ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ДИРИЖАБЛЬ Российский патент 2017 года по МПК B64B1/06 B64D47/00 H04B7/26 

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

Известны дирижабли (патенты РФ №№2.185.999, 2.307.762, 2.311.319, 2.532.301; патент США №4.089.492; патент Германии №1.962.151; патент ЕР №0.771.729; патент WO №2.011/012.138 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Экологический дирижабль» (патент РФ №2.532.301, В64В 1/06, 2013), который и выбран в качестве прототипа.

Известный дирижабль имеет аппаратуру оперативной двухсторонней связи между дирижаблем и исследовательским центром с использованием двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией, что повышает надежность и достоверность обмена дискретной информацией.

Известный дирижабль обеспечивает повышение избирательности, помехоустойчивости и надежности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. При этом для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, используются дополнительные тракты, реализующие явление резонанса.

Однако указанные операции можно выполнить более эффективным методом с меньшими техническими затратами.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром путем выбора частот w_г1 и w_г2 гетеродинов равными несущим частотам w₁ и w₂ принимаемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией w_г1=w₁ и w_г2=w₂ и поддержания указанных равенств с помощью систем фазовой автоматической подстройки частот w_г1 и w_г2 гетеродина.

Поставленная задача решается тем, что в дирижабле, содержащем, в соответствии с ближайшим аналогом, корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени, при этом аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском центре выполнена в виде фазового детектора, блока регистрации и последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, контроллера, второй вход которого соединен с выходом приборов дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, антенного переключателя, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности и второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, отличается от ближайшего аналога тем, что аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском пункте снабжена фильтром нижних частот, перемножителем и фазовращателем на 90°, причем к выходу второго смесителя последовательно подключены фильтр нижних частот, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, и фазовый детектор, второй вход которого через фазовращатель на 90° соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к управляющему входу второго гетеродина, вход блока регистрации соединен с выходом фильтра нижних частот, частоты w_г1 и w_г2 гетеродинов выбраны равными несущим частотам w₁ и w₂ принимаемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией w_г1=w₁ и w_г2=w₂ и указанные равенства поддерживаются с помощью систем фазовой автоматической подстройкой частот w_г1 и w_г2 гетеродинов.

Структурная схема аппаратуры, размещенной на дирижабле, представлена на фиг. 1, структурная схема аппаратуры, размещенной на каждом воздушном, космическом, наземном, морском и речном исследовательском центре, представлена на фиг. 2.

Аппаратура, размещенная на дирижабле (исследовательском центре), содержит последовательно включенные приемную антенну 1 (19), приемник 2 (20) GPS-сигналов, контроллер 4 (22), второй вход которого соединен с выходом приборов 3 (21) дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазовый манипулятор 6 (24), второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора 5 (23), первый смеситель 8 (26), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 7 (25), усилитель 9 (27) первой промежуточной частоты, первый усилитель 10 (28) мощности, антенный переключатель 11 (29), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 12 (30), второй усилитель 13 (31) мощности, второй смеситель 15 (33), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 14 (32), фильтр 16 (34) нижних частот, перемножитель 37 (40), второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 13 (31) мощности, и фазовый детектор 17 (35), второй вход которого через фазовращатель 38 (41) на 90° соединен с выходом второго гетеродина 14 (32), а выход соединен с управляющим входом второго гетеродина 14 (32), вход блока регистрации 18 (36) соединен с выходом фильтра 16 (34) нижних частот.

Перемножитель 37 (40), фазовый детектор 17 (35) и фазовращатель 38 (41) на 90° образуют систему 39 (42) ФАПЧ.

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

Оптимальные диапазоны параметров его таковы. Объем корпуса 2000-10000 м³. Длина дирижабля 25-50 м, а его наибольший диаметр 8-15 м. Число газовых отсеков 5-10 штук. Подъемная сила достигает 1,6-8 т. Масса воздушного корабля 1,2-5 т. Чистая подъемная сила составляет 0,4-3 т.

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

Аппаратура оперативной двухсторонней связи работает следующим образом.

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

Контроллер 4 формирует модулирующий код M₁(t), содержащий информацию о местонахождении дирижабля и о результатах дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы. Указанный код поступает на первый вход фазового манипулятора 6, на второй вход которого с первого выхода задающего генератора 5 подается высокочастотное колебание

U_c1(t)=U_c1⋅cos(w_ct+ϕ_c1), 0≤t≤T_c1,

где U_c1, w_c, ϕ_c1, Т_с1 - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 6 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн)

u₁(t)=U_c1⋅cos[w_ct+ϕ_к1(t)+ϕ_c1], 0<t<T_c1,

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

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c1(T_c1=Nτ_э), который поступает на первый вход первого смесителя 8, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 7

u_г1(t)=U_г1⋅cos(w_г1t+ϕ_г1).

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

u_пр1(t)=U_пр1⋅[w_пр1t+ϕ_к1(t)+ϕ_пр1], 0<t<T_c1,

где ;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

w_пр1=w_c1+w_Г1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕ_пр1=ϕ_с1+ϕ_Г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 10 мощности через антенный переключатель 11 излучается приемопередающей антенной 12 в эфир на частоте w₁=w_пр1, улавливается приемопередающей антенной 30 и через антенный переключатель 29 и усилитель 31 мощности поступает на первый вход смесителя 33. На второй вход смесителя 33 подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 32.

Причем частота w_Г1 второго гетеродина 32 выбирается равной частоте w₁ принимаемого сложного ФМн сигнала (w_Г1=w₁). На выходе смесителя 33 образуются следующие напряжения:

u₂(t)=U_H1⋅cos⋅ϕ_к1(t)+U_H1⋅cos[2w_пpt+ϕ_к1(t)+2ϕ_пр1],

где .

Фильтром 34 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты)

u_H1(t)=U_H1⋅cos⋅ϕ_к1(t), 0≤t≤T_C1,

пропорциональное модулирующему коду M₁(t). Это напряжение регистрируется блоком 36 регистрации.

Следует отметить, что выбор частоты w_Г1 гетеродина 32, равной частоте w₁ принимаемого сложного ФМн сигнала (w_Г1=w₁), обеспечивает совмещение двух процедур: преобразование принимаемого сложного ФМн сигнала на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения U_H1(t), пропорционального модулирующему коду M₁(t), т.е. синхронное детектирование принимаемого сложного ФМн сигнала с помощью гетеродина 32, смесителя 33 и фильтра 34 нижних частот. Такая схемная конструкция позволяет избавиться от дополнительных каналов приема (зеркальных и комбинационных).

Так как частота w₁ принимаемого сложного ФМн сигнала может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера, то для выполнения и поддержания равенства w_Г1=w₁ используется система 42 ФАПЧ, состоящая из перемножителя 40, фазовращателя 41 на 90° и фазового детектора 35.

При передаче сообщений с исследовательского центра с помощью задающего генератора 23 формируется высокочастотное колебание

u_c2(t)=U_c2⋅cos(w_ct+ϕ_c1), 0≤t≤T_c2,

которое поступает на второй вход фазового манипулятора 24. На первый вход последнего подается модулирующий код M₂(t) с выхода контроллера 22. Модулирующий код M₂(t) содержит сведения о местоположении исследовательского центра и результаты дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы. На выходе фазового манипулятора 24 формируется сложный ФМн сигнал

u₂(t)=U_c2⋅cos[w_ct+ϕ_k2(t)+ϕ_с2], 0≤t≤T_c2,

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

u_Г2(t)=U_Г2⋅cos(w_Г2t+ϕ_Г2).

На выходе смесителя 26 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 27 выделяется напряжение промежуточной частоты

u_пр(t)=U_пр⋅cos[w_пpt+(ϕ_k2(t)+ϕ_k2(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_c,

где ;

w_пp=w_Г2-w_c=w₂ - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_Г2-ϕ_с2.

Это напряжение после усиления в усилителе 28 мощности через антенный переключатель 29 излучается приемопередающей антенной 30 в эфир на частоте w₂=w_пp, улавливается приемопередающей антенной 12 и через антенный переключатель 11 и усилитель 13 мощности поступает на первый вход смесителя 15, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 14

u_Г2(t)=U_Г2⋅cos(w_Г2t+ϕ_Г2).

Причем частота w_Г2 гетеродина 14 выбирается равной частоте w₂ принимаемого сложного ФМн сигнала (w_Г2=w₂). На выходе смесителя 15 образуются следующие напряжения

u₃(t)=U_H2⋅cosϕ_k2(t)+U_H2⋅cos[2w_пpt+ϕ_k2(t)+2ϕ_пр2],

где .

Фильтром 16 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты)

u_H2(t)=U_H2⋅cosϕ_k2(t), 0≤t≤T_c2,

пропорциональное модулирующему коду M₂(t). Это напряжение регистрируется блоком 18 регистрации.

В этом случае для выполнения и поддержания равенства w_Г2=w₂ используется система 39 ФАПЧ, состоящая из перемножителя 37, фазовращателя 38 на 90° и фазового детектора 17.

Предлагаемый дирижабль обеспечивает повышение надежности и достоверности обмена дискретной информацией между экологическим дирижаблем и исследовательским центром. Это достигается использованием двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

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

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

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

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

Таким образом, предлагаемый экологический дирижабль по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение эффективности дуплексной радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром. Это достигается за счет выбора частот w_Г1 и w_Г2 гетеродинов равными несущим частотам w₁ и w₂ принимаемых сложных сигналов с фазовой манипуляцией w_Г1=w₁ и w_Г2=w₂ и автоматического поддержания указанных равенств с помощью систем ФАПЧ.

Причем подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, происходит за счет преобразования принимаемых сложных ФМн сигналов на нулевую частоту. Указанное преобразование позволяет также выделять модулирующие коды из принимаемых сложных ФМн сигналов, т.е. синхронное их детектирование. Совмещение двух указанных процедур обеспечивается гетеродинами, смесителями и фильтрами нижних частот, которые одновременно выполняют роли преобразователей частоты и синхронных демодуляторов принимаемых сложных ФМн сигналов. Такие схемные конструкции свободны от дополнительных каналов приема, а системы ФАПЧ обеспечивают автоматическое слежение за изменениями несущих частот принимаемых сложных ФМн сигналов, которые могут возникать под влиянием различных дестабилизирующих факторов, в том числе и эффекта Доплера.

Экологический дирижабль содержит корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливные баки, кабину управления, салоны для экипажа, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, откидные и выносные устройства - пробоотборники и лабораторное оборудование для анализа воздуха, грунта и растительности, спутниковую навигационную аппаратуру, аппаратуру оперативной двусторонней связи. Аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и в каждом исследовательском центре содержит фазовый детектор, блок регистрации, приемную антенну, приемник GPS-сигналов, контроллер, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазовый манипулятор, задающий генератор, два смесителя, два гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, два усилителя мощности, антенный переключатель, фильтр нижних частот, перемножитель, фазовращатель на 90°, соединенные определенным образом. Обеспечивается эффективность радиосвязи между дирижаблем и исследовательским центром. 2 ил.

Дирижабль, содержащий корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени, при этом аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и в каждом исследовательском центре выполнена в виде фазового детектора, блока регистрации и последовательно включенных приемной антенны, приемника GPS-сигналов, контроллера, второй вход которого соединен с выходом приборов дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, антенного переключателя, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второго усилителя мощности и второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, отличающийся тем, что аппаратура оперативной двухсторонней связи на дирижабле и каждом исследовательском пункте снабжена фильтром нижних частот, перемножителем и фазовращателем на 90°, причем к выходу второго смесителя последовательно подключены фильтр нижних частот, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, и фазовый детектор, второй вход которого через фазовращатель на 90° соединен с выходом второго гетеродина, а выход подключен к управляющему входу второго гетеродина, вход блока регистрации соединен с выходом фильтра нижних частот, частоты w_Г1 и w_Г2 гетеродинов выбраны равными несущим частотам w₁ и w₂ принимаемых сложных сигналов с фазовой манипуляций w_Г1=w₁ и w_Г2=w₂ и указанные равенства поддерживаются с помощью систем фазовой автоматической подстройки частот w_Г1 и w_Г2 гетеродинов.