РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ С ФАЗОМОДУЛИРОВАННЫМ КАНАЛОМ ТЕЛЕМЕТРИИ
RADAR SYSTEM FOR SOUNDING THE ATMOSPHERE WITH A PHASE-MODULATED TELEMETRY CHANNEL

Изобретение относится к радиотехнике, точнее к радиолокации, и может быть использовано в разработках новых систем радиозондирования (CP) атмосферы с повышенной помехоустойчивостью передачи телеметрической информации с борта аэрологического зонда (АРЗ) на наземную базовую радиолокационную станцию (РЛС) сопровождения.
Общей проблемой производства и эксплуатации CP атмосферы является создание высокоточных систем определения координат АРЗ, недорогих конструкций аэрологических зондов, обеспечивающих измерение метеорологических параметров атмосферы с необходимой точностью, надежную передачу информации с борта АРЗ на наземную базовую РЛС сопровождения в оперативном радиусе действия CP, в условиях замирания сигналов АРЗ из-за его раскачивания и неравномерной диаграммы направленности антенны. Также проблемой аэрологических систем является их помехоустойчивость к естественным и искусственным помехам, т.е. необходимо создание систем с повышенной помехозащищенностью на основе схемно-технических решений и цифровой обработки аппаратурой РЛС принимаемой телеметрии.
н
Отечественные системы радиозондирования атмосферы построены по угломерно-дальномерному методу измерения координат, скорости и направления движения радиозонда в свободной атмосфере. Измерение угловых координат: азимута (β), угла места (ε), а, также, наклонной дальности (R) осуществляется радиоимпульсным методом с активным ответом. Особенно эффективным оказалось использование в составе радиозондов сверхрегенеративных приемопередатчиков-ответчиков (СПИ). Интенсивное излучение СИИ обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП к радиоимпульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении СПП при пониженной мощности передатчика запросных радиоимпульсов РЛС. Весьма важным, в конечном счете, оказывается тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации системы радиозондирования работают на одной несущей частоте (см. В.И.Ермаков и др. "Системы зондирования атмосферы", Гидрометеоиздат, 1977, с. 247-249; Зайцева Н.А. Аэрология. Гидрометеоиздат, 1990. 325 с.).
Известна система радиозондирования атмосферы радиолокационного типа «Метеорит-РКЗ» работающая в диапазоне частот 1780 МГц (см. Ермаков В.И., Кузенков А.Ф., Юрманов В.А. Системы зондирования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 304 с.). Ламповый радиозонд типа РКЗ снабжен сверхрегенеративным приемопередатчиком, который совместно с наземной РЛС «Метеорит» обеспечивает измерение угловых координат, наклонной дальности по запросному радиоимпульсу и передачу на РЛС метеорологической информации, которая осуществляется путем амплитудной манипуляции излучения СПП телеметрическим сигналом. Достоинством CP типа «Метеорит-РКЗ» является полная автономность работы, невысокая стоимость измерения МПА в оперативном радиусе действия до 250 км.
Недостатком системы, является, низкая помехозащищенность CP при амплитудной модуляции телеметрическим сигналом излучения СПП, большой интервал передачи цикла метеорологической информации (цикла телеметрических частот измерительного преобразователя АРЗ) в течение 20 секунд, что снижает надежность и точность измерения МПА в условиях замирания сигнала АРЗ при его раскачивании.
Исторически передача телеинформации с борта АРЗ происходила вначале с амплитудной или с двойной амплитудной модуляцией, самой простой, но не очень помехозащищенной, см. книгу Н.А. Зайцева, «Аэрология», Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990, стр. 164.
При разработке новой CP типа АВК передача телеметрической информации с борта радиозонда на наземную РЛС сопровождения стала осуществляется с помощью частотной манипуляции поднесущей (суперирующей) частоты сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда, значительно более помехоустойчивую по сравнению с амплитудной модуляцией, см. патент РФ №138807 от 27.02.2014. - ПРОТОТИП, в котором за счет частотной манипуляции поднесущая частота передатчика АРЗ находится в пределах 800±17кГц. Ширина спектра телеметрического сигнала составляет Δf=5кГц. Однако ширина полосы приема канала телеметрического сигнала РЛС равна Δf=39 кГц, т.е. в 7 раз больше ширины спектра телеметрического сигнала. Этот факт определяет невысокое отношение сигнал\шум в канале телеметрии и снижает качество приема. Помех по тракту передачи и приема телеметрической информации предостаточно.
Помехи в системе АР3-базовая наземная РЛС сопровождения делятся на естественные и искусственные.
К первой относятся:
- грозовая деятельность в атмосфере;
- работа плохо экранированного электрооборудования;
- космические частицы высоких энергий;
- электризация облаков;
- космические шумы.
Ко вторым относятся все помехи, создаваемые преднамеренно для нарушения нормальной работы системы: к ним относятся маскирующие и дезинформирующие. Это в основном шумовые, т.е. излучение непрерывного ВЧ сигнала, модулированного по амплитуде, частоте, фазе или одновременно по всем этим параметрам. Эти помехи могут быть прицельными или заградительными, уводящими, пассивными и др.
Технической задачей изобретения является повышение качества передачи телеметрического сигнала с борта АРЗ, повышение отношения сигнал/ шум в канале телеметрии приемного устройства РЛС, достоверности приема телеметрической информации с АРЗ в условиях естественных и искусственных помех.
Технический результат достигается за счет:
- применения фазовой модуляции (манипуляции) в канале передачи телеметрической информации в радиозонде;
- полностью цифровой обработке телеметрических сигналов с фазовой модуляцией в аппаратуре РЛС;
- передаче телеметрической информации на одной несущей частоте.
Для решения поставленной задачи предлагается:
Радиолокационная система зондирования атмосферы с фазомодулированным (фазоманипулированным) каналом телеметрии, содержащая АРЗ и наземную РЛС сопровождения, характеризующаяся тем, что АРЗ содержит блок первичных преобразователей метеопараметров, блок сопряжения аналоговой и цифровой информации, формирователь суперирующей частоты, фазовый модулятор суперирующей частоты телеметрическим сигналом, микроконтроллер МК, цепь автосмещения СВЧ-автогенератора, СВЧ-автогенератор - СВЧ-АГ сверхрегенеративного приемо-передатчика - СПП и приемо-передающая антенна АРЗ со следующими соединениями: метеопараметры атмосферы через блок первичных преобразователей и через блок сопряжения аналоговой и цифровой информации соединены с фазовым модулятором суперирующей частоты телеметрическим сигналом в МК, к которому также подсоединен формирователь суперирующей частоты, выход фазового модулятора в составе МК соединен с цепью автосмещения СВЧ-автогенератора и далее на СВЧ-автогенератора сверхрегенеративного приемо-передатчика, вход/выход которого нагружен на приемо-передающую антенну АРЗ; наземная РЛС сопровождения АРЗ содержит: приемо-передатчик, усилитель и цифровой приемник, также блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи МПА, в состав МК входят блок управления и вычисления координат АРЗ, цифровой демодулятор и СПО; узлы и блоки РЛС имеют следующие соединения: выход приемо-передатчика шиной данных через усилитель и цифровой приемник соединен с демодулятором МК, выход которого через блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи МПА соединен с потребителями, блок управления и вычисления координат АРЗ соединен с цифровым демодулятором, СПО и блоком вторичной обработки, а приемо-передающая антенна РЛС по радиоканалу соединена с приемо-передающей антенной АРЗ.
На фиг. 1 изображена структурная электрическая схема системы, на которой показано:
А - аэрологический радиозонд
1 - метеорологические параметры атмосферы (МПА)
2 - блок первичных преобразователей (датчиков температуры, влажности и
т.д.)
3 - блок сопряжения аналоговой и цифровой информации
4 - формирователь суперирующей частоты
5 - фазовый модулятор суперирующей частоты телеметрическим сигналом
6 - микроконтроллер (МК)
7 - цепь автосмещения СВЧ - автогенератора
8 - СВЧ-автогенератор (СВЧ-АГ) сверхрегенеративного приемо-передатчика (СПП)
А1 - приемопередающая антенна АРЗ
Б - наземная РЛС сопровождения АРЗ
9 - приемопередатчик РЛС
10 - усилитель и цифровой приемник
11 - специальное программное обеспечение (СПО)
12 - блок управления и вычислитель координат АРЗ
13 - цифровой демодулятор
14 - микроконтроллер (МК)
15 - блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи МПА
16 - потребители
А2 - приемо-передающая антенна РЛС
РК - радиоканал
Источники питания условно не показаны.
Следящая система управления антенной А2 для сопровождения АРЗ также условно не показана.
Система имеет следующие соединения:
Радиолокационная система зондирования атмосферы с фазомодулированным каналом телеметрии, содержащая АРЗ и наземную РЛС сопровождения, отличающаяся тем, что АРЗ содержит блок первичных преобразователей 2, блок сопряжения аналоговой и цифровой информации 3, формирователь суперирующей частоты 4, фазовый модулятор суперирующей частоты телеметрическим сигналом 5, микроконтроллер МК 6, цепь автосмещения СВЧ-автогенератора 7, СВЧ-автогенератор - СВЧ-АГ сверхрегенеративного приемопередатчика - СПП 8 и приемо-передающая антенна АРЗ А1 со следующими соединениями: метеопараметры атмосферы 1 через блок первичных преобразователей 2 и через блок сопряжения аналоговой и цифровой информации 3 соединены с фазовым модулятором суперирующей частоты телеметрическим сигналом 5 в МК, к которому также подсоединен формирователь суперирующей частоты 800 кГц 4, выход фазового модулятора в составе МК 5 соединен с цепью автосмещения СВЧ-автогенератора 7 и далее на СВЧ-автогенератора сверхрегенеративного приемо-передатчика 8, вход/выход которого нагружен на приемо-передающую антенну АРЗ А1; наземная РЛС сопровождения АРЗ содержит: приемо-передатчик 9, усилитель и цифровой приемник 10, также блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи МПА 15, в состав МК 14 входят блок управления и вычисления координат АРЗ 12, цифровой демодулятор 13 и СПО 11; узлы и блоки РЛС имеют следующие соединения: выход приемо-передатчика 9 шиной данных через усилитель и цифровой приемник 10 соединен с демодулятором МК 13, выход которого через блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи МПА 15 соединен с потребителями 16, блок управления и вычисления координат АРЗ 12 соединен с цифровым демодулятором 13, СПО 11 и блоком вторичной обработки 15, а приемо-передающая антенна РЛС А2 по радиоканалу соединена с приемопередающей антенной АРЗ А1.
Система работает следующим образом.
На фиг. 2 изображена диаграмма фазомодулированного сигнала.
Радиолокационный режим работы системы обеспечивает измерение наклонной дальности до АРЗ импульсным методом за счет установки на АРЗ сверхрегенеративного приемопередатчика, обеспечивающего активный ответный сигнал на запросные радиоимпульсы передатчика РЛС в виде короткой ответной паузы в излучении передатчика АРЗ (см. патент РФ №2368916). Угловые координата АРЗ по азимуту и углу места определяются методом равносигнальной зоны за счет сканирования диаграммы направленности РЛС. В целом, это позволяет определить направление и скорость ветра. Высота подъема АРЗ определяется с помощью измеренной наклонной дальности и угла места пеленга АРЗ.
Передача телеметрической информации с борта АРЗ на наземную РЛС сопровождения осуществляется программно-фазовым методом на одной несущей частоте, что позволяет снизить полосу излучаемого сигнала, тем самым повысить чувствительность, мощность излучения и стабильность режима работы приемопередатчика в условия естественных и искусственных помех, снижение уровня потребляемой мощности, в конечном итоге - увеличение времени работы АРЗ.
Полученная метеоинформация атмосферы с блока 2 первичных преобразователей в аналоговом виде преобразуется в цифровую форму в блоке сопряжения 3 и поступает на фазовый модулятор суперирующей частоты телеметрическим сигналом 5 микроконтроллера 6, на который также поступает сигнал с формирователя суперирующей частоты 4, фазовый модулятор 5 преобразует поступившую информацию в последовательность суперирующих импульсов с фазовой модуляцией телеметрическим сигналом, далее через блоки 7 и 8 и антенну А1 по радиоканалу передается на антенну А2 РЛС сопровождения, где принимается в приемном блоке 9, усиливается и принимается цифровым приемником в блоке 10, затем раскодируется в цифровом фазовом демодуляторе 13 микроконтроллера 14 при помощи СПО 11 и поступает на блок 15 вторичной обработки телеметрической информации, с которого и поступает потребителям.
ц
оп
t
u
На фиг. 3 изображена структура информационного пакета АРЗ длительностью Т=20 сек. В течение времени Т=5 сек. Передается частота опорного сигнала измерительного генератора АРЗ. Течение интервала T=5 сек. передается частота измерительного генератора при измерении температуры воздуха. В течение времени Т=5 сек передается частота измерительного генератора при измерении влажности воздуха.
На фиг. 4 приведена диаграмма и параметры информационного пакета телеметрического сигнала АРЗ. Частота следования радиоимпульсов передатчика радиозонда (поднесущая частота) равна 800кГц, период 1.25 мкс. Частота излучения радиоимпульсов 1680МГц. Передача телеметрического сигнала по радиоканалу происходит путем фазовой манипуляции поднесущей частоты в соответствии с телеметрическим сигналом на фиг. 4 Максимальной амплитуде видеоимпульсов на фиг. 4 соответствует фаза 0 радиоимпульсов поднесущей частоты. Нулевой амплитуде видеоимпульсов соответствует фаза 180 градусов радиоимпульсов поднесущей частоты сдвинутых по времени на 0,625 мкс относительно первой последовательности радиоимпульсов.
На фиг. 5 приведена структура информационного пакета телеметрического сигнала АРЗ с указанием количества байт.
Предлагаемое техническое решение, позволяет для повышения отношения сигнал/шум в канале передачи телеметрической информации CP уменьшить полосу пропускания усилителя телеметрического сигнала.
При частотной модуляции суперирующей (поднесущей) частоты девиация в существующей CP составляет ±17,0 кГц. Тактовая частота телеметрического сигнала составляет 2,5кГц. Ширина спектра телеметрического сигнала равна 5кГц. Поэтому полоса частот, занимаемая частотно-модулируемым телеметрическим сигналом, составляет около 39 кГц. Ширина спектра телеметрического сигнала МПА АРЗ при фазовой модуляция суперирующей (поднесущей) частоты составляет 5 кГц, что позволяет уменьшить полосу пропускания усилителя телеметрического канала РЛС с 39кГц до 5кГц. Это повышает отношение сигнал/шум в канале телеметрии РЛС на 8-10 дБ при сравнении с частотной модуляцией.
Кроме повышения чисто технических характеристик передачи МПА АРЗ, фазовая модуляция позволяет увеличить его КПД, снизить его массогабаритные характеристики, повысить его технологичность и снизить стоимость производства, т.е. создать высоко конкурентную систему, отвечающую основному экономическому постулату: «стоимость - эффективность».