МОНИТОРИНГА

ОПИСАНИЕ

Изобретение относится в основном к области воздухоплавательной техники и телекоммуникаций, а более конкретно - к автономному стратосферному летательному аппарату легче воздуха и способу обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга при помощи аппаратуры, размещенной на данном летательном аппарате.

Настоящее изобретение может найти применение при создании летательных аппаратов легче воздуха, а также систем и сетей глобальной и региональной связи и телевещания.

В настоящее время для организации систем и сетей связи, требующих охвата больших территорий, используют либо геостационарные спутники связи, либо группировки низкоорбитальных спутников, либо создают на территории обширную сеть ретранслирующих станций, которые представляют собой высотные сооружения.

Однако, упомянутые способы имеют ряд существенных недостатков. В первую очередь, это чрезвычайно высокая стоимость выведения на орбиту и эксплуатации спутников, составляющая для одного спутника до 500 млн. долларов США. Далее, низкоорбитальные спутники движутся с высокой скоростью относительно наземных объектов связи, что создает множество проблем для качественной передачи и ретрансляции сигнала по маршруту "наземная станция-спутник". Создание обширной сети ретрансляционных антенн также является крайне долгим и дорогим решением, поскольку связано с возведением и эксплуатацией высотных сооружений, неустойчивостью как самих сооружений, так и расположенных на них антенно- фидерных комплексов к неблагоприятным погодным и сейсмическим условиям, ветровой нагрузке и злоумышленным действиям различного характера.

В патенте Российской Федерации N°2176852 описана система передачи информации, содержащая наземные станции, выполненные в виде многоканальных терминалов и радиотерминалов пользователей, летательный аппарат для размещения приемопередающей аппаратуры, предназначенной для двунаправленной передачи сигналов между ней и наземными станциями, содержащей многоканальное приемное устройство, связанное через блок декодирования и формирования сигналов с многоканальными передающими устройствами, отличающаяся тем, что летательный аппарат связан с землей посредством троса с проводами энергопитания приемопередающий аппаратуры указанного летательного аппарата и проводами для обеспечения двунаправленной передачи сигналов между приемопередающий аппаратуры указанного летательного аппарата и проводами для обеспечения двунаправленной передачи сигналов между приемопередающей аппаратурой указанного летательного аппарата и аппаратурой соответствующей наземной станции.

Другим близким изобретением является патент Российской Федерации Ns2180767. Описанное в нем изобретение относится к технике связи и передачи информации. Аэродинамическая интегральная система телекоммуникаций содержит по крайней мере один привязной аэродинамический летательный аппарат, несущий приемопередающее оборудование, и по крайней мере две наземные станции. При этом летательные аппараты объединены в группу для регионального обслуживания, а по крайней мере один летательный аппарат, обслуживающий один регион, снабжен приемопередающим оборудованием для осуществления связи с по крайней мере одним летательным аппаратом, обслуживающим другой регион, и/или спутником связи. Привязной аэродинамический летательный аппарат включает в себя по крайней мере две несущие поверхности, закрепленные на элементе, соединенном с фюзеляжем, несущим в носовой части рулевые аэродинамические поверхности, стабилизирующие аэродинамические поверхности, соединенные с несущими поверхностями с образованием короба, и тросовые системы связи элемента и несущих поверхностей с фюзеляжем. Силовая установка может быть выполнена ветроэнергетической. Данная система характеризуется пониженной стоимостью, а также повышенными уровнями ремонтоспособности и экологической безопасности.

Однако описанные приводимые изобретения имеют ряд существенных недостатков, в первую очередь - это наличие тросов и проводов для связи с земной поверхностью или наземными сооружениями, которые не позволяют поднять летательный аппарат на достаточно большую высоту, необходимую для охвата больших территорий, а также делают и летательный аппарат, и размещенное на нем оборудование зависимым от неполадок на земной станции и неустойчивым к воздействиям как на собственно трос и провода, так и на летательный аппарат по этом тросу (например, повышенным напряжением питания или электромагнитным импульсом).

В основу настоящего изобретения положена задача создания автономного стратосферного летательного аппарата легче воздуха и способ обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга, свободного от недостатков приведенных прототипов, который отличались бы невысокой стоимостью, автономностью от наземных ресурсов, экологичностью и практической неподвижностью относительно наземных абонентов связи и телевещания.

Эти задачи решены в реализованном согласно настоящему изобретению автономном стратосферном летательном аппарате легче воздуха и способ обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга, согласно которому автономный стратосферный летательный аппарат легче воздуха для обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга, отличающийся тем, что он оснащен солнечной батареей, предназначенной для энергоснабжения технических средств названного летательного аппарата, включающих без ограничения двигатели летательного аппарата и необходимую собственно для радио и оптической связи, телевещания и мониторинга аппаратуру, в дневное время, топливными элементами и/или аккумуляторами электрической энергии для энергоснабжения собственных технических средств названного летательного аппарата в ночное время, использует собственные двигатели для стабилизации в пространстве, не соединен кабелями или другими механическим способами с земной поверхностью и размещен стационарно за счет действия собственных двигателей в нижнем слое земной стратосферы, на высоте не менее 18 километров от земной поверхности.

Для реализации способа обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга необходимую аппаратуру радио и/или оптической связи, телевещания и/или мониторинга размещают на борту описанного летательного аппарата, а энергоснабжение данной аппаратуры производится за счет собственных ресурсов описанного летательного аппарата.

За счет применения автономного стратосферного летательного аппарата легче воздуха и способа обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга достигается следующее: - стратосферный летательный аппарат легче воздуха по сравнению с искусственным спутником обладает существенно меньшей (в 30-100 раз) стоимостью монтажа и эксплуатации,

- стратосферный летательный аппарат легче воздуха по сравнению с искусственным спутником обладает возможностью возврата на земную поверхность для технического обслуживания и ремонта,

- за счет значительной высоты подъема создается возможность охвата радио и оптической связью, телевещанием и мониторингом обширной территории,

- за счет регулярности стратосферного ветра, наличия собственного энергоресурса стратосферный летательный аппарат легче воздуха практически неподвижен относительно наземных станций связи.

При размещении ретрансляционной или передающей аппаратуры на предлагаемом летательном аппарате легче воздуха, размещаемых в нижнем слое стратосферы, на высоте около 20 км приблизительный радиус зоны покрытия P может быть рассчитан по формуле:

P = (2hR+h ² ) ⁰ ' ⁵ , где h - высота подъема платформы, R - радиус Земли.

При h = 20 км радиус зоны покрытия составит около 500 км, что позволяет использовать один летательный аппарат для организации связи и телевещания в рамках значительного региона масштаба целого государства.

Стабильность летательного аппарата поддерживается собственными энергоресурсами, для чего возможно использование турбореактивных двигателей с изменяемым вектором тяги как для горизонтальной, так и для вертикальной стабилизации платформы относительно стратосферного ветра.

Представляется целесообразным для определения необходимого стационарного положения предлагаемого летательного аппарата использовать астронавигационные комплексы, поскольку из нижних слоев стратосферы звезды устойчиво видны в любое время суток.

Не менее технически целесообразно для определения необходимого стационарного положения предлагаемого летательного аппарата использовать естественные или искусственные ориентиры на земной поверхности, поскольку небольшое расстояние от летательного аппарата до таких ориентиров повышает относительную точность позиционирования предлагаемого летательного аппарата.

Также технически целесообразно для определения его необходимого стационарного положения предлагаемого летательного аппарата использовать сигналы позиционирования, получаемые от искусственных спутников Земли. В данном случае это позволит использовать уже наработанные технологии глобальной навигации.

Для управления предлагаемым летательным аппаратом целесообразно использовать каналы оптической и/или электросвязи, а также предусмотреть возможность посадки на земную поверхность или пристыковки к специальным сооружениям, расположенным на земной поверхности или к другим аналогичным летательным аппаратам для технического обслуживания и модернизации.

Кроме того, основным принципом конструкции летательного аппарата должен быть принцип минимальной обслуживаемости и максимальной ремонтопригодности. Исходя из этих принципов, в качестве генераторов электроэнергии целесообразно использовать топливные элементы, аккумуляторы, суперконденсаторы или иные технически оправданные генераторы или накопители электрической энергии.

С точки зрения экологичности и пожаробезопасности конструкции целесообразно использовать двухслойные оболочки с внутренним наполнением водородом и внешнюю оболочку с наполнением гелием. При этом предпочтительна шарообразная или дискообразная форма летательного аппарата. В этом случае грузоподъемность аппарата будет существенно выше, чем заполненного только гелием, а пожаробезопасность не ниже, поскольку внутренняя полость, заполненная водородом, не контактирует с окружающей средой.

С целью повышения точности позиционирования абонентов и для снижения мощности передаваемого сигнала и/или направленной передачи информации весьма целесообразно при передаче сигналов с летательного аппарата включать в них в информацию для определения собственного местоположения абонентов, принимающих эту информацию. Это может быть относительное время, выраженное в единицах стабильной частоты, которая по задержке сигнала позволит точно установить расстояние, а существенное повышение точности произойдет за счет небольшого расстояния абонентов за счет снижения относительной погрешности. Для сравнения - для геостационарных спутников глобальной навигации расстояние составляет порядка 32000 км, а для предлагаемого летательного аппарата - около 500 км, что примерно в 50 раз повысит точность определения местоположения.

В дальнейшем настоящее изобретение будет более детально раскрыто в нижеследующем подробном описании одного из предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на фиг. 1, схематически изображающую блок-схему системы.

Система, схематически изображенная на фиг. 1, включает блок 1, являющийся летательным аппаратом легче воздуха, блок 2, являющийся аппаратурой приема радиосигнала от наземных станций, представленных блоками 7 и 8, блок 3, являющийся аппаратурой усиления, обработки и ретрансляции сигнала, блок 4, являющийся аппаратурой передачи радиосигнала, блок 5, являющийся источником энергии для блоков 2-4, блок 6, содержащий устройство управления и стабилизации летательного аппарата.

Система работает следующим образом. Блок 7 - наземная станция излучает сигнал связи, модулированный передаваемой информацией, который принимается блоком 2, являющимся аппаратурой приема радиосигнала от наземных станций.

Блок 3, являющийся аппаратурой усиления, обработки и ретрансляции сигнала, усиливает сигнал, полученный от блока 2, обрабатывает его необходимым образом, определяемым протоколом и видом связи, передает обработанный сигнал на блок 4, являющийся аппаратурой передачи радиосигнала.

Далее сигнал излучается блоком 4 и принимается другой наземной станцией 8.

Блок 5 обеспечивает энергией аппаратуру приема, обработки, ретрансляции и передачи (блоки 2-4), при этом в качестве источников электроэнергии используются в солнечные батареи в дневное время, а топливные элементы и/или аккумуляторами электрической энергии для энергоснабжения собственных технических средств названного летательного аппарата в ночное время. Блок 6 обеспечивает управление и стабилизацию летательного аппарата для чего использует собственные двигатели для стабилизации в пространстве при задании стационарной точки стояния при помощи астронавигационного комплекса. Блоки 1-6 таким образом находятся стационарно, без соединения кабелями или другими механическим способами с земной поверхностью, за счет действия собственных двигателей в нижнем слое земной стратосферы, на высоте 18-20 километров от земной поверхности.

По сравнению со всеми известными авторам летательными аппаратами легче воздуха и способами обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга при помощи аппаратуры, размещенной на данном летательном аппарате предлагаемое изобретение отличается невысокой стоимостью монтажа и эксплуатации, автономностью, охватывает максимально обширную территорию и обеспечивает практическую неподвижность относительно наземных станций связи. Принципиальными положительными особенностями предлагаемого автономного стратосферного летательного аппарата легче воздуха и способа обеспечения радио и оптической связи, телевещания и мониторинга при помощи аппаратуры, размещенной на данном летательном аппарате являются:

• в сотни раз более низкая стоимость, чем для группировок спутников связи;

• заменяемость и ремонтопригодность, длительный срок службы, возможность модификации технических средств и средств связи;

• практическая полносвязность и высокая устойчивость системы связи (из-за видимости из точки стояния одного летательного аппарата нескольких соседних);

• возможность межрегиональной связи через один или несколько ретрансляторов на предлагаемых летательных аппаратах;

• возможность размещения средств оптического наблюдения для мониторинга чрезвычайных ситуаций;

• возможность использования в качестве средства связи и оповещения в чрезвычайных ситуациях;

• возможность оперативного предоставления высокоскоростных каналов связи для любых потребителей без капитальных затрат на прокладку оптических кабелей "последней мили", что является актуальным с учетом площади территории России;

• обеспечение более высокой надежности по сравнению с наземной телекоммуникационной инфраструктурой, устойчивость к техногенным катастрофам;

• практическая недостижимость для переносных зенитно-ракетных комплексов злоумышленников.

Для целей настоящего изобретения под мониторингом понимают любой мониторинг, который на сегодняшний день проводят с помощью стационарной (установленной на вышке, возвышении) или мобильной (установленной на пилотируемом или беспилотном летательном, наземном или водном транспортном средстве) аппаратуры слежения. Соответственно, спектр сред, в которых располагается мониторируемый объект, определяется также лишь видами аппаратуры, установленными на заявленном стратосферном летательном аппарате. Так, может проводиться мониторинг объектов, расположенных на поверхности Земли (на суше и на воде), в поверхностных слоях литосферы и гидросферы, а также в атмосфере и космическом пространстве.

В частности, с помощью систем мониторинга, установленных на заявленном стратосферном летательном аппарате, можно комплексно решать на обширных территориях и акваториях целый ряд острых проблем, связанных с безопасностью государства и человека и хозяйственной деятельностью.

Одним из наиболее предпочтительных вариантов такого мониторинга является непрерывное наблюдение за движением любых транспортных средств для целей лучшей транспортно-логистической организации их движения, а также недопущения неправомерного завладения ими и их неправомерной эксплуатации, а в случае состоявшегося неправомерного завладения— для недопущения сокрытия местоположения такого транспортного средства.

Особенно эффективным такой мониторинг будет в отношении транспортных средств, снабженных идентификаторами, легко читаемыми в заданном диапазоне частот аппаратурой слежения, установленной на заявленном стратосферном летательном аппарате, хотя предварительное оборудование транспортных средств такими идентификаторами не обязательно. Указанный диапазон может представлять собой инфракрасный диапазон, область видимого спектра, радиоволны и т.д. Из перечисленных диапазонов наиболее перспективными представляются такие, сигнал в которых уверенно регистрируется при различных тропосферных условиях. Например, облачность над мониторируемым объектом не воспрепятствует регистрации сигнала идентификатора на подобранных частотах инфракрасного или радиодиапазона. Кроме того, в инфракрасном диапазоне маяком, обозначающим местоположение объекта, может являться просто его повышенная относительно окружающей среды температура. В качестве весьма перспективного подхода можно предложить оборудование транспортных средств инфракрасными или видимыми маркерами (например, двумерными), содержащими в закодированном виде сведения о транспортном средстве.

Другим наиболее предпочтительным вариантом такого мониторинга, весьма тесно связанным с первым, является участие заявленного стратосферного летательного аппарата в организации системы безопасности дорожного движения. Так, на значительных территориях может осуществляться мониторинг соблюдения участниками движения правил дорожного движения (требований разметки, скоростного режима), а также других компонентов дорожной ситуации (скоплений автомобилей, дорожно-транспортных происшествий). Эффективность этого аспекта мониторинга также может быть повышена за счет использования нанесенных, например, на дорожное полотно, специальных маркеров, легко читаемых в заданном диапазоне частот аппаратурой слежения, установленной на заявленном стратосферном летательном аппарате.

Другим наиболее предпочтительным вариантом такого мониторинга, очень актуальным для России и других государств, владеющих значительными лесными ресурсами, является многоаспектный мониторинг лесного хозяйства, включая непрерывный мониторинг убыли лесов на значительных территориях в режиме реального времени с выявлением мест незаконных порубок и маршрутов вывоза незаконно добытого леса, непрерывный мониторинг пожарной ситуации, отслеживание незаконного проникновения на особо охраняемые природные территории, в заповедники и т.д.

Замечательно то, что уже современный уровень развития оптической техники позволяет не только регистрировать местоположение мониторируемого объекта (транспортного средства, человека и т.д.), но и уверенно идентифицировать их.

Другим наиболее предпочтительным вариантом такого мониторинга является мониторинг любых стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций, в том числе продолжительных по времени, например, паводковых ситуаций на реках.

Среднему специалисту в данной области техники очевидно, что существует множество вариантов и модификаций раскрытых здесь технических решений. Настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, конкретно описанными выше, но под его объем подпадают также и все очевидные среднему специалисту варианты и модификации.