устройство для контроля действий спортсмена на дистанции

Формула изобретения

Устройство для контроля действий спортсмена на дистанции, состоящее из передающего блока, переносимого спортсменом и содержащего радиопередатчик, выход которого подключен к передающей антенне, а вход к выходу высокочастотного модулятора, вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно контактного ключа, размещенного в обуви спортсмена, и электронного ключа, управляющий и информационный входы которого подключены к выходам соответственно триггера и GPS-приемника, снабженного антенной, вход триггера подключен к выходу счетчика импульсов, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно контактного ключа и генератора опорных импульсов, и приемного блока, содержащего радиоприемник, вход которого подключен к приемной антенне, а выход - к входу высокочастотного демодулятора, выход которого подключен к первому входу переключателя режима обработки сигнала, второй вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, первый и второй выходы переключателя режима обработки сигнала подключены к входам соответственно первой линии задержки и GPS-демодулятора, выход которого подключен к входу табло отображения состояния спортсмена, выход первой линии задержки подключен к первым входам первого и второго элементов И, второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента НЕ, вход которого подключен к входу регистрирующего прибора и выходу второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно второй линии задержки и первого элемента И, второй вход которого подключен к первому выходу переключателя режима обработки сигнала, выход второго элемента И подключен к входам индикатора тревоги и ждущего мультивибратора, а выход первого элемента И подключен к входу второй линии задержки, отличающееся тем, что в передающем блоке высокочастотный модулятор выполнен в виде задающего генератора, выход которого подключен к первому входу фазового манипулятора, выход и второй вход которого являются соответственно выходом и входом высокочастотного модулятора, а в приемном блоке высокочастотный демодулятор выполнен в виде первого и второго амплитудных детекторов полярности, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входами третьего сумматора, выход которого является выходом высокочастотного демодулятора, входы первого и второго амплитудных детекторов полярности подключены к выходам соответственно первого и второго сумматоров, первые входы которых объединены с входом третьей линией задержки и являются входом высокочастотного демодулятора, а выход третьей линии задержки подключен к второму входу первого сумматора и к входу фазовращателя на 180°, выход которого подключен к второму входу второго сумматора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спортивным тренажерам и может быть использовано для контроля и обеспечения безопасности спортсменов на тренировках и в процессе соревнования, например, по спортивному ориентированию.

Известны устройства для контроля действий спортсмена на дистанции (авт. свид. СССР №№748471, 1284571, 1418798, 1497630; патенты РФ №№2002476, 2024060, 2023311, 2031679, 2051419, 2181611; патенты США №№4309599, 4536739; патент Франции №2514175; заявка WO 95/30157 и другие).

Недостатком известных аналогов является относительно большое время определения местонахождения спортсмена, в случаях необходимости оказания ему помощи.

Из известных устройств наиболее близким, по своей технической сущности, к заявленному является «Устройство для контроля действий спортсмена на дистанции» (Патент РФ №2181611, А63В 71/06, 2000 г.), которое и выбрано в качестве прототипа.

Устройство-прототип состоит из передающего блока, переносимого на теле спортсмена, и приемного блока, установленного стационарно в пункте контроля за действиями и состоянием спортсменов, находящихся на дистанции. Передающий и приемный блоки взаимодействуют с помощью излучаемых (принимаемых) электромагнитных волн (ЭВМ) через среду распространения (воздух).

Передающий блок (ПрдБ) состоит из радиопередатчика (РПрд) с передающей антенной, GPS-приемника, снабженного антенной, высокочастотного модулятора (ВЧМ) и совокупности элементов, обеспечивающих формирование сигнала о состоянии и местонахождении спортсмена.

Приемный блок (ПрмБ) состоит из радиоприемника (РПрм) с антенной, высокочастотного демодулятора (ВЧДМ), GPS-демодулятора и совокупности элементов, обеспечивающих распознавание принятых сигналов о состоянии и местонахождении спортсмена на дистанции.

Устройство-прототип обеспечивает сокращение времени определения местоположения спортсмена, требующего экстренной помощи.

Недостатком прототипа является относительно низкая надежность функционирования устройства для контроля действий спортсмена на дистанции, что обусловлено высокой вероятностью сбоя в работе канала связи, по которому передают информацию о местоположении спортсмена, требующего экстренной помощи.

Такие сбои могут возникать из-за снижения энергетического потенциала радиолинии (снижение отношения сигнал/помеха), по которой передаются сигналы контроля за состоянием спортсмена. Снижение энергетики радиолинии может быть обусловлено возникновением электромагнитных помех или снижением уровня полезного сигнала из-за увеличения множителя ослабления (увеличения степени поглощения сигнала) в тракте распространения радиоволн, например, при перемещении спортсмена по сильно пересеченной местности или в лесном массиве.

Целью изобретения является разработка устройства для контроля действий спортсмена на дистанции, обеспечивающего повышение надежности функционирования устройства, снижения вероятности сбоев в работе канала для передачи информации о местонахождении спортсмена.

Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для контроля действий спортсмена на дистанции, состоящем из ПрдБ, переносимого спортсменом, и содержащем РПрд, выход которого подключен к передающей антенне, а вход к выходу ВЧМ, вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно контактного ключа (ККл), размещенного в обуви спортсмена, и электронного ключа (ЭКл), управляющий и информационный входы которого подключены к выходам соответственно триггера и GPS-приемника, снабженного антенной, вход триггера подключен к выходу счетчика импульсов (СчИ), первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно ККл и генератора опорных импульсов (ГОИ), и ПрмБ, содержащем РПрм, вход которого подключен к приемной антенне, а выход - к входу ВЧДМ, выход которого подключен к первому входу переключателя режима обработки сигнала (ПРОС), второй вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора (ЖМВ), первый и второй выходы ПРОС подключены к входам соответственно первой линии задержки (ЛЗ) и GPS-демодулятора, выход которого подключен к входу табло отображения состояния спортсмена (ТОСС), выход первой ЛЗ подключен к первым входам первого и второго элементов И, второй вход второго элемента И подключен к выходу элемента НЕ, вход которого подключен к входу регистрирующего прибора и выходу второго элемента ИЛИ, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно второй ЛЗ и первого элемента И, второй вход которого подключен к первому выходу ПРОС, выход второго элемента И подключен к входам индикатора тревоги и ЖМВ, а выход первого элемента И подключен к входу второй ЛЗ. Новым является выполнение ВЧМ в ПрдБ и ВЧДМ в ПрмБ.

В ПрдБ ВЧМ выполнен в виде задающего генератора (ЗГ), выход которого подключен к первому входу фазового манипулятора (ФМП), выход и второй вход которого являются соответственно выходом и входом ВЧМ. В ПрмБ ВЧДМ выполнен в виде первого и второго амплитудных детекторов полярности (АДП), выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего сумматора, выход которого является выходом ВЧДМ. Входы первого и второго АДП подключены к выходам соответственно первого и второго сумматоров, первые входы которых объединены с входом третьей ЛЗ и являются входом ВЧДМ. Выход третьей ЛЗ подключен к второму входу первого сумматора и к входу фазовращателя на 180°, выход которого подключен к второму входу второго сумматора.

Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование фазоманипулированных сигналов о состоянии спортсмена на дистанции для их передачи от ПрдБ и ПрмБ, которые являются более помехозащищенными, что снижает вероятность сбоя в работе канала радиосвязи и, следовательно, повышает надежность функционирования устройства.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - структурная схема устройства;

на фиг.2, 3 - эпюры сигналов, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство для контроля действий спортсмена на дистанции, структурная схема которого показана на фиг.1, состоит из передающего блока (фиг.1а) и приемного блока (фиг.1б). ПрдБ переносится спортсменом, перемещающимся по дистанции. ПрдБ, например, может быть закреплен на одежде спортсмена. ПрмБ размещают на пункте контроля, например, на старт-финишной площадке или, в случае протяженных дистанций (пересечение пустыни), на подвижном объекте (автомобиле, летательном аппарате и т.п.).

ПрдБ (фиг.1а) состоит из РПрд4, выход которого подключен к передающей антенне 4.1. Вход РПрд 4 подключен к выходу ВЧМ 3, вход которого подключен к выходу первого элемента ИЛИ 2. ВЧМ 3 состоит из ЗГ 3.1, выход которого подключен к первому входу ФМП 3.2. Второй вход и выход ФМП 3.2 являются соответственно входом и выходом ВЧМ 3. Первый и второй входы первого элемента ИЛИ 2 подключены к выходам соответственно ККл 1 и ЭКл 8. ККл 1 размещают в обуви спортсмена. Кроме того, выход ККл 1 подключен к первому входу СчИ 5, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу ГОИ 6 и входу триггера 7. Выход триггера 7 подключен к управляющему входу ЭКл 8, информационный вход которого подключен к выходу GPS-приемника 9, снабженного приемной антенной 9.1.

ПрмБ (фиг.1б) состоит из РПрм 11, вход которого подключен к приемной антенне 11.1, а выход - к входу ВЧДМ 12. Выход ВЧДМ 12 подключен к первому входу ПРОС 13. Первый и второй выходы ПРОС 13 подключены к входам соответственно первой ЛЗ 14 и GPS-демодулятора23. Второй вход ПРОС 13 подключен к выходу ЖМВ 22, а первый выход ПРОС 13 также подключен к второму входу первого элемента И 15. Выход GPS-демодулятора 23 подключен к входу ТОСС 24. Выход первой ЛЗ 14 подключен к первым входам первого 15 и второго 16 элементов И. Выход первого элемента И 15 подключен к входу второй ЛЗ 18 и к второму входу второго элемента ИЛИ 17, выход которого подключен к входам элемента НЕ 20 и РП 19. Выход второй ЛЗ 18 подключен к первому входу второго элемента ИЛИ 17.

Второй вход и выход второго элемента И 16 подключены соответственно к выходу элемента НЕ 20 и входу ИТ 21, вход которого также подключен к входу ЖМВ 22.

ВЧДМ 12 состоит из третьего сумматора 12.7, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого 12.5 и второго 12.6 АДП. Входы первого 12.5 и второго 12.6 АДП подключены к выходам соответственно первого 12.3 и второго 12.4 сумматоров, первые входы которых объединены с входом третьей ЛЗ 12.1 и являются входом ВЧДМ 12. Выход третьей ЛЗ 12.1 подключен к входу фазовращателя на 180° 12.2, и к второму входу первого сумматора 12.3. Выход третьего сумматора 12.7 является выходом ВЧДМ 12. Выход фазовращателя на 180° 12.2 подключен к второму входу второго сумматора 12.4.

ПрдБ и ПрмБ взаимодействуют через среду распространения 10 (воздух) с помощью электромагнитных волн (ЭМВ), переносящих информационные сигналы о состоянии спортсмена на дистанции и координатах его местоположения.

Входящие в общую структурную схему устройства элементы известны и выпускаются промышленностью.

ВЧМ 3 предназначен для модуляции высокочастотных (в.ч.) колебаний, генерируемых РПрд 4. Модуляционный сигнал содержит информацию о номере, состоянии и местоположении спортсмена на дистанции.

GPS-приемник 9 предназначен для приема сигналов от группировки навигационных космических аппаратов (например, из состава Глонасс или Navstar), которые используются для определения координат местонахождения спортсмена на дистанции.

ВЧДМ 12 предназначен для выделения из принятых РПрм 11 сигналов информации о номере и о местонахождении спортсмена и характеристике его состояния.

GPS-демодулятор 23 предназначен для обработки выделенных ВЧДМ 12 сигналов, с целью определения координат местоположения спортсмена на дистанции.

Остальные элементы устройства предназначены для формирования сигналов, отображающих состояние и местоположение спортсмена, а также формирования и отображения сигнала тревоги, в случае отклоняющего состояния спортсмена.

Заявленное устройство работает следующим образом.

ПрмБ (фиг.1б), находящийся в пункте контроля, постоянно включен на весь период прохождения спортсменами дистанции.

В момент времени t_вкл старта на дистанцию спортсмен включает переносимый им ПрдБ (фиг.1а). При этом:

включается GPS-приемник 9, в который предварительно вводят номер спортсмена и который непрерывно по имеющейся в наличии группировке навигационных космических аппаратов (в составе Глонасс или Navstar) определяет координаты местоположения спортсмена;

включается ГОИ 6, который непрерывно генерирует опорные импульсы с частотой следования F₀ много большей, чем максимально возможная частота шагов F_ш, в секунду спортсмена, т.е. F₀>>F_ш . Длительность опорных импульсов ₀ выбирают много меньшей, чем минимально возможное время _ш опоры спортсмена на ногу при его движении на дистанции, т.е. ₀<< _ш;

включается ЗГ 3.1, который непрерывно генерирует высокочастотное (в.ч.) колебание (фиг.2б)

u_c(t)=Um·cos( _ct+ _c),

где _с=2 f_c; f_c - частота в.ч. колебаний, _с - начальная фаза в.ч. колебаний;

Um - амплитуда в.ч. колебания.

Триггер 7 принудительно устанавливается в нулевое положение и этим запирает его через управляющий вход ЭКл 8 для прохождения сигналов от GPS-приемника 9;

опорные импульсы, генерируемые ГОИ 6, считываются СчИ 5.

Далее каждый раз при опоре спортсмена на ногу, в обуви которой установлен ККл 1, последний замыкается, что приводит к открытию первого элемента ИЛИ 2 по первому входу и одновременному обнулению СчИ 5. Малогабаритный РПрд 4 начинает излучать высокочастотный (в.ч.) радиоимпульс u_c1(t) длительностью _ш (фиг.2г).

u _c1(t)=Um·cos( _ct+ _c),

где текущее время 0<t T_ш; Т_ш=1/F _ш - период следования шагов спортсмена (фиг.2в).

В промежутках между радиоимпульсами, когда ККл 1 не замкнут (нога спортсмена не имеет опоры), СчИ 5 ведет подсчет числа опорных импульсов, поступающих с выхода ГОИ 6. Общее число ячеек N СчИ 5 выбрано таким образом, чтобы суммарное время их заполнения Т_тр=N·Т₀, где Т₀=1/F₀ - период следования опорных импульсов - было равно минимально допустимому времени Т_тр тревожного ожидания и превышало Т_ш, т.е. Т_ш<Т _тр (см. фиг.2в и фиг.2ж).

Время Т _тр выбирают из предположения, что в нормальном состоянии спортсмен должен в период времени Т_тр хотя бы один раз опорой ноги замкнуть вмонтированный в обувь ККл 1.

В случае, когда спортсмен в течение времени Т _тр не в состоянии замкнуть ККл 1 (травма, падение, потеря сознания и т.п.) (см. фиг.2е), СчИ 5 переполняется (фиг.2ж). Импульс его старшего разряда N переводит триггер 7 в единичное состояние (момент времени t₁ на фиг.2з). Единичное напряжение с выхода триггера 7 (фиг.2е) поступает на управляющий вход ЭКл 8, который открывается по информационному входу. При этом информационные сигналы о номере спортсмена и сигналы о координатах спортсмена в коде GPS M(t) (фиг.3б) с выхода GPS-приемника 9 поступают через второй элемент ИЛИ 2 на вход ВЧМ 3, который является вторым входом ФМП 3.2. Одновременно на первый вход ФМП 3.2 поступает в.ч. сигнал u_c (t) (фиг.3а) от ЗГ 3.1. Модулирующий код M(t) (фиг.3б) содержит L=К+М элементарных посылок, длительностью _k каждая (фиг.3б), из которых К элементарных посылок отражают номер спортсмена, а М элементарных посылок отображают вычисленные координаты спортсмена. В результате на выходе ФМП 3.2 и, следовательно на выходе ВЧМПЗ формируется сложный фазоманипулированный сигнал (фиг.3в).

u_c2(t)=Um·cos( _ct+ _k(t)+ _c), 0<t _ш, 0<t T_p,

где _k(t)={0, } - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем _к(t)=const при l _k<t (l+1) ₀, где l=1, 2, ..., (L-1) и может изменяться скачком на к при t=l _k. Общее число элементарных ссылок L и их длительность _k определяют общую длительность фазоманипулированного сигнала Т_с=L _з Т_тр.

Фазоманипулированный сигнал с выхода ВЧМ 3 поступает на вход РПрд 4, где он после усиления излучается в эфир с помощью передающей антенны 4.1.

Излученный сигнал в этом случае содержит информацию о номере и координатах местоположения спортсмена, являющейся одновременно информацией о нестандартном (тревожном) состоянии спортсмена.

Эта информация через тракт 10 распространения ЭМВ в закодированном формате GPS передается в виде последовательности разнополярных радиоимпульсов (фиг.3в), длительность каждого из которых _к на несколько порядков меньше длительности _ш опоры спортсмена на ногу ( _к<< _ш).

Принимаемый ПрмБ фазоманипулированный сигнал u_c2(t) с выхода РПрм 11 поступает на вход ВЧДМ 12 и, следовательно, одновременно поступает на первые входы первого 12.3 и второго 12.4 сумматоров и на вход третьей ЛЗ 12.1, время задержки _з которой выбрано равным длительности импульсов _к, т.е. _з= _к. На выходе третьей ЛЗ 12.1 формируется сигнал вида (фиг.3г):

u_c3(t)=u _c(t- _к)=U_m·cos( _c(t- _к)+ _k(t- _к)+ с), 0<t _ш, 0<t Т_c,

который поступает на второй вход первого сумматора 12.3 и на вход фазовращателя на 180° 12.2, на выходе которого формируется фазоманипулированный сигнал вида (фиг.3д):

u_c4(t)=-U _m·cos( _c(t- _к)+ _k(t- _к)+ _с), 0<t _ш, 0<t Т_c,

который в свою очередь поступает на второй вход второго сумматора 12.4. В результате сложения фазоманипулированных сигналов u_c2 (t) и u_c3(1) в первом сумматоре 12.3 на его выходе формируется суммарный сигнал u_c5 (t)=u_c2(t)+u_c3(t) (фиг.3е).

Аналогично на выходе второго сумматора 12.4 формируется сигнал u_c6(t)=u_c2 (t)+u_c4(t) (фиг.3ж). Суммарные сигналы u_c5(t) и u_c6(t) поступают на входы соответственно первого 12.5 и второго 12.6 АДП, на выходах которых формируются видеоимпульсы соответственно u ₇(t) (фиг.3з) и u₈(t) (фиг.3и). Указанные видеоимпульсы поступают соответственно на первый и второй входы третьего сумматора 12.7, на выходе которого образуется суммарный сигнал u₉(t) в форме видеоимпульсов u ₉(t)=u₇(t)+u₈ (t) (фиг.3к), пропорциональный модулирующему коду M(t) (фиг.3б).

Это напряжение поступает на первый вход первой ЛЗ 14 и первого элемента И 15 через первый выход ПРОС 13. На второй вход первого элемента И 15 подается сигнал с выхода первой ЛЗ 14. Время задержки сигнала в первой 14 и второй 18 линиях задержки идентично и выбрано несколько большим длительности импульсов, составляющих цифровой стандарт GPS. Поэтому сигнал на выходе первого элемента И 15 действует только при замкнутом ККл 1. Причем длительность импульса на выходе первого элемента И 15 короче времени опоры спортсмена на одну из ног на время задержки сигнала первой ЛЗ 14. Вторая ЛЗ 18 и второй элемент ИЛИ 17 восстанавливают реальную длительность опоры спортсмена на ногу. Сигнал с выхода второго элемента ИЛИ 17 поступает на вход элемента НЕ 20 и на вход регистрирующего прибора 19, где записывают его на бумажную ленту в виде графика, либо в другой заданной форме. Сигнал на входе элемента НЕ 20 действует только в случае разомкнутого ККл 1. Этот сигнал открывает второй элемент И 16 по второму входу. По первому входу второй элемент И 16 открывается общей импульсной последовательностью с выхода первой ЛЗ 14. Сигнал на выходе второго элемента И 16 действует только при наличии сигналов на обоих входах, что может наблюдаться при наличии в импульсной последовательности навигационных данных. Короткие импульсы с выхода второго элемента И 16 поступают на индикатор тревоги 21 и вход ЖМВ 22, который генерирует одиночные импульсы с длительностью, достаточной для уверенного приема и декодирования из стандарта GPS координатной информации. Этот одиночный импульс переключает вход ПРОС 13 на второй выход, и сигнал в стандарте GPS с выхода ВЧДМ 12 поступает на вход демодулятора GPS 23, где переводится в форму, заданную для табло отображения.

После окончания действий одиночного импульса на выходе ЖМВ 22 ПРОС 13 возвращается в исходное состояние, то есть его вход коммутируется на первый выход. Аппаратура вновь анализирует принимаемую по радиоканалу информацию.

Если спортсмен продолжает находится в тревожном состоянии, то после повторного анализа длительности входных импульсов ЖМВ 22 повторно генерирует импульсы. При этом индикация режима тревоги в индикаторе тревоги 21 и визуализация координатной информации на табло отображения 24 прерывается на короткое время анализа длительности импульса (не более единиц мс) и практически не заметна.

В случае, если спортсмен самостоятельно перевел носимую аппаратуру из тревожного в рабочее состояние, включается регистрирующий прибор 19, а ЖМВ 22 прекращает генерировать одиночные импульсы. Координатная информация на табло отображения 24 исчезает, а индикатор тревоги 21 выключается.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими средствами аналогичного назначения обеспечивает повышение устойчивости функционирования радиоканала. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМН) и соответствующим построением схемы демодулятора этих сигналов.

Фазоманипулированные сигналы имеют автокорреляционные свойства, позволяющие более эффективно решать вопросы синхронизации работы приемных и передающих устройств радиолиний, особенно в условиях воздействия помех.

Прием сложных фазоманипулированных сигналов осуществляется методами структурной селекции по их форме в частотно-временной области. Это позволяет более рационально использовать отводимые радиочастотные диапазоны частот, эффективно решать при их обработке вопросы борьбы с взаимными помехами.

Фазоманипулированные сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью, что позволяет обеспечить их уверенный прием даже на фоне электромагнитных шумов, превосходящих сигналы по амплитуде.

Отмеченное дает возможность обеспечить устойчивую работу радиоканала с меньшими уровнями сигнала, т.е. возможность снижения требований к мощности передающего блока, переносимого спортсменом.

Таким образом, в заявленном устройстве за счет достижения возможности использования сложных фазоманипулированных сигналов обеспечивается высокая устойчивость работы радиоканала и снижение вероятности сбоя работы устройства, т.е. его более высокая надежность, что указывает на достижение сформулированного технического результата.