Индукционная подземная система связи и позиционирования

Двухсторонняя беспроводная связь подземелья с поверхностью - моя старая мечта. Ещё в 80-е годы прошлого века я заинтересовался этой проблемой, и даже сделал робкую попытку её решить. Тогда всему помешало подростковое раздолбайство, отсутствие необходимых знаний, и главное - недостаток усидчивости. Вернувшись после перерыва в 25 лет под землю, я опять вспомнил про старую мечту. На разработку изделия пришлось потратить примерно год. Наконец, чудо свершилось! Весной 2024 года:

- Гелиос Плутону: как меня слышишь? (это я, сидя в Никитах у памятника Шагалу).
- Слышу нормально, разборчивость связи хорошая (это уже Даниил с поверхности, через 22м породы и грунта).

Настоящая радиосвязь под землёй на сверхдлинных волнах разработана и даже изредка применяется. Её недостаток - огромные по размерам антенны. Поэтому сделать такую связь мобильной невозможно. Более короткие радиоволны хотя и позволяют использование компактных антенн, но очень сильно поглощаются горной породой и влажным грунтом. Остаётся только один вариант - индукционная связь. В этом случае, для передачи информации используется не радиоволна, а переменное магнитное поле, которое практически не поглощается влажной средой.

Индукционное позиционирование в спелеологии.

Принцип индукционной связи используется спелеологами разных стран, включая Россию для привязки точки находящейся под землёй к поверхности. В качестве антенн применяются тонкие катушки большого диаметра.
Нижняя антенна размещается в интересующей точке под землёй и с помощью уровней устанавливается строго горизонтально. К антенне подключается генератор звуковой частоты, после чего нижняя станция начинает излучать переменное магнитное поле и превращается в своеобразный радиомаяк. На поверхности магнитное поле от маяка принимается такой же по размеру антенной, но ориентированной в вертикальной плоскости. Антенна подключается к усилителю низкой частоты, оператор слышит сигнал маяка через наушники.
Поворачивая верхнюю антенну вокруг вертикальной оси, оператор по громкости сигнала определяет направление на маяк. При приближении к месту установки маяка, сигнал сначала возрастает, а потом резко пропадает. "Замирание" сигнала означает, что обе антенны находятся на одной вертикальной линии. Таким образом, происходит привязка подземного объекта к поверхности земли. Кроме того, перовские спелеологи разработали методику вычисления расстояния между антеннами, что позволяет определять глубину нахождения нижнего маяка.
Всё бы хорошо, но у существующей схемы есть большой недостаток, - отсутствие связи между нижним и верхним оператором. Поэтому, их согласованные действия крайне затруднены. Для перестановки нижней станции требуется посылать гонца под землю, что может быть очень непростой и не быстрой затеей. Двухсторонняя голосовая связь между верхним и нижним операторами решает эту проблему. Появляется возможность быстрого перемещения на следующие точки измерения.

Как это работает.

По компоновке и схемотехнике устройства похожи на обычные рации. Каждая станция состоит из аппаратного блока и выносной рамочной антенны диаметром 650мм. Рабочая частота станций 57кГц. Для передачи сигнала используется амплитудная модуляция. Обе станции являются трансиверами, т.е. содержат в себе и приёмник и передатчик. У нижней станции есть опция "маяк", которая включается на момент использования в качестве радиомаяка. В этом режиме нижняя станция излучает переменное магнитное поле, модулированное прерывистым звуковым сигналом. Через каждые 10 секунд передачи нижняя станция на 2 секунды переключается в режим приёма. Это "окно для вызова" отлично слышит верхний оператор. Если ему надо связаться с "подземлёй" он нажимает кнопку "вызов" в паузе между сигналом маяка. После чего оператор нижней станции переключается на режим голосовой связи. Так появляется возможность согласовать дальнейшие действия, например переход на другую точку измерения.

Дальность действия, в условиях довольно замусоренного эфира Домодедовского района Подмосковья, составила около 100м (маяк чуть больше). Перспективы увеличения дальности возможны с увеличением диаметра антенн и(или) увеличением мощности передатчиков. Первое ограничено "пролезабельностью" антенн в лабиринтах подземелий, второе - имеющимися ресурсами электропитания. Для Никитских пещер диаметр антенны 65см и запас по питанию для маяка около 4.5 часов близки к оптимуму.

Также была сделана попытка прямого измерения расстояния между антеннами по уровню принимаемого сигнала. Для этого в верхнюю станцию добавлен измерительный приёмник и цифровой тестер. Пока из этого ничего не получилось. Вероятнее всего, слишком поспешно и недостаточно тщательно была выполнена калибровка. Наиболее надёжной (хотя и сложной) остаётся схема измерения перовцев (по форме магнитного поля катушки). Со временем, опцию прямого измерения расстояния планируется довести до рабочего состояния.