способ формирования беспроводных сетей передачи информации и высотная винтокрылая платформа для его реализации

Формула изобретения

1. Способ формирования беспроводных сетей передачи информации, включающий размещение воздушных телекоммутационных платформ на заданных высотах путем создания подъемной силы для их удержания в заданных точках региональной сети географического региона с помощью дистанционно и/или автономно пилотируемого летательного аппарата, удержание которого и платформы в заданной точке осуществляют, связывая их с заданной точкой поверхности географического региона гибкой тягой, используемой в качестве канала подачи электрической энергии питания для обеспечения создания вектора тяги летательного аппарата, отличающийся тем, что в качестве канала подачи электрической энергии этой гибкой тяги используют электропровод с возможностью его разъема в средней части, а для обеспечения грозозащиты сети передачи информации разводят концы разъема электропровода на расстояние не менее величины L_пр, которую рассчитывают по формуле

где Егр - средняя напряженность электрического поля в грозовых облаках,

Епр - напряженность электрического пробоя воздуха,

Нвыс - высота размещения летательного аппарата.

2. Высотная винтокрылая платформа, содержащая станцию приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе, установленную на летательном аппарате, имеющем приборный отсек и винтовой движитель в виде электрического двигателя с редуктором и тягового винта и связанном посредством двухосного карданового подвеса с кабель-тросом, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса в заданной точке поверхности географического региона, связан с источником электрической энергии в этой точке и имеет не менее одного электроизолированного токопроводящего проводника для подачи электрической энергии к электрическому двигателю винтового движителя, отличающаяся тем, что токопроводящие проводники выполнены с разъемом в средней части длины кабель-троса с возможностью перемещения, по меньшей мере, одного из концов разъема вдоль кабель-троса и фиксирования их на заданном расстоянии друг от друга.

3. Платформа по п.2, отличающаяся тем, что коаксиальный кабель-трос содержит, по меньшей мере, два подвижных относительно друг друга электроизолирующих элемента, один из которых жестко связан с первым концом разъема токопроводящего проводника кабель-троса, а другой - со вторым концом разъема токопроводящего проводника.

4. Платформа по п.3, отличающаяся тем, что электроизолирующие элементы размещены внутри коаксиального кабель-троса под слоем внешней климатической и механической защиты и/или под изоляционным слоем с возможностью перемещения, по меньшей мере, одного из электроизолирующих элементов вдоль указанных слоев.

5. Платформа по п.4, отличающаяся тем, что слой внешней климатической и механической защиты содержит, по меньшей мере, один грозоотводящий канал, заземленный в заданной точке поверхности географического региона.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к средствам обеспечения навигации высотных платформ, используемых для формирования беспроводных сетей передачи информации по линии прямой видимости в заданной географической области.

Беспроводные широкополосные сети практически находятся вне конкуренции по оперативности развертывания для географических областей, в которых большая территория сочетается с невысокой плотностью населения, широкополосные беспроводные решения имеют особое значение, так как позволяют экономично и оперативно создавать телекоммуникационную инфраструктуру на обширных территориях. Особенно важно это для информатизации удаленных и сельских регионов и решения одной из важнейших проблем информационной безопасности - проблемы «информационного неравенства» регионов.

Использование воздушных платформ обеспечивает телекоммуникационное покрытие больших географических регионов. Одновременно с созданием региональных сетей передачи данных, голоса и видеоинформации высотные платформы могут применяться для целей видеонаблюдения в радиусе 70-80 км (например, в приграничных территориях или наблюдения транспортных потоков), обнаружения лесных пожаров, экологического мониторинга с использованием сенсорных сетей, геологической и геофизических разведок, радиологического контроля и т.д.

В качестве таких высотных платформ рассматриваются гелиевые дирижабли, располагаемые на высоте 20-22 км, платформы типа летающего крыла, самолеты и вертолеты.

Известна мобильная система связи, включающая мобильные телефоны, связанные радиосвязью с базовыми станциями, по меньшей мере, часть из которых выполнена подвижными, связанными радиосвязью со стационарной шлюзовой станцией сопряжения, соединенной через линию передачи сигналов с телефонной станцией, причем, по меньшей мере, одна из подвижных базовых станций размещена на надземном передвижном объекте, выполненном в виде аэростата (патент РФ на полезную модель №28419, 2002).

Известна всенаправленная высотная антенна, представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и крепится на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком и с помощью анкера крепится к земле, которая позволяет повысить дальность связи (патент РФ №2099827, 1994).

Известна аэростатная антенна в виде металлического контейнера с прикрепленными к его корпусу радиальными проводниками, выполненными в форме петли. В указанной антенне стабилизация положения происходит при использовании не менее чем четырех специальных фалов (патент РФ №2097880, 1995).

Известен антенный провод для антенны, поддерживаемой в вертикальном положении летательным аппаратом, содержащий грузонесущий трос из синтетических нитей и токопроводящую оплетку из алюминиевых проводников, уложенных по поверхности троса под углом (патент РФ №2030039, 1991). Указанный провод не обладает достаточной надежностью при длительном использовании в беспроводных сетях передачи информации.

Для всех указанных выше аналогов помимо индивидуальных недостатков присущ общий недостаток, связанный с использованием носителя - аэростата, который заключается в необходимости использования громоздких и относительно дорогих причальных устройств для опускания и удержания аэростата на земле во время штормовых и грозовых предупреждений.

Продолжительность навигации при использовании высотных платформ региональных сетей на высотах до 1 км в естественных условиях окружающей среды на открытых пространствах обуславливает первоочередность задачи обеспечения грозозащиты системы навигации воздушных платформ и работоспособности телекоммутационной сети. При этом следует учитывать, что грозовая активность в средней полосе России составляет 2,9 ударов молний в площадь поверхности Земли размером в 1 кв.км в год (под годом следует понимать грозовой сезон).

Известен среди устройств защиты антенн от ударов молнии, в частности, молниеотвод, представляющий собой радиопрозрачную диэлектрическую трубу, который снизу закрыт и заземлен. Понижение давления внутри трубы создается набегающим ветром. Развивающаяся молния создает в трубе газоразрядный градиент. Разряд молнии отводится в землю плазмой внутри трубы (пат. РФ №2019002, 1994).

Известен универсальный способ защиты объекта от линейных, четочных и шаровых молний, в котором решается задача защиты любого объекта от прямого поражения всеми типами молний, а также от проникновения в него шаровой молнии, причем с одинаковой и высокой степенью надежности. Для этого в способ введена дополнительная операция создания вблизи защищаемого объекта зоны с напряженностью магнитного поля, превышающей по величине напряженность геомагнитного поля Земли, путем установки на известный молниеприемник молниеотвода металлического магнитного диполя, который, притягивая к себе появляющиеся в его окрестностях шаровые молнии и уничтожает их (пат. РФ №2152695, 2000).

Известен молниеотвод, содержащий центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни, диэлектрический корпус с металлической крышкой, в которую вставлены центральный стержень-молниеприемник и боковые стержни, а также с нижним отверстием, в которое вставлен центральный стержень заземления. В корпус помещены обкладки конденсаторов в виде металлических пластин и две последовательные цепи резисторов. Верхняя пластина верхнего конденсатора соединена с крышкой корпуса. Нижняя пластина нижнего конденсатора связана с центральным стержнем заземления. Разрядники расположены на смежных пластинах соседних конденсаторов. Первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним пластинам конденсаторов. Первые выводы резисторов второй цепи подсоединены к нижним пластинам конденсаторов. Число и номиналы резисторов в обеих цепях одинаковы. Корпус заполнен диэлектриком, обладающим способностью к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства. Технический результат заключается в повышении срока службы и увеличении эффективности устройства (пат. РФ №2208887, 2003).

Известно устройство для защиты подземных кабелей от грозовых воздействий, в котором защита от прямых ударов молнии в землю выполнена путем применения электрического контура, специфические свойства которого возникают в электромагнитном поле грозы и используются для отвода, канализации ствола молнии в плоскость контура. Контур молниезащиты, содержащий прямоугольную рамку из металлического троса, замкнут на электрический конденсатор, прокладывается на почве слабой проводимости, обладает свойствами приемной антенны (заявка РФ №95103385, 1996).

Наиболее близким аналогом является способ формирования региональных беспроводных сетей передачи информации, реализованный в телекоммутационной воздушной платформе, (патент на пол. мод. РФ №52296, опубл. в бюлл. №7, 2006 г.). Особенность способа формирования региональных беспроводных сетей передачи информации, включающего размещенние воздушных телекоммутационных платформ на заданных высотах путем создания подъемной силы для их удержания в заданных точках региональной сети географического региона и стабилизацию положения платформ в этих точках, заключается в том, что подъемную силу для каждой платформы создают с помощью дистанционно и/или автономно пилотируемого летательного аппарата за счет вертикальной составляющей его вектора тяги, а удержание этого летательного аппарата и платформы в заданной точке региональной сети географического региона осуществляют, связывая их с заданной точкой поверхности географического региона гибкой тягой, которую используют в качестве канала подачи энергии питания для обеспечения создания вектора тяги летательного аппарата. Стабилизацию положения платформы обеспечивают за счет инерциальной навигации летательного аппарата в заданной точке региональной сети географического региона.

Телекоммутационная воздушная платформа отличается тем, что узел формирования подъемной силы выполнен в виде фюзеляжа с приборным отсеком, связанного с винтовым движителем в виде, по меньшей мере, одной гондолы, в которой установлены электрический двигатель с редуктором и тяговым винтом, при этом фюзеляж связан посредством двухосного карданового подвеса с кабель-тросом, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса в заданной точке поверхности географического региона и связан с источником электрической энергии в этой точке.

Недостатком указанных технических решений является тот факт, что кабель-трос, связывающий летательный аппарат с наземным источником электрической энергии, представляет собой естественный громоотвод, т.к. летательный аппарат должен располагаться выше естественных или искусственных сооружений, ухудшающих условия приема и передачи телекоммутационной информационной сети, что обуславливает уменьшение ее надежности.

Технический результат предлагаемых изобретений заключается в повышении надежности навигации воздушных платформ телекоммуникационной информационной сети за счет обеспечения повышения грозозащищенности канала подачи энергии питания электродвигателей винтов и приборов воздушных платформ.

Указанный технический результат достигается в способе формирования региональных беспроводных сетей передачи информации, включающем размещение воздушных телекоммутационных платформ на заданных высотах путем создания подъемной силы для их удержания в заданных точках региональной сети географического региона с помощью дистанционно и/или автономно пилотируемого летательного аппарата, удержание которого и платформы в заданной точке осуществляют, связывая их с заданной точкой поверхности географического региона гибкой тягой, используемой в качестве канала подачи электрической энергии питания для обеспечения создания вектора тяги летательного аппарата, тем, что в качестве канала подачи электрической энергии этой гибкой тяги используют электропровод с возможностью его разъема в средней части, а для обеспечения грозозащиты сети передачи информации разводят концы разъема электропровода на расстояние не менее величины L_пр, которую рассчитывают по формуле

где Егр - средняя напряженность электрического поля в грозовых облаках, Епр - напряженность электрического пробоя воздуха,

Нвыс - высота размещения летательного аппарата.

Указанный технический результат для высотной винтокрылой платформы, содержащей станцию приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе, установленную на летательном аппарате, имеющем приборный отсек и винтовой движитель в виде электрического двигателя с редуктором и тягового винта и связанном посредством двухосного карданового подвеса с кабель-тросом, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса в заданной точке поверхности географического региона, связан с источником электрической энергии в этой точке и имеет не менее одного электроизолированного токопроводящего проводника для подачи электрической энергии к электрическому двигателю винтового движителя, достигается тем, что токопроводящие проводники выполнены с разъемом в средней части длины кабель-троса с возможностью перемещения, по меньшей мере, одного из концов разъема вдоль кабель-троса и фиксирования их на заданном расстоянии друг от друга.

Кроме того, коаксиальный кабель-трос может содержать, по меньшей мере, два подвижных относительно друг друга электроизолирующих элемента, один из которых жестко связан с первым концом разъема токопроводящего проводника кабель-троса, а другой - со вторым концом разъема токопроводящего проводника.

Кроме того, электроизолирующие элементы могут быть размещены внутри коаксиального кабель-троса под слоем внешней климатической и механической защиты и/или под изоляционным слоем с возможностью перемещения, по меньшей мере, одного из электроизолирующих элементов вдоль указанных слоев.

Кроме того, слой внешней климатической и механической защиты может содержать, по меньшей мере, один грозоотводящий канал, заземленный в заданной точке поверхности географического региона.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 - показана общая схема, иллюстрирующая предлагаемые изобретения.

На фиг.2 - представлена конструктивная схема выполнения платформы с одновинтовым движителем.

На фиг.3 - представлена конструктивная схема выполнения разъемной части коаксиального кабель-троса, связывающего летательный аппарат с источником электрической энергии в заданной точке поверхности географического региона.

Высотная винтокрылая платформа 1 (фиг.1) содержит узел формирования подъемной силы (летательный аппарат) 2, связанную с этим узлом станцию 3 приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе, обслуживающую потребителей информации 34а, 34b, 34 с, 34d, 34e, 34f. Узел формирования подъемной силы 2 выполнен, например, в виде фюзеляжа 4 (фиг.2) с приборным отсеком 5 и связан с винтовым движителем 6 в виде, по меньшей мере, одной гондолы 7, в которой установлены электрический двигатель 8 с редуктором и тяговым винтом 9. Фюзеляж связан посредством двухосного карданового подвеса 10 с кабель-тросом 11, второй конец которого зафиксирован с возможностью изменения длины кабель-троса, например, на кабельной катушке 12 в заданной точке поверхности географического региона и связан с источником электрической энергии 13 в этой точке.

В приборном отсеке размещена автономная система управления, состоящая из микропроцессора 14 и подключенных к его входам бесплатформенного инерциального блока 15, альтиметра 16, магнитометра 17, GPS-приемника 18, а также рулевых машинок 19 для поворота осей вращения электродвигателей и винтов, при установке их в гондоле или фюзеляже на кардановом подвесе.

Станция 3 приема и передачи сигналов в заданном географическом регионе выполнена в виде базовой станции системы беспроводного широкополосного доступа 20 и размещена в приборном отсеке, который содержит также аккумуляторную батарею 21, преобразователи напряжения 22, вторичные источники питания 23. Приборный отсек содержит также видеокамеру наблюдения 24.

Кабель-трос 11 выполнен коаксиальным с последовательно расположенными от центра к периферии несущей тягой 25, кивларовым несущим слоем 26, информационным волоконно-оптическим слоем 27, изоляционным слоем 28 и слоем внешней климатической и механической защиты 29. В изоляционном слое по всей длине кабель-троса размещены, по меньшей мере, два электроизолированных токопроводящих проводника 30 для подачи электрической энергии с поверхности географического региона к электродвигателям узла формирования подъемной силы.

В коаксиальном кабель-тросе помещены, по меньшей мере, два подвижных относительно друг друга электроизолирующих элемента 31, один из которых жестко связан с первым концом разъема токопроводящего проводника 30 кабель-троса, а другой - со вторым концом разъема токопроводящего проводника 30.

Указанные электроизолирующие элементы 31 размещены внутри коаксиального кабель-троса под слоем внешней климатической и механической защиты 29 и/или под изоляционным слоем 30 с возможностью перемещения, по меньшей мере, одного из электроизолирующих элементов 31 вдоль указанных слоев.

Слой внешней климатической и механической защиты может содержать, по меньшей мере, один грозоотводящий канал 32, заземленный в заданной точке поверхности географического региона и помещенный в направляющий элемент 33.

Работа высотной винтокрылой платформы осуществляется следующим образом.

Подъемная сила создается воздушным винтом, приводимым в движение электродвигателем, питанием для которого служит электроэнергия, поступающая по проводникам кабель-троса с поверхности географического региона или аккумуляторная батарея. Для создания горизонтальной составляющей тяги винта электродвигатель, установленный в кардановый подвес, наклоняется в нужном направлении при помощи двух рулевых машинок 19.

Одним из основных достоинств предлагаемого технического решения является возможность использования хорошо разработанной технологии передачи электрической энергии и информационных потоков с помощью кивларового кабель-троса. Наличие в кабеле медных проводов обеспечивает надежное электропитание электродвигателей платформы и их работу в течение длительного времени без опускания платформы на землю (не менее одного года); оптическое волокно в кабель-троса позволяет передавать с высокой скоростью (100 Мбит/с) большие объемы информации с борта на землю и с земли на борт.

Кроме этого указанные платформы могут обеспечить функции видеонаблюдения и ряд других функций, которые были описаны ранее.

Исходные данные при возникновении грозовой обстановки и необходимые параметры телекоммутационной системы связи с использованием воздушной платформы с гибкой тягой, обеспечивающие необходимую грозозащиту, приведены ниже.

При попадании молнии в проводник высокая энергия тока в доли секунды нагревает электропроводку до такой температуры, что она просто сгорает. Это явление относится ко всем проводникам, диаметр которых меньше 16 мм меди. Из этих соображений заземление антенн в соответствии с мировыми стандартами МЭК предписывается выполнять диаметром не ниже 16 мм меди, что соответствует сечению провода

В качестве минимальных массогабаритных требований, которым должна удовлетворять высотная винтокрылая платформа являются следующие:

- масса радиооборудования, размещаемого на платформе, не менее 30 кг;

- высота зависания платформы до 200 метров;

- масса кабеля-троса 12 кг;

- потребляемая мощность радиооборудования 600 Вт;

- напряжение питания радиооборудования 5 В и 12 В постоянного тока;

- время непрерывной работы оборудования без обслуживания, не менее года;

- работоспособность аппарата во всех климатических зонах региона;

- диапазон рабочих температур радиооборудования -55°С - +55°С;

- скорость ветра до 20 м/с.

Для удовлетворения перечисленных выше требований необходимо выбрать рациональную схему построения телекоммуникационной платформы, обладающую наилучшими массогабаритными показателями.

При потребной тяге винта 500 н, масса электродвигателя составляет соответственно Mq=10 кг, а энергопотребление 10 КВт.

По справочным данным [Справочник машиностроителя. В трех томах. Том 1. Ред. акад. Е.А.Чудаков М., ГИНТИ «Машиностроение», 1951 г., 1036 с.] средняя эффективность подъемной силы вертолета равна приблизительно Э=0,2 л.с. (лошадиной силы) на 1 кг подъемной силы. Учитывая, что:

1 л.c.=75 кгм/с; 1 кВт=102 кгм/с; то 1 л.с.=0,736 кВт.

Найдем коэффициент подъемной силы для вертолета:

Чтобы определить параметры электрического кабеля необходимо знать допустимую плотность тока. Для ориентировочного расчета используем справочные данные.

Так для неизолированного алюминиевого провода (наиболее легкий из широко используемых проводников) на открытом воздухе без изоляции с нагревом до 70°С допустимая плотность тока

Для удобства сравнений вариантов расчет будем вести на мощность Р=1 кВт. Тогда:

Для ориентировочного расчета (по порядку величины) примем допустимую плотность тока несколько меньшую из-за неизбежного наличия изоляции (даже самой элементарной). Примем плотность тока с некоторым запасом по отношению к допустимой -

Пренебрегаем также падением напряжения в кабеле, т.к. его можно скомпенсировать на Земле.

Примем падение напряжения на полезной нагрузке (на электродвигателе и приборах летательного аппарата) равным U=100 В. Тогда сечение провода будет:

Поскольку ток (J) течет в двух направлениях, мы имеем в кабель-тросе минимум два провода, т.е. S ₂=4 мм²;

Тогда масса 1 м провода из алюминия при передаваемой электрической мощности 1 кВт будет

Для 10 кВт получим примерно 108 г/м.

Однако для того чтобы обеспечить навигацию и работоспособность телекоммутационной системы связи с использованием воздушной платформы с гибкой тягой после попадания молнии в проводник (чтобы он не выгорел полностью), в соответствии с требованиями мировых стандартов МЭК (S=201 мм ²), сечение проводов должно быть увеличено не менее чем в пятьдесят раз, что, соответственно, пропорционально увеличивает вес кабель-троса.

Кроме того, нужно иметь в виду то обстоятельство, что с ростом рабочего напряжения будет увеличиваться доля изоляции в весе кабеля. В свою очередь увеличение изоляции положительно скажется на устойчивости к явлениям атмосферного электричества.

В части атмосферного электричества имеются следующие данные [И.Имянитов, Д.Тихий. За гранью закона Л., Гидрометеоиздат, 1967,143 с.]:

- средняя напряженность (Е) электрического поля в грозовых облаках составляет 1000-2000 В/см,

- в отдельных облаках напряженность может достигать значений 4000-5000 В/см,

- вертикальные молнии бывают длиной 10-12 км,

- горизонтальные достигают длины 50 км и даже 150 км,

- напряженность электрического пробоя сухого воздуха при 1атм составляет Е=30 кВ/см.

Исходя из этих данных на длине (высоте) 200 м при Е=2 кВ/см может возникнуть напряжение

U=2[кВ/см]·20000[см]=40000[кВ]=4·10 ⁷ В.

Если провод разорвать с помощью штепсельного разъема и развести концы на расстояние (L_пр ), то при Е_пробоя=30 кВ/см получим:

Таким образом, разводя провод на расстояние L>L_пр, пробой можно предотвратить, не увеличивая сечение проводов и, соответственно, массу кабель-троса.

В этом случае предусмотрен автоматический режим работы платформы с использованием энергии бортового аккумулятора.

Однако необходимо учитывать несколько обстоятельств.

Во-первых, влажный воздух имеет меньшую электрическую прочность, как изолятор.

Во-вторых, поскольку при указанных выше средних налряженностях (Е) электрического поля 1000-2000 В/см грозовые разряды все-таки происходят, существуют определенные инициаторы пробоя. Ими являются различные источники первичной ионизации. Ими могут быть и ливни космических лучей, и загрязнение атмосферы. Поэтому здесь можно говорить лишь о вероятностях уменьшения риска пробоя. Не лишним будет и требование, чтобы при разрыве кабеля через (ШР) на нем не должно быть голых (неизолированных) проводов с острыми концами. С острых концов проводников происходит «стекание» зарядов (огни Эльма), которые также могут инициировать пробой. Не исключен и вариант, когда параллельно кабелю наверх придется поднимать и неизолированный провод громоотвода. Наверху он должен быть выше платформы.

Таким образом, применением предлагаемых изобретений обеспечен технический результат, заключающийся в повышении надежности навигации высотных платформ телекоммуникационной информационной сети за счет обеспечения повышения грозозащищенности канала подачи энергии питания.