Sos-система для автомагистралей

Система относится к средствам обеспечения безопасности, защиты и спасения в условиях движения на крупных автомагистралях. В предложенной системе радиосвязь с ближайшими пунктами оказания медицинской и технической помощи осуществляется с использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией. Система содержит солнечную батарею, оптические концентраторы, планки, фотодиоды, отражатели, сельсины, колпак, герметичную коробку, микрофоны, кнопки вызова, штыревую антенну и радиопередатчик. В последний входят задающий генератор, амплитудный модулятор, генератор модулирующего кода, фазовый манипулятор, усилитель мощности и передающая штыревая антенна. В каждом пункте оказания медицинской и технической помощи имеются приемная антенна, усилитель высокой частоты, обнаружитель сложного сигнала, удвоитель фазы, анализаторы спектра, блок сравнения, пороговый блок, ключ, амплитудные ограничители, синхронный детектор, звуковой сигнализатор, блок регистрации, делитель фазы на два, узкополосный фильтр и фазовый детектор. Изобретение позволяет повысить надежность радиосвязи. 5 ил.

 

Изобретение относится к средствам обеспечения безопасности, защиты и спасения в условиях движения на крупных автомагистралях.

В последнее время на крупных автомагистралях западных стран (США, Германия, Южная Корея) в целях оперативного сообщения о дорожно-транспортном происшествии по обеим сторонам магистрали через каждый километр устанавливаются системы SOS-телефоны прямой радиосвязи с ближайшими пунктами оказания медицинской и технической помощи.

Эти системы имеют автономные источники питания и постоянно настроены на волну соответствующего пункта.

Чаще всего имеются автономные системы с солнечными источниками энергии (фиг.1) и иногда с системой их ориентации на Солнце.

Система устанавливается в непосредственной близости от магистрали на бетонном столбе 1 высотой 12-15 метров, в верхней части которого расположена постоянно закрепленная солнечная кремниевая батарея 2 площадью 0,12 м² и максимальной электрической мощностью в полдень около 10 Вт, трехштырьковая радиоантенна 3 и герметичная коробка с микрофоном и кнопкой вызова, внутри которой расположена буферная щелочная аккумуляторная батарея, подзаряжающаяся от солнечной батареи для работы в ночное время, и радиопередатчик. Солнечная батарея постоянно направлена на Юг под углом 30° к горизонту.

Недостатками такой системы являются:

- дороговизна, связанная с использованием высоких бетонных столбов для предотвращения хищения солнечной батареи;

- недостаточная эффективность в пасмурные дни и малый КПД в неориентированном на солнце положении солнечной батареи.

Известны также SOS-системы для автомагистралей (патенты РФ №№2090777, 2183351; патенты США №№4753895, 4816893 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «SOS-система для автомагистралей» (патент РФ №2183351, G 08 В 25/12, 2000), которая и выбрана в качестве базовой системы.

Указанная система для передачи сигнала тревоги использует только голосовое сообщение и не обеспечивает надежной радиосвязи с ближайшими пунктами оказания медицинской и технической помощи.

Технической задачей изобретения является повышение надежности радиосвязи с ближайшими пунктами оказания медицинской и технической помощи путем использования сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что SOS-система радиотелефонной связи при аварийных ситуациях на крупных автомагистралях, использующая солнечную энергию для электропитания радиопередатчика в дневное и ночное время и состоящая из многоячеистой панели солнечных параболоидных концентраторов, в фокусах которых расположены арсенид-галлиевые фотоприемники, имеющие возможность преобразовывать концентрированную солнечную энергию с КПД до 20% и с удельной мощностью 200 Вт/м², по бокам солнечной батареи установлены фотодиоды в цилиндрических отражателях, имеющие возможность ориентировать батарею на солнце с помощью сельсинов с точностью ±2°, а сама батарея размещается в герметичной полусфере, на которой сверху установлена штыревая антенна, соединенная с коробкой, в которой размещены буферная щелочная батарея, радиопередатчик, микрофоны и кнопки вызова, при этом коробки крепятся к разделительному барьеру автомагистрали на расстоянии 0,8-1 км друг от друга, снабжена пунктами оказания медицинской и технической помощи, расположенными вдоль автомагистралей в населенных пунктах, каждый из которых содержит последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, удвоитель фазы, второй анализатор спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя высокой частоты, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первый амплитудный ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, а выход подключен к звуковому сигнализатору и блоку регистрации, причем к выходу удвоителя фазы последовательно подключены второй амплитудный ограничитель, делитель фазы на два, узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного ограничителя, а выход подключен к второму входу блока регистрации, радиопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом микрофона, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилителя мощности и передающей штыревой антенны.

Структурная схема предлагаемой SOS-системы для автомагистралей представлена на фиг.2. Структурная схема радиопередатчика изображена на фиг.3. Структурная схема пункта оказания медицинской и технической помощи изображена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы системы, показаны на фиг.5.

Солнечная батарея 1 представляет собой набор солнечных параболоидных оптических концентраторов 2, сфокусированных на арсенид-галиевые преобразователи, размещенные на тыловой стороне планок 3. Для азимутально-зенитальной ориентации по бокам батареи установлены фотодиоды 4 с отражателями 5, управляющие сельсинами 6.

Батарея установлена в герметичном прозрачном полусферическом колпаке 7 на герметичной коробке 8, внутри которой расположены буферная щелочная батарея и радиопередатчик, а на противоположных стенах коробки размещены микрофоны 9 и кнопки вызова 10. Штыревая радиоантенна 11 установлена в верхней части полусферы, а вся система закреплена на разделительном барьере 12 автомагистрали.

Радиопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 13, амплитудного модулятора 14, второй вход которого соединен с выходом микрофона 9, фазового манипулятора 16, второй вход которого соединен с выходом генератора 15 модулирующего кода, усилителя 17 мощности и передающей штыревой антенны 11.

Пункт оказания медицинской и технической помощи содержит последовательно включенные приемную антенну 18, усилитель 19 высокой частоты, удвоитель 21 фазы, второй анализатор спектра 23, блок 24 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 22 спектра соединен с выходом усилителя 19 высокой частоты, пороговый блок 25, ключ 26, второй вход которого соединен с выходом усилителя 19 высокой частоты, первый амплитудный ограничитель 27 и синхронный детектор 28, второй вход которого соединен с выходом ключа 26, а выход подключен к звуковому сигнализатору 29 и блоку 30 регистрации. К выходу удвоителя 21 фазы последовательно подключены второй амплитудный ограничитель 31, делитель 32 фазы на два, узкополосный фильтр 33 и фазовый детектор 34, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного ограничителя 27, а выход подключен ко второму входу блока 30 регистрации.

Удвоитель 21 фазы, анализаторы 22 и 23 спектра, блок 24 сравнения, пороговый блок 25 и ключ 26 образуют обнаружитель (селектор) 20 сложного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн).

Система работает следующим образом.

При возникновении дорожно-транспортного происшествия его участники нажимают кнопку 10 и включают тем самым электропитание радиопередатчика. При этом задающий генератор 13 формирует высокочастотное колебание (фиг.5, а)

u_с(t)=U_сcos(ω_сt+ϕ_с), 0≤t≤T_c,

где U_c, ω_с, ϕ_с, T_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность колебания;

которое поступает на первый вход амплитудного модулятора 14.

На второй вход последнего подается модулирующая функция m(t) (фиг.5, б) с выхода микрофона 9, отображающая голосовое сообщение потерпевшего, в котором содержится информация о подробностях случившегося. На выходе амплитудного модулятора 14 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM) (фиг.5, в)

u₁(t)=U₁[1+m(t)]·cos(ω_сt+ϕ_с), 0≤t≤T_c,

где

K₁ - коэффициент передачи амплитудного модулятора;

m(t) - модулирующая функция, отображающая закон амплитудной модуляции, который поступает на первый вход фазового манипулятора 16. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) (фиг.5, г), в котором содержатся сигнал тревоги (SOS), название автомагистрали, номер разделительного барьера, который наносится черной краской на белой поверхности разделительного барьера, номер километра, на котором установлен разделительный барьер, и другие необходимые опознавательные данные.

На выходе фазового манипулятора 16 образуется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) (фиг.5, д)

u₂(t)=U₂[1+m(t)]cos[ω_сt+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,

где

К₂ - коэффициент передачи фазового манипулятора;

ϕ_k(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с моделирующим кодом M(t) (фиг.5, г), причем ϕ_k(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э и может изменяться скачком при t=kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2,..., N-1);

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(Т_с=Nτ_Э).

Данный сигнал после усиления в усилителе 17 мощности излучается передающей штыревой антенной 11 в эфир, улавливается приемной антенной 18 и через усилитель 19 высокой частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 20, состоящего из удвоителя 21 фазы, анализаторов 22 и 23 спектра, блока 24 сравнения, порогового блока 25 и ключа 26.

На выходе удвоителя 21 фазы образуется напряжение

u₃(t)=U₃[1+m(t)]²cos(2ω_ct+2ϕ_c), 0≤t≤Т_c,

где

К₃ - коэффициент передачи удвоителя фазы (перемножителя).

В качестве удвоителя 21 фазы может быть использован перемножитель, на два входа которого поступает один и тот же сигнал u₂(1).

Так как 2ϕ_k(t)={0,2π}, то в напряжении u₃(t) фазовая манипуляция уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью Т_c сигнала

тогда как ширина спектра Δf_c принимаемого сигнала определяется длительностью τ_Э его элементарных посылок

т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_c входного сигнала

Следовательно, при умножении фазы АМ-ФМн-сигнала на два его спектр "свертывается" в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить АМ-ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_c входного сигнала измеряется с помощью анализатора спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 23 спектра. Напряжения U_I и U_II, пропорциональные Δf_c и Δf₂ соответственно, с выходов анализаторов 22 и 23 спектра поступают на два входа блока 24 сравнения. Так как U_I≫U_II, то на выходе блока 24 сравнения образуется положительный импульс, который сравнивается с пороговым напряжением U_пор в пороговом блоке 25. Пороговое напряжение U_пор превышается только при обнаружении АМ-ФМн-сигнала. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 25 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.

При этом принимаемый АМ-ФМн-сигнал u₂(t) с выхода усилителя 19 высокой частоты через открытый ключ 26 поступает на первый вход синхронного детектора 28 и на вход первого амплитудного ограничителя 27.

На выходе последнего образуется ФМн-сигнал (фиг.5, е)

u₄(t)=U_ocos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,

где U_o - порог ограничения;

который поступает на опорный вход синхронного детектора 28. В результате синхронного детектирования на выходе синхронного детектора 28 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, ж)

u_H1(t)=U_H1[1+m(t)],

где

К₄ - коэффициент передачи синхронного детектора,

пропорциональное исходной модулирующей функции m(t). Это напряжение поступает на первый вход блока 30 регистрации, где оно фиксируется, и на вход звукового сигнализатора 29, где воспроизводится тревожное сообщение.

ФМн-сигнал (фиг.5, е) u₄(t) с выхода первого амплитудного ограничителя 27 поступает на информационный вход фазового детектора 34.

Напряжение u₃(1) с выхода удвоителя 21 фазы одновременно поступает на вход второго амплитудного ограничителя 31, на выходе которого образуется напряжение (фиг.5, з)

u₅(t)=U_ocos(2ω_ct+2ϕ_c), 0≤t≤T_c.

Это напряжение поступает на вход делителя 32 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение (фиг.5, и)

u₆(t)=U₆cos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,

где

К₄ - коэффициент передачи делителя фазы на два.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 33 и подается на опорный вход фазового детектора 34.

На выходе фазового детектора 34 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, к)

u_H2=(t)=U_H2cosϕ_k(t)

где

К₄ - коэффициент передачи фазового детектора,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, г). Это напряжение поступает на второй вход блока 30 регистрации, где оно фиксируется.

Следовательно, опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигнала, выделяется непосредственно из самого принимаемого АМ-ФМн-сигнала.

Таким образом, предлагаемая SOS-система для автомагистралей по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности радиосвязи с ближайшими пунктами оказания медицинской и технической помощи. Это достигается путем использования сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн).

Указанные сигналы открывают новые возможности в технике передачи сообщений. 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 SOS-системами и селекцией их на приемной стороне с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждой SOS-системы посредством его структурной селекции.

Благодаря частотной избыточности широкополосных систем радиосвязи, они могут успешно работать при наличии в полосе частот принимаемого АМ-ФМн-сигнала нескольких узкополосных радиостанций.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере зависит дальнейший прогресс средств 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 и снижает достоверность передачи информации. Попытки преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести: разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сигнал со сложной структурой благодаря своим хорошим корреляционным свойством 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 АМ-ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное решение.

С точки зрения обнаружения сложные АМ-ФМн-сигналы 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 АМ-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 АМ-ФМн-сигналов 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.

Кроме того, предлагаемая SOS-система обеспечивает дублирование передачи тревожного сообщения.

Если нажимается кнопка 10 и используется микрофон 9, то передаются одновременно голосовое аналоговое сообщение и автоматическое цифровое сообщение, содержащее сведения о месте дорожно-транспортного происшествия.

Если нажимается только кнопка 10, такая ситуация возможна при дорожно-транспортном происшествии, то передается только автоматическое цифровое сообщение и звуковой сигнализатор 29 в этом случае не срабатывает.

SOS-система радиотелефонной связи при аварийных ситуациях на крупных автомагистралях, использующая солнечную энергию для электропитания радиопередатчика в дневное и ночное время и состоящая из многоячеистой панели солнечных параболоидных концентраторов, в фокусах которых расположены арсенид-галлиевые фотоприемники, имеющие возможность преобразовывать концентрированную солнечную энергию с КПД до 20% и с удельной мощностью 200 Вт/м², по бокам солнечной батареи установлены фотодиоды в цилиндрических отражателях, имеющие возможность ориентировать батарею на солнце с помощью сельсинов с точностью ±2°, а сама батарея размещается в герметичной прозрачной полусфере, на которой сверху установлена штыревая антенна, соединенная с коробкой, в которой размещены буферная щелочная батарея, радиопередатчик, микрофон и кнопки вызова, при этом коробки крепятся к разделительному барьеру автомагистрали на расстоянии 0,8...1 км друг от друга, отличающаяся тем, что она снабжена пунктами оказания медицинской и технической помощи, расположенными вдоль автомагистрали в населенных пунктах, каждый из которых содержит последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, удвоитель фазы, второй анализатор спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя высокой частоты, пороговый блок, ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, первый амплитудный ограничитель и синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, а выход подключен к звуковому сигнализатору и блоку регистрации, причем к выходу удвоителя фазы последовательно подключены второй амплитудный ограничитель, делитель фазы на два, узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного ограничителя, а выход подключен ко второму входу блока регистрации, радиопередатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом микрофона, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, усилителя мощности и передающей штыревой антенны.