую группы датчиков экологического контроля среды, средства радиосвязи датчиков с аппаратурой городской телефонной сети, станцию космической связи с сетью спутников космической экологической разведки, авиационный комплекс оперативного дальнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы, автомобильный комплекс ближнего действия с пятой группой датчиков экологического контроля состояния среды и радиодатчики экологического контроля состояния региона.

Однако приемники спутников космической экологической разведки и станции космической связи не позволяют подавлять узкополосные помехи и не обеспечивают высокой помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем ослабления узкополосных помех.

Поставленная задача решается тем, что экологическая система сбора информации о состоянии региона, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, контрольные пункты промышленных стоков предприятий, соединенные через одноименные проводные каналы связи с соответствующими локальными диспетчерскими пунктами промышленных стоков предприятий, выходы которых через одноименные радиоканалы связи соединены с соответствующими входами центрального диспетчерского пункта, группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи, аппаратуру городской телефонной сети, модем, станцию космической связи, предназначенную для приема сообщений от сети спутников космической экологической разведки, авиационный комплекс оперативного дальнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы, предназначенными для доразведки авиационным комплексом района загрязнения, и автомобильный комплекс ближнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды пятой группы, предназначенными для доразведки автомобильным комплексом участка загрязнения, при этом датчики экологического контроля состояния среды первой группы через одноименные провода линии связи подключены к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, датчики экологического контроля состояния среды второй группы через соответствующий модем подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети, другие каналы которой через одноименные средства радиосвязи подключены к датчикам экологического контроля состояния среды третьей группы, одноименные каналы аппаратуры городской телефонной сети через модем соединены с центральным диспетчерским пунктом, станция космической связи через одноименные провода линии связи подключена к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, указанные авиационный и автомобильный комплексы с соответствующими датчиками экологического контроля состояния среды через одноименные средства радиосвязи подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети, радиодатчики экологического контроля состояния региона выполнены в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через преобразователь аналог-код соединен с выходом чувствительного элемента, усилителя мощности и передающей антенны, бортовая аппаратура спутников космической экологической разведки включает приемник, содержащий измерительный и четыре пеленгационных канала, и передатчик сложных сигналов с фазовой манипуляцией, при этом измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, первого усилителя первой промежуточной частоты, шестого смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и первого фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерительного канала, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра, фазового детектора и преобразователя аналог-код, выход которого является выходом пеленгационного канала, при этом вторые входы фазовых детекторов первого и третьего пеленгационных каналов соединены с выходом второго гетеродина, вторые входы фазовых детекторов второго и четвертого пеленгационных каналов соединены с выходами узкополосных фильтров первого и третьего пеленгационных каналов соответственно, приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещены в виде симметричного геометрического креста, в пересечении которого помещена приемная антенна измерительного канала, общая для четырех пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми установлено неравенство

d/λ<1/2≤2d/λ,

где λ - длина волны,

при этом меньшими базами d образованы грубые, но однозначные шкалы отсчета углов, а большими базами 2d образованы точные, но неоднозначные шкалы отсчета углов, передатчик сложных сигналов с фазовой манипуляцией состоит из последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через формирователь соединен с выходами пеленгационных каналов, усилителя мощности и передающей антенны, станция космической связи выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и первого фильтра нижних частот, отличается от ближайшего аналога тем, что приемник бортовой аппаратуры спутников космической экологической разведки снабжен блоком вычитания и вторым демодулятором сложных сигналов с фазовой манипуляцией, который содержит последовательно подключенные к выходу усилителя второй промежуточной частоты третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены к входу формирователя цифрового сообщения, станция космической связи снабжена блоком вычитания и вторым демодулятором сложных сигналов с фазовой манипуляцией, который содержит последовательно подключенные к выходу усилителя промежуточной частоты третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены к двум входам блока вычитания, соответственно, выход которого является выходом станции космической связи.

Структурная схема экологической системы сбора информации о состоянии региона представлена на фиг.1. Структурная схема радиодатчика экологического контроля состояния региона представлена на фиг.2. Взаимное расположение бортовых приемных антенн показано на фиг.3. Структурная схема бортовой аппаратуры спутников космической экологической разведки представлена на фиг.4. Структурная схема станции космической связи изображена на фиг.5. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы космического сегмента системы, показаны на фиг.6.

Экологическая система сбора информации о состоянии региона содержит контрольные пункты промышленных стоков предприятий 1, проводные каналы связи 2, локальные диспетчерские пункты контроля промышленных предприятий 3, радиоканалы связи 4, центральный диспетчерский пункт 5, первую группу датчиков экологического контроля состояния среды 6, вторую группу датчиков экологического контроля состояния среды 7, средства радиосвязи 8, датчиков 7 с аппаратурой городской телефонной сети 9, станцию космической связи 10 с сетью спутниковой космической разведки, подключенную к пункту 5, авиационный комплекс оперативного дальнего действия 11 с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы 11.1 и автомобильный комплекс ближнего действия 12 с пятой группой датчиков экологического контроля состояния среды 12.1, подключенные через одноименные средства радиосвязи 8 к аппаратуре городской телефонной сети 9.

Радиодатчик экологического контроля состояния региона содержит последовательно включенный задающий генератор 13, фазовый манипулятор 16, второй вход которого через преобразователь аналог-код 15 соединен с выходом чувствительного элемента 14, усилитель 17 мощности и передающую антенну 18.

Бортовая аппаратура спутников космической экологической разведки включает приемник, содержащий измерительный и четыре пеленгационных канала, и передатчик сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

При этом измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 19, усилителя 24 высокой частоты, первого смесителя 30, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 29, первого усилителя 35 первой промежуточной частоты, шестого смесителя 41, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 40, усилителя 42 второй промежуточной частоты, первого перемножителя 44, второй вход которого соединен с выходом фильтра 47 нижних частот, узкополосного фильтра 46, второго перемножителя 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 42 второй промежуточной частоты, и фильтра 47 нижних частот, выход которого является выходом измерительного канала.

Перемножители 44 и 45, узкополосный фильтр 46 и фильтр 47 нижних частот образуют первый демодулятор 43 сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).

К выходу усилителя 42 второй промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель 80, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 85, второй узкополосный фильтр 82, первый фазоинвертор 84, четвертый перемножитель 81, второй вход которого соединен с выходом усилителя 42 второй промежуточной частоты, второй фильтр 83 нижних частот и второй фазоинвертор 85. Выходы первого 47 и второго 83 фильтров нижних частот через блок 86 вычитания подключены к входу формирователя 64 цифрового сообщения.

Перемножители 80 и 81, узкополосный фильтр 82, фильтр 83 нижних частот, первый 84 и второй 85 фазоинверторы образуют второй демодулятор 79 сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 20 (21, 22, 23), усилителя 25 (26, 27, 28), высокой частоты смесителя 31 (32, 33, 34), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 29, усилителя 36 (37, 38, 39) первой промежуточной частоты, перемножителя 48 (49, 50, 51), второй вход которого соединен с выходом усилителя 42 второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра 52 (53, 54, 55), фазового детектора 56 (57, 58, 59) и преобразователя аналог-код 60 (61, 62, 63), выход которого является выходом пеленгационного канала. Вторые входы фазовых детекторов 56 и 58 соединены с выходом второго гетеродина 40. Вторые входы фазовых детекторов 57 и 59 соединены с выходами узкополосных фильтров 52 и 54 соответственно.

Бортовой передатчик состоит из последовательно включенных формирователя 64, входы которого соединены с выходами измерительного и пеленгационных каналов соответственно, фазового манипулятора 66, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 65, усилителя мощности 67 и передающей антенны 68.

Станция 10 космической связи состоит из последовательно включенных приемной антенны 69, усилителя 70 высокой частоты, смесителя 72, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 71, усилителя 73 промежуточной частоты, первого перемножителя 75, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 78 нижних частот, первого узкополосного фильтра 77, второго перемножителя 76, второй вход которого соединен с выходом усилителя 73 промежуточной частоты, и первый фильтр 78 нижних частот.

Перемножители 75 и 76, узкополосный фильтр 77 и фильтр 78 нижних частот образуют первый демодулятор 74 ФМн-сигналов. К выходу усилителя 73 промежуточной частоты последовательно подключены третий перемножитель 88, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора 93, второй узкополосный фильтр 90, первый фазоинвертор 92, четвертый перемножитель 89, второй вход которого соединен с выходом усилителя 73 промежуточной частоты, второй фильтр 91 нижних частот и второй фазоинвертор 93. Выходы первого 78 и второго 91 фильтров нижних частот подключены к входам блока 94 вычитания, выход которого является выходом станции космической связи.

Перемножители 88 и 89, второй узкополосный фильтр 90, второй фильтр 91 нижних частот, первый 92 и второй 93 фазоинверторы образуют второй демодулятор 87 сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Система работает следующим образом.

Космический сегмент системы содержит радиодатчики экологического контроля состояния региона, сеть спутников космической экологической разведки и станцию космической связи. Он обеспечивает мониторинг поверхности Земли, воздушной среды, ионосферы, космического пространства, радиационной обстановки в регионе и измерение концентрации и других параметров вредных веществ, пространственных, временных и вероятностных параметров зон загрязнения и разрушения озонного слоя. Измерение того или иного параметра осуществляется с помощью чувствительного элемента 14. Преобразователь 15 аналог-код преобразует измеренное значение параметра в цифровой код M(t) (фиг.6,б).

Задающий генератор 13 формирует высокочастотные колебания (фиг.6,и)

U_C(t)=υ_c*Cos(ω_ct+φ_c), 0≤t≤T_C,

где υ_с, ω_с, φ_с, T_C - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 16, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.6,б). На выходе фазового манипулятора 16 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.6,в)

,

где φ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.6,б), причем φ_k(t)=const при k*τ_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 T_C, (T_C=N*τ_э).

Данный сигнал после усиления в усилителе 17 мощности излучается передающей антенной 18 в эфир, улавливается приемными антеннами 19-23:

U₁(t)=υ₁*Cos[(ω_с±Δω)t+φ_k(t)+φ₁],

U₂(t)=υ₂*Cos[(ω_с±Δω)t+φ_k(t)+φ₂],

U₃(t)=υ₃*Cos[(ω_с±Δω)t+φ_k(t)+φ₃],

U₄(t)=υ₄*Cos[(ω_с±Δω)t+φ_k(t)+φ₄],

U₅(t)=υ₅*Cos[(ω_с±Δω)t+φ_k(t)+φ₅], 0≤t≤T_C,

где ±Δω - нестабильность несущей частоты, обусловленная эффектом Доплера и другими дестабилизирующими факторами.

Указанные сигналы поступают на первые входы смесителей 30-34, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 29

U_Г1(t)=υ_г1*Cos(ω_г1t+φ_г1).

На выходах смесителей 30-34 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 35-39 выделяются только напряжения первой промежуточной (разностной) частоты:

U_ПР1(t)=υ_пр1*Cos[(ω_пр1±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр1],

U_ПР2(t)=υ_пр2*Cos[(ω_пр1±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр2],

U_ПР3(t)=υ_пр3*Cos[(ω_спр1±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр3],

U_ПР4(t)=υ_пр4*Cos[(ω_пр1±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр4],

U_ПР5(t)=υ_пр5*Cos[(ω_пр1±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр5], 0≤t≤T_C,

где υ_пр1=1/2K₁*υ₁*υ_г1; υ_пр4=1/2K₁*υ₄*υ_г1;

υ_пр2=1/2K₁*υ₂*υ_г1; υ_пр5=1/2K₁*υ₅*υ_г1;

υ_пр3=1/2K₁*υ₃*υ_г1;

K₁ - коэффициент передачи смесителей;

ω_пр1=ω_с-ω_г1 - первая промежуточная частота;

φ_пр1=φ₁-φ_г1; φ_пр4=φ₄-φ_г1;

φ_пр2=φ₂-φ_г1; φ_пр5=φ₅-φ_г1;

φ_пр3=φ₃-φ_г1.

Напряжение U_ПР1(t) с выхода усилителя 35 первой промежуточной частоты поступает на первый вход смесителя 41, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 40

U_Г2(t)=υ_г2*Cos(ω_г2t+φ_г2).

На выходе смесителя 41 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 42 выделяется напряжение второй промежуточной частоты (фиг.6,г)

U_ПР6(t)=υ_пр6*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_k(t)+φ_пр6], 0≤t≤T_C,

где υ_пр6=1/2K₁*υ_пр1*υ_г2;

ω_пр2=ω_пр1-ω_г2 - вторая промежуточная частота;

φ_пр6=φ_пр1-φ_г2.

Это напряжение поступает на вход демодулятора 43 ФМн-сигналов, состоящего из перемножителей 44 и 45, узкополосного фильтра 46 и фильтра 47 нижних частот.

Следует отметить, что необходимым условием работы фазовых демодуляторов является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМн-сигнала.

Принципиально возможны три метода получения опорного напряжения (В.И.Дикарев. «Методы и технические решения приема и обработки радиосигналов». Учебник. - СПб, 2000, 533 с.):

- от местного генератора;

- с помощью вспомогательного пилот-сигнала, передаваемого по отдельному каналу;

- непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала.

Первый метод не обеспечивает необходимой синфазности и синхронности колебаний, так как частота и фаза любого высокостабильного генератора изменяется под влиянием различных дестабилизирующих факторов.

Второй метод получения опорного напряжения также не нашел широкого практического применения, поскольку его техническая реализация приводит к потерям спектра и мощности в радиоканале на передачу пилот-сигнала.

Наибольшее распространение нашел метод выделения опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала. Для реализации данного метода разработан ряд интересных и оригинальных устройств, например схемы А.А.Пистолькорса, В.И.Сифорова, Д.Ф.Костаса и Г.А.Травина, от которых в значительной степени зависит качество когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигнала. Эти устройства выполняют две основные функции: устраняют манипуляцию фазы в принимаемом ФМн-сигнале и осуществляют его фильтрацию на фоне помех и шумов.

Однако указанным устройствам свойственен такой недостаток, как явление «обратной работы», которое обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала, из одного состояния «0» в другое «π» под действием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала могут происходить в случайные моменты времени.

В предлагаемом приемном устройстве используются фазовые демодуляторы 43 и 79, свободные от явления «обратной работы».

Напряжение U_ПР6(t) (фиг.6,г) с выхода усилителя 42 второй промежуточной частоты поступает на первые входы перемножителей 44, 45, 80 и 81. На вторые входы перемножителей 45 и 81 с выходов узкополосного фильтра 46 и фазоинвертора 84 подаются опорные напряжения соответственно (фиг.6,д,ж):

U_О1(t)=υ_о*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_пр6],

U_О2(t)=-υ_o*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_пр6], 0≤t≤T_C.

На выходе перемножителей 45 и 81 образуются суммарные напряжения соответственно:

U_Σ1(t)=υ_Σ*Cosφ_k(t)+υ_Σ*Cos[(2ω_пр±2Δω)t+φ_k(t)+2φ_пр6],

U_Σ2(t)=-υ_Σ*Cosφ_k(t)-υ_Σ*Cos[(2ω_пр±2Δω)t+φ_k(t)+2φ_пр6],

0≤t≤T_C.

где υ_Σ=1/2*υ_пр6*υ_о.

Фильтрами 47 и 83 выделяются низкочастотные напряжения соответственно (фиг.6,е,з):

U_H1(t)=υ_Σ*Cosφ_k(t),

U_H2(t)=-υ_Σ*Cosφ_k(t), 0≤t≤T_C,

пропорциональные модулирующему коду M(t) (фиг.6,б). Указанные низкочастотные напряжения подаются на два входа блока 86 вычитания. Вычитая одно из другого указанные низкочастотные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе блока 86 вычитания образуется удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение (фиг.6,и)

U_H(t)=U_H1(t)-U_H2(t)=υ_н*Cosφ_k(t),

где υ_н=2υ_Σ,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений U_Н1(t) и U_Н2(t). При этом аддитивные амплитудные помехи проходят через два демодулятора 43 и 79 одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 86 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Напряжение U_H(t) поступает на вход формирователя 64.

Низкочастотное напряжение U_H2(t) (фиг.6,з) с выхода фильтра 83 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 85, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение (фиг.6,к)

U_H3(t)=υ_Σ*Cosφ_k(t), 0≤t≤T_C.

Низкочастотные напряжения U_H1(t) и U_H3(t) с выхода фильтра 47 нижних частот и фазоинвертора 85 поступают на второй вход перемножителей 44 и 80 соответственно, на выходе которых образуются гармонические напряжения:

U_O1(t)=υ₁₀*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_пр6]+

+υ₁₀*Cos[(ω_пр2±Δω)t+2φ_k(t)+φ_пр6],

U_O3(t)=υ₁₀*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_пр6]+

+υ₁₀*Cos[(ω_пр2±Δω)t+2φ_k(t)+φ_пр6],

где υ₁₀=1/2*υ_пр6*υ_Σ;

υ_О=2υ₁₀.

Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 46 и 82 соответственно. Напряжение U_О1(t) (фиг.6,д) с выхода узкополосного фильтра 46 подается на второй вход перемножителя 45. Напряжение U_О3(t) выделяется узкополосным фильтром 82 и поступает на вход фазоинвертора 84, на выходе которого образуется напряжение (фиг.6,ж)

U_О2(t)=-υ_о*Cos[(ω_пр2±Δω)t+φ_пр6],

которое подается на второй вход перемножителя 80.

Напряжение U_пр6(t) с выхода усилителя 42 второй промежуточной частоты одновременно подается на вторые входы перемножителей 48-51 пеленгационных каналов, на первые входы которых поступают напряжения U_ПР2(t)÷U_ПР5(t) с выходов усилителей 36-39 первой промежуточной частоты соответственно.

На выходах перемножителей 48-51 образуются следующие гармонические напряжения:

U₆(t)=υ₆*Cos(ω_г2t+φ_г2+Δφ₁),

U₇(t)=υ₇*Cos(ω_г2t+φ_г2-Δφ₂),

U₈(t)=υ₈*Cos(ω_г2t+φ_г2+Δφ₃),

U₉(t)=υ₉*Cos(ω_г2t+φ_г2-Δφ₄), 0≤t≤T_C,

где υ₆=1/2K₂*υ_пр2*υ_пр6;

υ₇=1/2K₂*υ_пр3*υ_пр6;

υ₈=1/2K₂*υ_пр4*υ_пр6;

υ₉=1/2K₂*υ_пр5*υ_пр6;

Δφ₁=φ₂-φ₁=2π(d/λ)*Cosα;

Δφ₂=φ₃-φ₁=2π(d/λ)*Cosα;

Δφ₃=φ₄-φ₁=2π(d/λ)*Cosβ;

Δφ₄=φ₅-φ₁=2π(d/λ)*Cosβ;

где α, β - угловые координаты радиодатчика (азимут и угол места), которые выделяются узкополосными фильтрами 52-55 и поступают на первые входы фазовых детекторов 56-59 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 56 и 58 подается напряжение U_Г2(t) второго гетеродина 40. На вторые входы фазовых детекторов 57 и 59 подаются гармонические напряжения U₆(t) и U₈(t) соответственно.

Знаки «+» и «-» перед фазовыми сдвигами соответствуют диаметрально противоположным положениям приемных антенн 20 и 21, 22 и 23 относительно приемной антенны 19.

На выходах фазовых детекторов 56-59 образуются постоянные напряжения:

U_Н1(α)=υ_н1*CosΔφ₁,

U_Н2(α)=υ_н2*CosΔφ₅,

U_Н3(β)=υ_н3*CosΔφ₃,

U_Н4(β)=υ_н4*CosΔφ₆,

где υ_н1=1/2K₃*υ₆*υ_г2;

υ_н2=1/2K₃*υ₆*υ₇;

υ_н3=1/2K₃*υ₈*υ_г2;

υ_н4=1/2K₃*υ₈*υ₉;

K₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;

Δφ₅=Δφ₁+Δφ₂=2π(2d/λ)*Cosα;

Δφ₆=Δφ₃+Δφ₄=2π(2d/λ)*Cosβ;

которые поступают на входы преобразователей аналог-код 60-63 соответственно, выходы которых являются выходами пеленгационных каналов. На указанных выходах в цифровой форме представляются фазовые сдвиги Δφ₁, Δφ₅, Δφ₃, Δφ₆ соответственно.

Зная высоту h полета ИСЗ и измерив с высокой точностью и однозначностью азимут α и угол места β, можно определить местоположение радиодатчика экологического контроля состояния региона.

В аналоге U_Н(t) модулирующего кода M(t) содержатся сведения об измеренном том или другом параметре, отражающем экологическое состояние региона.

Приемные антенны 20-23 размещаются таким образом, что измерительные базы образуют геометрический симметричный крест, в пересечении которого помещается приемная антенна 19 измерительного канала, общая для приемных антенн 20-23 пеленгационных каналов, размещенных в азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной) плоскостях (фиг.3). При этом в каждой плоскости меньшие измерительные базы d образуют грубые, но однозначные шкалы пеленгации, а большие измерительные базы 2d - точные, но неоднозначные шкалы пеленгации, между которыми устанавливается следующее неравенство:

d/λ<1/2≤2d/λ.

Так, предполагается использовать фазовый метод пеленгации радиодатчиков экологического контроля состояния региона с борта спутника космической экологической разведки с помощью пяти приемных антенн 19-23, расположенных в виде симметричного геометрического креста. При этом приемные антенны 20 и 21, 22 и 23 располагаются на специальных панелях, аналогичных солнечным панелям, которые после вывода космического аппарата на орбиту раскрываются и располагаются параллельно поверхности Земли (фиг.3).

Вся полученная на борту КА информация от радиодатчиков включается с помощью формирователя 64 в состав формата цифрового сообщения М_ф(t), передаваемого на станцию 10 космической связи. В передающем устройстве также используется фазовая манипуляция несущей частоты композиционным кодом М_ф(t). Для этого используются задающий генератор 65, фазовый манипулятор 66, усилитель 67 мощности и передающая антенна 68. Принцип работы передатчика аналогичен принципу работы радиодатчика (фиг.2). Отличаются они только разными несущими частотами.

Станция 10 космической связи обеспечивает прием и обработку ФМн-сигналов, излучаемых бортовой аппаратурой КА космической экологической разведки. Станция 10 космической связи содержит приемную антенну 69, усилитель 70 высокой частоты, гетеродин 71, смеситель 72, усилитель 73 промежуточной частоты, демодуляторы 74 и 87 ФМн-сигналов, перемножители 75, 76, 88 и 89, узкополосные фильтры 77 и 90, фильтры 78 и 91 нижних частот, фазоинверторы 92 и 93, блок 94 вычитания. Принцип ее работы соответствует принципу работы бортового приемника (фиг.4).

Станция 10 размещается в месте дислокации центрального диспетчерского пункта 5 и принимает типовые сообщения от сети спутников космической экологической разведки, контролирующих регион и проводящих мониторинг поверхности Земли, воздушной среды, ионосферы, экзосферы, космического пространства, радиационной обстановки и измеряющих концентрацию и другие параметры вредных веществ, пространственные, временные и вероятностные параметры зон загрязнения и разрушения озонового слоя.

Принятое станцией 10 типовое сообщение в виде сложного ФМн-сигнала преобразуется в типовое сообщение для передачи его по проводным (кабельным) линиям связи на центральный диспетчерский пункт 5.

Одновременно датчики 6 первой группы для дистанционного и датчики 7 второй группы непосредственного экологического мониторинга воздушной, водной сред, почвы, радиационной обстановки измеряют концентрацию вредных веществ, пространственные, временные и вероятностные параметры зон загрязнения, характеристики источников загрязнения и формируют типовое сообщение, которое передают по проводным (кабельным) линиям связи на центральный диспетчерский пункт 5.

Параллельно, для мониторинга водной среды контрольные пункты промышленных стоков предприятий 1 получают информацию о текущих значениях контролируемых параметров и передают показания в локальный диспетчерский пункт 3 контроля промстоков предприятия по кабельной 2-проводной линии связи 2. Локальные диспетчерские пункты 3 контролируют информацию о загрязнении водной среды и передают ее в центральный диспетчерский пункт 5 по радиоканалам связи 4.

Следовательно, типовые сообщения станции 10, датчиков 7 непосредственного и датчиков 6 дистанционного экологического мониторинга передаются по проводным (кабельным) линиям связи непосредственно на центральный диспетчерский пункт 5. Удаление места расположения датчиков 6, 7 экологического мониторинга от центрального диспетчерского пункта 5 создает определенные технические трудности, но наличие абонентского пункта аппаратуры городской (региональной) телефонной сети 9 в месте расположения датчиков 6, 7 позволяет передать типовые сообщения с использованием модема по городской телефонной сети 9 на центральный диспетчерский пункт 5.

При мониторинге мест, удаленных от городской (региональной) телефонной сети 9, с помощью датчиков 7 непосредственного экологического мониторинга среды передача типового сообщения от этих датчиков осуществляется по маломощным средствам радиосвязи 8. Причем передатчик средства радиосвязи 8 соединен с датчиком 7 непосредственного экологического мониторинга, а приемник - с абонентским пунктом аппаратуры городской телефонной сети 9 с использованием модема (не показан).

Центральный диспетчерский пункт 5 собирает информацию об экологическом состоянии региона, регистрирует ее и представляет с помощью технических средств как в автоматическом, так и в диалоговом режимах.

В случае низкой точности оценки зон загрязнения вследствие недостаточности данных от источников измерения центральный диспетчерский пункт по показателю «эффективность - стоимость - время» вырабатывает в соответствии с выбранными критериями (первой и второй) команду на доразведку района экологического загрязнения.

При достижении первого критерия доразведка района загрязнения проводится авиационным комплексом оперативного дальнего действия 11 с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы 11.1.

Достижение второго критерия предусматривает доразведку участка загрязнения автомобильным комплексом ближнего действия 12 с пятой группой датчиков экологического контроля состояния среды 12.1.

Сформированные комплексами 11 и 12 типовые сообщения передаются по средствам радиосвязи 8, либо вводятся непосредственно в технические средства на центральном диспетчерском пункте 5.

Уточненная информация об экологическом состоянии региона центральным диспетчерским пунктом 5 передается в вышестоящие и смежные системы экологического мониторинга с представлением ее с помощью технических средств как в автоматическом, так и в диалоговом режимах.

Конструкция предложенной системы основана на использовании известных элементов, принципов приема, обработки и пеленгации сложных сигналов с фазовой манипуляцией, отражающих современный уровень развития науки и техники, и технических трудностей для реализации не представляет.

Данная экологическая система сбора информации о состоянии региона расширяет диапазон контролируемых параметров по высоте - на всю глубину околоземного космического пространства, по площади - одновременный охват площади всего региона.

Экологическая система сбора информации о состоянии региона обеспечивает расширение потенциальных возможностей космического сегмента системы. Это достигается за счет оперативного обнаружения и точного определения местоположения радиодатчиков экологического контроля состояния региона с борта спутника космической экологической разведки с помощью измерительного и четырех пеленгационных каналов и пяти приемных антенн, расположенных в виде симметричного геометрического креста, в пересечении которого помещается приемная антенна измерительного канала, общая для приемных антенн пеленгационных каналов, размещенных в азимутальной (горизонтальной) и угломестной (вертикальной) плоскостях. При этом в каждой плоскости меньшие измерительные базы d образуют грубые, но однозначные шкалы пеленгации, а большие измерительные базы 2d - точные, но неоднозначные шкалы пеленгации, между которыми устанавливается следующее неравенство:

d/λ<1/2≤2d/λ,

где λ - длина волны.

Кроме того, предлагаемая система позволяет повысить помехоустойчивость и достоверность передачи экологической информации. Это достигается за счет использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи сообщений об экологическом состоянии в регионе. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиодатчиками и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основным на одновременной работе каждого радиодатчика во всем диапазоне частот сложными сигналами с фазовой манипуляцией с выделением приемником сигнала необходимого радиодатчика посредством его структурной селекции.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере зависит дальнейший прогресс средств космической радиосвязи, следует отнести проблему установления надежной связи в каналах при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых сигналов, что затрудняет прием, пеленгацию и снижает достоверность передачи экологической информации.

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

Сложный сигнал с фазовой манипуляцией благодаря 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 сигналов с фазовой манипуляцией. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

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 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.

Предлагаемая система инвариантна к виду модуляции и нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, так как пеленгация радиодатчиков осуществляется на стабильной частоте ω_Г2 второго гетеродина 40. Поэтому указанные факторы не оказывают влияния на точность фазовых измерений.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией бортовой аппаратурой спутников космической экологической разведки и станцией космической связи. Это достигается путем ослабления узкополосных помех и повышения отношения сигнал/шум на выходе блока вычитания с помощью двух универсальных демодуляторов, инверсные выходные напряжения которых складываются по абсолютной величине, а униполярные помеховые напряжения взаимно вычитаются.

Изобретение относится к области контрольных устройств (систем) и может быть использовано при конструировании систем экологического мониторинга городов и регионов. Технический результат - повышение помехоустойчивости и достоверности приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией путем ослабления узкополосных помех. Экологическая система сбора информации о состоянии региона содержит контрольные пункты промышленных стоков предприятий, проводные каналы связи, локальные диспетчерские пункты контроля промышленных предприятий, радиоканалы связи, центральный диспетчерский пункт, первую группу датчиков экологического контроля состояния среды, вторую группу датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи, датчиков с аппаратурой городской телефонной сети, станцию космической связи с сетью спутниковой космической разведки, авиационный комплекс оперативного дальнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы и автомобильный комплекс ближнего действия с пятой группой датчиков экологического контроля состояния среды. 6 ил.

Экологическая система сбора информации о состоянии региона, содержащая контрольные пункты промышленных стоков предприятий, соединенные через одноименные проводные каналы связи с соответствующими локальными диспетчерскими пунктами промышленных стоков предприятий, выходы которых через одноименные радиоканалы связи соединены с соответствующими входами центрального диспетчерского пункта, группы датчиков экологического контроля состояния среды, средства радиосвязи, аппаратуру городской телефонной сети, модем, станцию космической связи, предназначенную для приема сообщений от сети спутников космической экологической разведки, авиационный комплекс оперативного дальнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды четвертой группы, предназначенными для доразведки авиационным комплексом района загрязнения, и автомобильный комплекс ближнего действия с датчиками экологического контроля состояния среды пятой группы, предназначенными для доразведки автомобильным комплексом участка загрязнения, при этом датчики экологического контроля состояния среды первой группы через одноименные провода линии связи подключены к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, датчики экологического контроля состояния среды второй группы через соответствующий модем подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети, другие каналы которой через одноименные средства радиосвязи подключены к датчикам экологического контроля состояния среды третьей группы, одноименные каналы аппаратуры городской телефонной сети через модем соединены с центральным диспетчерским пунктом, станция космической связи через одноименные провода линии связи подключена к соответствующим входам центрального диспетчерского пункта, указанные авиационный и автомобильный комплексы с соответствующими датчиками экологического контроля состояния среды через одноименные средства радиосвязи подключены к каналам аппаратуры городской телефонной сети, радиодатчики экологического контроля состояния региона выполнены в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через преобразователь аналог-код соединен с выходом чувствительного элемента, усилителя мощности и передающей антенны, бортовая аппаратура спутников космической экологической разведки включает приемник, содержащий измерительный и четыре пеленгационных канала, и передатчик сложных сигналов с фазовой манипуляцией, при этом измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, первого усилителя первой промежуточной частоты, шестого смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, первого узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и первого фильтра нижних частот, выход которого является выходом измерительного канала, каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, узкополосного фильтра, фазового детектора и преобразователя аналог-код, выход которого является выходом пеленгационного канала, при этом вторые входы фазовых детекторов первого и третьего пеленгационных каналов соединены с выходом второго гетеродина, вторые входы фазовых детекторов второго и четвертого пеленгационных каналов соединены с выходами узкополосных фильтров первого и третьего пеленгационных каналов соответственно, приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещены в виде симметричного геометрического креста, в пересечении которого помещена приемная антенна измерительного канала, общая для четырех пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, образуя тем самым в каждой плоскости две измерительные базы d и 2d, между которыми установлено неравенство d/λ<1/2<2d/λ, где λ - длина волны, при этом меньшими базами d образованы грубые, но однозначные шкалы отсчетов углов, а большими базами 2d образованы точные, но неоднозначные шкалы отсчетов углов, передатчик сложных сигналов с фазовой манипуляцией состоит из последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого через формирователь цифрового сообщения соединен с выходами пеленгационных каналов, усилителя мощности и передающей антенны, станция космической связи выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и первого фильтра нижних частот, отличающаяся тем, что приемник бортовой аппаратуры спутников космической экологической разведки снабжен блоком вычитания и вторым демодулятором сложных сигналов с фазовой манипуляцией, который содержит последовательно подключенные к выходу усилителя второй промежуточной частоты третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот через блок вычитания подключены к входу формирователя цифрового сообщения, станция космической связи снабжена блоком вычитания и вторым демодулятором сложных сигналов с фазовой манипуляцией, который содержит последовательно подключенные к выходу усилителя промежуточной частоты третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, второй узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выходы первого и второго фильтров нижних частот подключены к двум входам блока вычитания соответственно, выход которого является выходом станции космической связи.