Способ охранного мониторинга трехсторонней развилки дорог
Владельцы патента RU 2620963:
Федеральное государственное казенное образовательное учреждение высшего образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации" (RU)
Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может быть использовано в системах/средствах однопозиционного радиоволнового обнаружения (СО) для сигнализационного прикрытия трехсторонней развилки дорог. Технический результат – повышение точности. Для этого способ заключается в развертывании однопозиционного радиоволнового средства обнаружения на трехсторонней развилке дорог так, чтобы его зона обнаружения (ЗО) пересекала три расходящиеся дороги; выборе главной дороги, появление на которой нарушителя должно определяться раздельно от двух других дорог, к этой дороге ось ЗО ориентируется под прямым углом, к двум другим дорогам - под углом, отличным от прямого; выдаче одного или двух сигналов тревоги СО в случае движения нарушителя через развилку дорог с пересечением им ЗО СО; анализе знака доплеровской добавки частоты отраженного сигнала на выходе схемы обработки сигналов СО в течение всего времени нахождения нарушителя в его ЗО; в последующем применении алгоритма определения направления движения нарушителя по наличию одиночного отраженного сигнала со знакопеременной, положительной или отрицательной доплеровской добавкой частоты или комбинации из двух таких сигналов, поступивших за установленный интервал времени с учетом схемы развертывания СО. Способ включает подготовительный этап с развертыванием по разработанной схеме СО и основной этап, который начинается с момента попадания нарушителя в ЗО СО, в течение которого он обнаруживается и определяется направление его движения. При этом обеспечивается повышение точности указания направления движения обнаруженного нарушителя (в зависимости от выбора главной дороги, из двенадцати возможных направлений движения шесть определяются раздельно, шесть - попарно, или все двенадцать - попарно) с применением только одного однопозиционного радиоволнового средства обнаружения. 17 ил.
Изобретение относится к способам дистанционного охранного мониторинга местности и может быть использовано в случаях применения одного однопозиционного радиоволнового средств обнаружения (СО) для сигнализационного прикрытия трехсторонней развилки дорог.
Как правило, маршрут своего движения нарушитель строит с учетом существующей на местности сети дорог. Во многом успех задержания нарушителя зависит от знания силами реагирования направления его движения, поэтому сигнализационному прикрытию дорог уделяется значительное внимание [1, 2]. Одним из наиболее часто встречающихся элементов дорожной сети является трехсторонняя развилка дорог [3]. Движение нарушителя на этом элементе дорожной сети возможно в двенадцати направлениях: АВ, АС, AD, ВА, СА, DA, СВ, ВС, BD, DB, CD, DC (фиг. 1).
Для охранного мониторинга дорог могут применяться однопозиционные радиоволновые средства обнаружения. Как правило, такие СО имеют зону обнаружения (ЗО) протяженностью до 80 метров [4].
Известен способ охранного мониторинга трехсторонней развилки дороги, заключающийся в развертывании одного СО на трехсторонней развилке дорог, так, чтобы его зона обнаружения пересекала три расходящиеся дороги; выдаче одного или двух сигналов тревоги средством обнаружения в случае движения нарушителя через развилку дорог с пересечением им зоны обнаружения средства обнаружения; анализе знака доплеровской добавки частоты отраженного сигнала на выходе схемы обработки сигналов средства обнаружения в течение всего времени нахождения нарушителя в его зоне обнаружения; последующем применении алгоритма определения направления движения нарушителя по наличию одного или комбинации двух отраженных сигналов с положительной или отрицательной доплеровской добавкой частоты поступивших за установленный интервал времени с учетом схемы развертывания СО (фиг. 1) [2].
Недостатком указанного способа является низкая точность, он определяет шесть направлений движения попарно и шесть направлений двумя группами по три направления. При этом сквозные направления (АВ, AC, AD, ВА, СА, DA), являющиеся приоритетными для сил реагирования, определяются с самой низкой точностью (фиг. 2).
Известен другой способ охранного мониторинга трехсторонней развилки дороги, заключающийся в развертывании двух СО таким образом, чтобы каждое СО своей ЗО пересекало две дороги; выдаче сигнала тревоги одним или двумя СО в случае пересечения нарушителем его ЗО; анализе знака доплеровской добавки частоты отраженного сигнала на выходе схемы обработки сигналов СО в течении всего времени нахождения нарушителя в его ЗО; последующем применении алгоритма определения направления движения нарушителя по наличию одного или комбинации двух, трех отраженных сигналов с положительной или отрицательной доплеровской добавкой частоты поступивших за установленный интервал времени с учетом схемы развертывания СО и номера СО, выдавшего сигнал тревоги (фиг. 3).
Второй указанный способ имеет высокую точность указания направления движения обнаруженного нарушителя, он позволяет определить раздельно все двенадцать возможных направления движения нарушителя, но для его реализации требуется два СО.
В рассмотренных способах при развертывании СО его ориентируют к дороге таким образом, чтобы ось его ЗО пересекалась с дорогой под острым углом, так как это условие обеспечивает высокую радиальную скорость нарушителя, фиксируемую СО, а следовательно, и вероятность его обнаружения (фиг. 1, 3). Радиальная скорость нарушителя зависит от его фактической скорости движения по дороге (Vн) и от угла пересечения оси ЗО СО с дорогой (α) (фиг. 4):
где Vr - радиальная скорость нарушителя, м/с;
Vн - фактическая скорость нарушителя, м/с;
α - угол пересечения оси ЗО СО с дорогой, град.
Выполнение этого условия связано с тем, что применяемые СО, построенные на устаревшей элементной базе, имеют невысокий показатель отношения сигнал/шум, в значительной степени зависящий от радиальной скорости движения нарушителя [2].
В то же время, современные СО позволяют обнаруживать нарушителей двигающихся с незначительной радиальной скоростью (фиг. 5). Поэтому выполнение этого условия для современных СО не требуется [4].
Целью изобретения является повышение точности указания направления движения обнаруженного нарушителя, с применением только одного однопозиционного радиоволнового средства обнаружения.
Для достижения поставленной цели разработан способ охранного мониторинга трехсторонней развилки дорог, заключающийся в развертывании однопозиционного радиоволнового средства обнаружения на трехсторонней развилке дорог так, чтобы его зона обнаружения пересекала три расходящиеся дороги; выборе главной дороги, к этой дороге ось зоны обнаружения ориентируется под прямым углом, к двум другим дорогам - под углом, отличным от прямого; выдаче одного или двух сигналов тревоги средством обнаружения в случае движения нарушителя через развилку дорог с пересечением им зоны обнаружения средства обнаружения; анализе знака доплеровской добавки частоты отраженного сигнала на выходе схемы обработки сигналов средства обнаружения в течение всего времени нахождения нарушителя в его зоне обнаружения; в последующем применении алгоритма определения направления движения нарушителя по наличию одиночного отраженного сигнала со знакопеременной, положительной или отрицательной доплеровской добавкой частоты, или комбинации из двух таких сигналов с учетом схемы развертывания средства обнаружения (фиг. 6, 7, 8).
В предлагаемом способе лицо, принимающее решение (ЛПР), выбирает главную дорогу, появление нарушителя на которой должно определяться раздельно от других дорог.
Если ЛПР выбрало главную дорогу находящуюся посередине (направление АС, СА), то шесть направлений движения будут определяться раздельно и шесть других попарно (фиг. 9, 10).
В случае выбора главной дорогой одной из крайних дорог (направления АВ, ВА или AD, DA) все двенадцать направлений будут определяться попарно (фиг. 10, 11, 12).
Известно, что частота отраженного сигнала от движущейся цели (нарушителя) отличается от частоты зондирующего сигнала и зависит от направления радиальной скорости нарушителя относительно СО [5].
При приближении нарушителя к СО вектор радиальной скорости нарушителя направлен к СО и поэтому доплеровская добавка частоты в отраженном сигнале - положительна (фиг. 13):
где fc - частота отраженного сигнала от цели, Гц;
fo - частота зондирующего сигнала, Гц;
Fd - доплеровская добавка частоты, Гц.
При удалении нарушителя от СО, вектор радиальной скорости нарушителя направлен от СО и поэтому доплеровская добавка частоты в отраженном сигнале - отрицательная (фиг. 14):
Очевидно, что имея такой набор признаков (положительная и отрицательная доплеровская добавки частоты отраженного сигнала) можно определить только два направления движения нарушителя.
В то же время, если сориентировать СО, таким образом, чтобы ось его ЗО пересекала главную дорогу под прямым углом, то при движении нарушителя через ЗО доплеровская добавка частоты отраженного сигнала будет знакопеременной. Сначала она будет положительной, так как вектор радиальной скорости нарушителя направлен к СО, затем, после пересечения им оси ЗО, доплеровская добавка частоты отраженного сигнала будет отрицательной, так как вектор радиальной скорости нарушителя направлен от СО (фиг. 15).
Цель в предлагаемом способе достигается за счет выделения и анализа расширенного признакового пространства, указывающего на направление движения нарушителя.
Признаковое пространство включает в себя помимо ранее используемых (в известных способах определения направления движения нарушителя) положительной и отрицательной доплеровской добавки частоты отраженного от нарушителя сигнала еще и знакопеременную (фиг. 9, 11, 12):
где t1 - время с момента входа нарушителя в ЗО до пересечения оси, с;
t2 - время с момента пересечения нарушителем оси ЗО до его выхода из ЗО, с;
СО развертывается таким образом, чтобы расстояние между точками пересечения оси ЗО СО с крайними дорогами не превышало 80% от максимально возможной длины ЗО СО.
Это делается по двум причинам: СО развертывается на некотором удалении от дороги в целях соблюдения маскировки; крайнюю дорогу ЗО СО должна пересекать с некоторым запасом по длине, так как границы ЗО могут быть определены не точно (фиг. 6, 7, 8):
где L' - расстояние между точками пересечения оси ЗО СО с крайними дорогами, м;
L - длина зоны обнаружения СО, м.
Установленный интервал времени накопления сигналов тревог (t) зависит от времени, затрачиваемого нарушителем на преодоление максимального расстояния между двумя точками пересечения оси ЗО СО с дорогами при движении с минимально возможной скоростью:
где Т - максимальное значение установленного интервала времени накопления сигналов тревог, с;
Vmin - минимально возможная скорость движения нарушителя, м/с;
Lн - максимальное расстояние между двумя точками пересечения оси ЗО СО с дорогами, м.
Коэффициент 1, 2 берется для исключения ошибки вывода, возможной из за неточности определения ширины ЗО СО. Система сбора обработки информации (ССОИ) принимает решение о направлении движения нарушителя сразу же после поступления двух сигналов тревог от СО или, если сигнал поступил один, то после превышения установленного интервала времени накопления сигналов своего максимального значения (фиг. 9, 11, 12).
Пеший нарушитель движется со скоростью, пределы которой зависят от условий местности (фиг. 16). Минимальные пределы этих скоростей определены практически, известны и подтверждены на основе экспериментальных исследований [3, 6].
Максимально возможное расстояние, пройденное нарушителем с момента выхода его из ЗО СО до попадания повторно в ЗО СО в предлагаемом способе, определяется эмпирическим путем исходя из схемы развертывания СО на трехсторонней развилке дорог и согласно формулы:
где ЕО, OF - участки дорог, пройденные нарушителем с момента выхода его из ЗО СО до попадания повторно в ЗО СО, м.
Принятие решения о направлении движения нарушителя автоматизировано: в СО анализируется знак доплеровской добавки частоты, принимается решение о движении нарушителя относительно самого средства, эта информация передает на ССОИ. В ССОИ полученная информация анализируется в контексте известной схемы развертывания СО на местности, на основе чего принимается окончательное решение о направлении движения обнаруженного нарушителя (фиг. 9, 11, 12).
В сравнении с известным способом, в котором также применяется только одно СО, точность определения направления движения нарушителя в предлагаемом способе выше (фиг. 10).
Способ включает два этапа: подготовительный и основной.
Подготовительный этап включает:
1. Выбор главной дороги, относительно которой будет ориентироваться ось ЗО СО под прямым углом (фиг. 6, 7, 8).
2. Развертывание СО с антенным устройством 1, передатчиком 2, приемником 3, схемой 4 обработки сигналов, решающем устройством 6 и выходным интерфейсом 9 по разработанной схеме (фиг. 6, 7, 8, 17).
3. Развертывание на местности ССОИ, включающей в себя приемопередатчик сигналов 5, решающее устройство 7, таймер 8 и монитор 10 (фиг. 17).
4. Расчет максимального значения установленного интервала времени накопления сигналов тревог (формула 6).
5. Запись алгоритма определения направления движения нарушителя в решающее устройство 7 ССОИ (фиг. 9, 11, 12).
6. Начало работы СО и ССОИ.
Основной этап начинается попаданием нарушителя в зону обнаружения СО, он включает:
1. Излучение зондирующего сигнала передатчиком 2 через антенное устройство 1 и прием отраженного от нарушителя сигнала приемником 3 (фиг. 17).
2. Регистрацию СО факта начала появления нарушителя в его зоне обнаружения схемой 4 обработки сигналов (фиг. 17).
3. Начало анализа знака доплеровской добавки частоты отраженного от нарушителя сигнала решающим устройством 6 (фиг. 17).
4. Регистрацию СО факта выхода нарушителя из ЗО схемой 4 обработки сигналов, окончание анализа решающим устройством 6 (фиг. 17).
5. Принятие решения решающем устройством 6 о направлении движения нарушителя относительно СО (фиг. 9, 11, 12).
6. Передача через выходной интерфейс 9 сигнала о наличии нарушителя и направлении его движения относительно СО на приемо-передатчик 5 ССОИ (фиг. 17).
7. Получение сигнала от СО приемопередатчиком 5 (фиг. 17).
8. Начало анализа решающим устройством 7 полученного сигнала с учетом известного ориентирования СО относительно дорог, запуском таймера 8, начало отчета им установленного интервала времени накопления сигналов тревог (фиг. 17).
9. Продолжение отчета интервала времени накопления сигналов тревог таймером 8 до достижения им значения Т и в случае регистрации приемопередатчиком 5 второго сигнала тревоги принятия решения о направлении движения нарушителя решающим устройством 7 (фиг. 9, 11, 12).
10. Окончание отсчета интервала времени накопления сигналов тревог таймером 8 в случае не поступления второго сигнала тревоги и принятия решения о направлении движения нарушителя решающим устройством 7 (фиг. 9, 11, 12).
11. Выведение результата на монитор 10 (фиг. 17).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где представлены:
фиг. 1 - схема развертывания одного СО в известном способе;
фиг. 2 - алгоритм (таблица) определения направления движения нарушителя в известном способе с одним СО;
фиг. 3 - схема развертывания двух СО в известном способе;
фиг. 4 - таблица соответствия радиальной скорости нарушителя (Vr) в зависимости от фактической скорости нарушителя (Vн) и угла пересечения оси ЗО СО с дорогой (α);
фиг. 5 - таблица основных характеристик современных однопозиционных радиоволновых средств обнаружений, выпускаемых российской промышленностью;
фиг. 6 - схема развертывания СО в предлагаемом способе с главной дорогой, находящейся посередине (направление АС, СА);
фиг. 7 - схема развертывания СО в предлагаемом способе с главной дорогой находящейся с краю (направление АВ, ВА);
фиг. 8 - схема развертывания СО в предлагаемом способе с главной дорогой находящейся с краю (направление AD, DA);
фиг. 9 - алгоритм (таблица) определения направления движения нарушителя, когда главная дорога находится посередине (направление АС, СА);
фиг. 10 - таблица сравнения характеристик известных и предлагаемого способов охранного мониторинга трехсторонней развилки дороги;
фиг. 11 - алгоритм (таблица) определения направления движения нарушителя, когда главная дорога находится с краю (направление АВ, ВА);
фиг. 12 - алгоритм (таблица) определения направления движения нарушителя, когда главная дорога находится с краю (направление AD, DA);
фиг. 13 - схема, показывающая направление вектора радиальной скорости нарушителя при движении его в направлении к СО;
фиг. 14 - схема, показывающая направление вектора радиальной скорости нарушителя при движении его в направлении от СО;
фиг. 15 - схема, показывающая изменение направления вектора радиальной скорости нарушителя при пересечении оси ЗО СО под прямым углом;
фиг. 16 - сводная таблица возможных скоростей движения нарушителя через различные участки местности;
фиг. 17 - структурная схема взаимосвязи применяемых устройств при реализации способа.
Технический результат состоит в повышении точности указания направления движения обнаруженного нарушителя (в зависимости от выбора главной дороги, из двенадцати возможных направлений движения шесть определяются раздельно, шесть - попарно, или все двенадцать - попарно) с применением только одного однопозиционного радиоволнового средства обнаружения (фиг. 10).
Источники информации
1. Шумов В.В. Применение математических методов и моделей для обоснования решений на охрану государственной границы: Научно-практическое пособие. - Часть 2. - М.: Просвещение, 1996. - 196 с.
2. Маршалов Т.А. Технические средства охраны границы: учебник / Т.А. Маршалов, А.В. Густов, И.М. Потапов. - Калининград: КПИ ФСБ РФ, 2009. - 568 с.
3. Псарев А.А. Военная топография: Учебник. - М.: Воениздат, 1986. - 384 с.
4. Р7836.026-2012 Рекомендации по использованию технических средств обнаружения, основанных на различных физических принципах, для охраны огражденных территорий и открытых площадок (код: К.5.И.02.2012, шифр: «Территория»), 2012. - 358 с.
5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник. - М.: Советское радио, 1973. - 495 с.
6. Баленко С.В. Школа выживания. - М. - 1994. - 140 с.
Способ охранного мониторинга трехсторонней развилки дорог, заключающийся в развертывании однопозиционного радиоволнового средства обнаружения на трехсторонней развилке дорог так, чтобы его зона обнаружения пересекала три расходящиеся дороги; выдаче одного или двух сигналов тревоги средством обнаружения в случае движения нарушителя через развилку дорог с пересечением им зоны обнаружения средства обнаружения; анализе знака доплеровской добавки частоты отраженного сигнала на выходе схемы обработки сигналов средства обнаружения в течение всего времени нахождения нарушителя в его зоне обнаружения; последующем применении алгоритма определения направления движения нарушителя по наличию одного или комбинации двух отраженных сигналов с положительной или отрицательной доплеровской добавкой частоты, поступивших за установленный интервал времени с учетом схемы развертывания средства обнаружения, отличающийся тем, что из трех расходящихся дорог выбирается главная дорога, появление на которой нарушителя должно определяться раздельно от двух других дорог, к этой дороге ось зоны обнаружения ориентируется под прямым углом, к двум другим дорогам - под углом, отличным от прямого; дополнительным анализом в алгоритме определения направления движения нарушителя наличия или одиночного отраженного сигнала со знакопеременной доплеровской добавкой частоты или в комбинации с сигналом с положительной, или отрицательной доплеровской добавкой частоты.
