ЦИФРОВОЙ РАДИОЗОНД СО СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫМ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОМ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использована в аэрологических радиозондах (АРЗ) систем радиозондирования атмосферы для измерения дальности до (АРЗ) импульсным методом, пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использована для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств систем связи.
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) импульсным методом с активным ответом, особенно эффективным оказалось при использовании в составе радиозондов сверхрегенеративных приемопередатчиков (СПИ). Интенсивное излучение СПП обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП к импульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении СПП при пониженной мощности передатчика запросного радиоимпульса 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.
Известен АРЗ, содержащий сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП) с отдельным генератором вспомогательных (суперирующих) колебаний, обеспечивающий прием запросных радиоимпульсов и передачу ответной паузы для измерения наклонной дальности и передачу телеметрической (кодовой) информации, причем датчики метеорологических величин соединены через управляемые ключи с измерительным преобразователем, выходной сигнал которого, в соответствии с циклом передачи телеметрической информации, с помощью коммутатора соединен с управляющим входом генератора суперирующей частоты сверхрегенеративного приемопередатчика, см. АС СССР №1106262, см. АЭРОЛОГИЯ, Н.А.Зайцева, Л.: Гидрометеоиздат, 1990, стр.97-110. Недостатком данного АРЗ является: низкая стабильность поднесущей частоты приемопередатчика при изменении температуры окружающей среды, проблемы согласования с антенной, большое изменение частоты приема относительно частоты излучения, что существенно снижает эксплуатационные качества радиотехнической системы в целом.
Известен цифровой радиозонд, регистрирующий комплексно несколько параметров состояния свободной атмосферы и передающий их по радиосвязи на наземную станцию. Для обеспечения надежности передачи данных, сокращения разрывов в измерении параметров состояния и для обеспечения взаимозаменяемости измеренных значений при их автоматической обработке, измеренные значения отдельных датчиков и образцовых элементов передают последовательно через измерительный преобразователь и аналоговый мультиплексор на АЦП. В начале цикла передачи передается синхронное 37-разрядное слово, затем отдельные преобразованные слова цифровых данных с контрольным битом через цифровой мультиплексор подают на последовательный преобразователь, в котором проводится образование серии из 11 слов данных. В заключение производится двойная фазовая модуляция отдельных битов в 2-фазном модуляторе и фазовая модуляция в фазовом модуляторе, после чего передатчик передает данные на наземную станцию, см. ПАТЕНТ №228912 А1 (ГДР) "Digitale Radiosonde". Недостатком данного АРЗ являются следующие: большая аппаратурная сложность, отсюда значительные ГМХ, большие временные, следовательно, и аппаратные затраты на обработку образцовых элементов, на формирование и передачу синхронного слова и т.д., отсюда повышенное потребление электроэнергии; построение принципа передачи информации на наземную станцию напрямую без запроса с РЛС сопровождения и возможности измерения наклонной дальности требует значительных дополнительных аппаратурных затрат для получения метеорологической информации.
Известен "Радиозонд с использованием микропроцессора", см. ПАТЕНТ США №4481514, который оснащен набором устройств регистрации измеряемых данных. Они связаны с блоком, вырабатывающим последовательность электрических сигналов воспроизводящих измеренные метеорологические параметры. Аналоговые сигналы преобразуются в импульсы двоичного кода. Между регистрирующими устройствами и преобразователем включен переключатель, последовательно соединяющий с преобразователем каждое из регистрирующих устройств. В радиозонде имеется блок формирования опорных сигналов, избирательно подключаемых к входу переключателя и входу преобразователя, так что переключатель в итоге соединяет одно из регистрирующих устройств с блоком формирования опорных сигналов, благодаря чему вырабатывается аналоговый сигнал, характеризующий метеорологический параметр, измеренный устройством, которое в данный момент подключено через переключатель ко входу преобразователя. Радиозонд содержит также микропроцессор (МП), функционально связанный с преобразователем аналоговых сигналов в дискретные. МП осуществляет обработку сигналов двоичного кода. Сигналы с МП поступают на вход передатчика, которые транслируется на наземную станцию. Недостатками данного АРЗ являются прямолинейное классическое построение электрической схемы, а МП используется как специализированная схема управления, переключения и преобразования и не более. Поэтому аппаратные достоинства МП для минимизации всей электронной схемы, а, следовательно, и для ГМХ, не используются. Передатчик построен также по традиционной схеме (не используется принцип измерения наклонной дальности - "запрос" с РЛС сопровождения - "ответ" с АРЗ), что влечет за собой временные и прочие затраты.
Известен «Цифровой радиозонд системы зондирования атмосферы» - см. ПАТЕНТ РФ на полезную модель №41525, содержащий датчики-преобразователи метеовеличин, аналоговый коммутатор, блок телеметрии, выполненный в различных вариантах на основе микропроцессора и микросхемах программируемой логики, сверхрегенеративный приемопередатчик с антенной. С целью повышения точности и стабильности формирования поднесущей частоты и ее девиации программный блок стабилизации частот реализован на основе кварцевого генератора. Датчики-преобразователи метеовеличин вырабатывают двоичные сигналы, содержащие информацию о параметрах атмосферы. Блок управления, построенный на основе микропроцессора или микросхем программируемой логики, управляет работой коммутатора и подключает один из датчиков метеовеличин к блоку телеметрии, выход которого частоты, в котором осуществляется частотная манипуляция поднесущей частоты телеметрическим сигналом. Далее видеоимпульсы поднесущей частоты поступают на вход приемопередатчика и модулируют его сигнал, который с помощью антенны излучается в пространство и принимается наземной РЛС сопровождения. Недостатком известного технического решения является возможность применения для измерения параметров атмосферы только специальных, достаточно дорогих датчиков метеорологических величин с цифровым выходом. Другим существенным недостатком является отсутствие в структуре блока телеметрии опорного канала, позволяющего повысить точность преобразования метеорологических параметров в телеметрический сигнал.
Известен «Цифровой аэрологический радиозонд» - см. ПАТЕНТ РФ на полезную модель №63551 (ПРОТОТИП), содержащий первый, второй, третий и четвертый датчики метеовеличин, являющиеся входом АРЗ, первый и второй аналоговые коммутаторы, опорный резистор, измерительный преобразователь, первый и второй масштабирующие усилители, аналогоцифровой преобразователь, микропроцессор и кварцевый резонатор, приемопередатчик с антенной, которая является выходом АРЗ, причем выход первого коммутатора соединен с входом измерительного преобразователя, первый выход измерительного преобразователя соединен с первым выводом опорного резистора, второй вывод опорного резистора соединен с входами первого и второго датчиков метеовеличин и с первым входом первого коммутатора, выходы первого и второго датчиков метеовеличин соединены с вторым и третьим входами первого коммутатора, второй выход измерительного преобразователя соединен с первым входом микропроцессора, первый и второй выходы микропроцессора подключены к управляющим входам первого коммутатора, третий и четвертый выходы микропроцессора соединены с управляющими входами второго коммутатора, выходы третьего и четвертого датчиков метеовеличин через первый и второй масштабные усилители соответственно подключены к входам второго коммутатора, выход которого подключен к входу аналогоцифрового преобразователя, выход аналогоцифрового преобразователя подключен ко второму входу микропроцессора, кварцевый резонатор соединен с третьим входом микропроцессора, а пятый выход микропроцессора подключен к входу приемопередатчика нагруженного на антенну.
Недостатком ПРОТОТИПА является отсутствие в структуре блока телеметрии радиозонда первичных преобразователей метеопараметров работающих на основе емкостных датчиков, недостаточную стабильность поднесущей частоты, ее девиации и фазовой манипуляции телеметрическим сигналом.
Общей проблемой производства и эксплуатации АРЗ является создание недорогих конструкций радиозондов, стабильных по радиотехническим параметрам в условиях существенного изменения окружающей температуры, напряжения питания и параметров антенной системы АРЗ. Отдельной проблемой при разработке сверхрегенеративного приемо-передатчика АРЗ, является обеспечение генерирования поднесущей (суперирующей) частоты и ее модуляция (частотной или фазовой манипуляции телеметрическим сигналом) с высокой стабильностью. Нестабильность поднесущей частоты и ее модуляции значительно осложняет прием сигналов радиозонда, его демодуляцию в частотном или фазовом детекторе приемного устройства наземной РЛС, приводит к искажениям телеметрической информации или к ее потере.
Технической задачей изобретения является оптимизация построения электронного цифрового блока телеметрии АРЗ с целью повышения точности, стабильности и надежности работы радиоканала телеметрии АРЗ-РЛС, повышение технологичности и снижения стоимости производства радиозондов.
Для решения поставленной задачи предлагается цифровой радиозонд со сверхрегенеративным приемопередатчиком, содержащий первый, второй и третий каналы измерения метеорологических параметров, микроконтроллер, кварцевый резонатор, сверхрегенеративный приемопередатчик с приемо-передающей антенной, также первую, вторую и третью управляющие шины, первую, вторую и третью сигнальные шины и входную/выходную шины последовательного интерфейса со следующими соединениями: микроконтроллер первой, второй и третьей управляющими шинами соединен с управляющими входами первого, второго и третьего каналов измерения метеопараметров соответственно, выходы которых первой, второй и третьей сигнальными шинами соединены с соответствующими сигнальными входами микроконтроллера; метеопараметры окружающей атмосферы соединены с информационными входами первого, второго и третьего каналов измерения метеопараметров; вход микроконтроллера подключен к кварцевому резонатору, а выход через сверхрегенеративный приемопередатчик соединен с приемо-передающей антенной радиозонда; в цифровом радиозонде первый и второй каналы измерения метеопараметров содержат сигнальные и опорные датчики температуры и влажности, измерительные преобразователи, мультиплексоры со следующими соединениями: первая управляющая шина с выхода микроконтроллера соединена с управляющим входом первого мультиплексора, первый выход которого соединен с первым входом первого измерительного преобразователя, первый вход первого мультиплексора через резистивный датчик температуры (или влажности) соединен со вторым входом первого мультиплексора и выходом опорного высокоточного резистора, вход которого соединен со вторым выходом первого измерительного преобразователя, первый выход которого первой сигнальной шиной соединен с первым сигнальным входом микроконтроллера; вторая управляющая шина с выхода микроконтроллера соединена с управляющим входом второго мультиплексора, первый выход которого соединен с первым входом второго измерительного преобразователя, первый вход второго мультиплексора через конденсаторный датчик влажности (или температуры) соединен со вторым входом второго мультиплексора и выходом опорного высокоточного конденсатора, вход которого соединен со вторым выходом второго измерительного преобразователя, первый выход которого второй сигнальной шиной соединен со вторым сигнальным входом микроконтроллера; третий канал содержит датчики влажности (или давления, или температуры), масштабирующие усилители и третий мультиплексор со следующими соединениями: выходы соответствующих датчиков через масштабирующие усилители и третий мультиплексор соединены с АЦП микроконтроллера третьей сигнальной шиной; третья управляющая шина микроконтроллера соединена с управляющим входом третьего мультиплексора; причем указанные датчики имеют выходные сигналы в виде напряжения постоянного тока; микроконтроллер вырабатывает суперирующие импульсы, поступающие на вход управления СПП; период частотной или фазовой манипуляции суперирующих импульсов содержит телеметрическую информацию о метеопараметрах атмосферы; длительность импульсов манипуляции частоты или фазы суперирующих импульсов содержит информацию о каналах температуры, влажности или давления; микроконтроллер вырабатывает суперирующие импульсы, поступающие на вход управления СПП, частотная или фазовая манипуляция которых осуществляется телеметрическими сигналами, преобразованными в цифровой бинарный код; микроконтроллер соединен по последовательному интерфейсу с пультом настройки, программирования и проверки радиозонда.
На фиг.1-4 изображены временные диаграммы, поясняющие работу цифрового радиозонда и варианты структурных электрических схем.
ц
к
На фиг.1 изображен полный временной цикл Т, включающий временные канальные интервалы Т работы радиозонда.
На фиг.2 изображены временные диаграммы следующих сигналов:
к
оп
t
вл
- U - временная диаграмма управляющего напряжения циклом работы радиозонда: «интервал передачи частоты опорного канала - Т», «интервал передачи частоты канала температуры - T", «интервал передачи частоты канала влажности - Т" и т.д.;
ип
- U - временная диаграмма выходного напряжения измерительного преобразователя радиозонда при интервалах опорного и температурного каналов;
c
c
- F - временная диаграмма манипуляции (импульсной девиации ΔF) поднесущей (суперирующей) частоты сигнала на выходе МК в соответствии с интервалами работы ИП радиозонда;
с
c
- Ф - временная диаграмма манипуляции фазы (импульсной девиации ΔФ) поднесущей (суперирующей) частоты сигнала на выходе МК в соответствии с интервалами работы ИП радиозонда.
оп
оп
На фиг.3 изображена структурная схема цифрового радиозонда (АРЗ), на фиг.4 - структурная схема цифрового блока телеметрии АРЗ на которых показано: 1, 2 и 3 - первый, второй и третий каналы измерения метеовеличин (метеопараметров), 4 - микроконтроллер (МК), 5 - кварцевый резонатор, 6 - сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП), А - приемопередающая антенна АРЗ, RS-232 - канал последовательного интерфейса, 7 - резистивный датчик температуры (ДР), 8 - опорный высокоточный резистор (ДР), 9 - первый мультиплексор (МХ-1), 10 - первый измерительный преобразователь (ИП-1), 11 - емкостной датчик влажности (ДС), 12 - опорный высокоточный конденсатор (ДС), 13 - второй мультиплексор (МХ-2), 14 - второй измерительный преобразователь (ИП-2), 15,16 - датчики напряжения, давления, влажности (ДН), 17, 18 - масштабирующие усилители (МУ), 19 - третий мультиплексор (МХ-3), 20 - АЦП (входит в состав МК), 21 - цифровое программируемое устройство (ЦПУ входит в состав МК), первая, вторая и третья управляющие шины, первая, вторая и третья сигнальные шины.
На фиг.4 условно не показаны КР-5, СПП-6, шина последовательного интерфейса RS-232 и антенна - А, а на фиг.3 и 4 условно не показаны источник питания и шины питания.
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах: датчики метеовелечин 1, 2 могут быть выполнены, например, по патентам РФ №2162238, №2162239, №2242752; опорный резистор 3 может быть применен типа С2-29В, см. РЕЗИСТОРЫ. Справочник / Андреев Ю.Н. и др. - М.: Энергоиздат, 1981. С.102-107.; опорный конденсатор может быть применен типа....; коммутаторы 4, 10 могут быть выполнены на ИМС 561КП, см. КАТАЛОГ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИМС, М.: ЦКБ, 1983, стр.78; измерительный преобразователь 5 может быть реализован по патенту №53462; датчики метеовеличин 6,7 могут быть применены типа HIН 4000, см. КАТАЛОГ фирмы Honeywell, 2005 г; масштабирующие усилители 8, 9 могут быть выполнены, например, на операционных усилителях типа 1401УД6, см. КАТАЛОГ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИМС, М, ЦКБ, 1985, стр.128; аналогоцифровой преобразователь 11 может быть выполнен на микросхемах типа МСР3551, см. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ. №12, 2005, С.100; микроконтроллер - 4, например, фирмы NXP семейства LPC17XX/LPC13XX на базе ядра «COR-ТЕХ-М», см. WWW.RU.NXP; кварцевый резонатор 13 может быть применен, например, типа КР-24, см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА, У.Титце, К.Шенк, М, МИР, 1982, стр.300-301; приемопередатчик 6 может быть выполнен на основе патентов РФ №2172965, №2214614, патентов на полезные модели №50682, №49283, №56001,
ц
к
Цифровой АРЗ (структурная схема изображена на фиг.3) работает следующим образом. Генератор тактовой частоты МК-4 построен на основе кварцевого резонатора КР-5. Программно МК-4 задает временной цикл работы радиозонда Т состоящий из ряда интервалов Т. Этот цикл изображен на фиг.1.
к
В течение одного канального интервала Т≈1-5 сек осуществляется измерение, кодирование и передача телеметрической информации об одном метеорологическом параметре на станцию слежения. В течение следующего канального интервала процедура повторяется для другого метеорологического параметра. Таким способом осуществляется временной метод разделения каналов телеметрической информации.
оп
оп
оп
i
i
i
i
c
c
c
c
с
cпп
i
Измерение метеопараметров в первом измерительном канале происходит следующим образом. Для этого МК-4 вырабатывает сигналы, поступающие по первой управляющей шине на вход мультиплексора МХ-1, который последовательно подключает опорный резистор R - 8 и резистивный датчик метеорологических величин ДР-1 к входу ИП-1. Опорный канал вводится с целью калибровки ИП для повышения точности преобразования метеорологической информации в телеметрический сигнал. Период опорного канала Т и длительность его импульсов τ практически не изменяются под действием дестабилизирующих факторов. Информация о метеорологических величинах заключается в периоде Т телеметрических импульсов генерируемых ИП-1. МК-4 измеряет длительность периода импульсов Т и вырабатывает телеметрический сигнал с периодом равным Т и определенной длительностью импульсов τ характерной для данного интервала работы радиозонда. Эта последовательность телеметрических импульсов поступает на программный блок формирования поднесущей частоты (F=800 кГц, период равен T≈1,25 мкс) МК-4 в котором осуществляется частотная или фазовая манипуляция (ЧИМ, ФИМ), формирование последовательности видеоимпульсов поднесущей (суперирующей) частоты с девиацией ΔF≈±15 кГц (или ΔФ≈±180°). Далее видеоимпульсы длительностью τ≈0,65 мкс поступают на вход СПП-6, модулируют амплитуду СВЧ сигнала (несущая частота f=1680±10 мГц), который излучается с помощью антенны А в пространство. Расшифровка телеметрической информации в наземной РЛС сопровождения осуществляется по данным предварительной калибровки датчиков и ИП АРЗ путем вычисления отношения измеренных радиозондом длительности периода опорного сигнала к длительности периодов телеметрических сигналов: . По известной величине длительности телеметрических импульсов τ в наземной РЛС автоматически осуществляется определение интервала работы радиозонда и вида принимаемого метеорологического параметра. Важно подчеркнуть, что длительность опорного и телеметрических сигналов с высокой точностью сохраняют свое значение (не изменяются) в течение одного цикла передачи информации. Это существенно облегчает прием и обработку телеметрической информации в приемном устройстве РЛС, повышает потенциал СР.
к
Измерение во втором канале происходит аналогично работе первого телеметрического канала. В течение следующего канального интервала Т≈5 сек осуществляется измерение, кодирование и передача телеметрической информации о другом метеорологическом параметре с помощью емкостного датчика ДС-11.
i
i
оп
Измерение в третьем канале происходит иначе. Подключение к МК-4 аналоговых датчиков метеорологических параметров ДН-1, ДН-2 с выходным сигналом в виде напряжения осуществляется особо. В соответствии с циклом работы радиозонда МК-4 вырабатывает сигнал, поступающий по третьей управляющей шине на вход МХ-3. При этом сигнал от соответствующих датчиков ДН-15, ДН-16 через МУ-17, МУ-18 и MX-19 поступает на АЦП-20 и далее на вход ЦПУ-21. В памяти МК-4 содержится математическая модель датчиков ДН-15, ДН-16, с помощью которой осуществляется преобразование цифровой информации в телеметрический сигнал в виде последовательности импульсов соответствующей длительности τ и периода Т нормированного с длительностью опорного периода Т ИП. Далее преобразование и передача телеметрической информации осуществляется также как, и в первом и втором каналах.
Для обеспечения необходимой точности преобразования телеметрической информации, времени циклов работы радиозонда, стабилизации суперирующей (поднесущей) частоты СПП и величины ее модуляции, синхронизации сигналов, вырабатываемых МК-4, используется кварцевый резонатор КР-5 с высокой резонансной частотой. Применение кварцевого резонатора обеспечивает необходимую точность генерации тактовой частоты работы МК-4 и, в конечном счете, существенное повышение качества приема сигнала радиозонда и точности обработки телеметрической информации наземной РЛС.
При использовании процессора МК-4 с высокой тактовой частотой применяется программная реализация всех необходимых функций для работы радиозонда. Это дает возможность модернизации, введению новых функций в процессе производства и эксплуатации радиозонда. Поэтому новые модели АРЗ могут модернизироваться путем только доработки программного обеспечения. Программирование МК, ввод-вывод технологической информации при производстве и эксплуатации АРЗ осуществляется по последовательному интерфейсу, например, типа RS-232.
Применение МК в аэрологическом радиозонде позволяет осуществить современные более эффективные методы модуляции параметров поднесущей частоты, например, - бинарную фазовую импульсную модуляцию (ФИМ) суперирующей частоты (BPSK). Это стало возможным за счет применения высокостабильного кварцевого опорного генератора для формирования суперирующей частоты СПП радиозонда. Осуществление ФИМ суперирующей частоты с помощью МК осуществляется программно. В этом случае прием и демодуляция телеметрического сигнала наземной РЛС намного упрощается т.к. опорный сигнал необходимый для нормальной работы фазового детектора в канале телеметрии приемного устройства РЛС достаточно просто синхронизируется при стабильной частоте суперирующих импульсов. Частота телеметрического сигнала радиозонда находится в пределах 12-710 Гц. При использовании ЧИМ суперирующей частоты телеметрическим сигналом полоса суперирующего сигнала расширяется до 50 кГц. Применение ФИМ позволяет повысить потенциал телеметрического канала системы радиозондирования (СР) в сравнении с ЧМ на 8-10 дБ за счет уменьшения полосы суперирующей частоты с 50 кГц практически до 4-5 кГц.
Дальнейшее повышение потенциала телеметрического канала СР возможно путем применения более сложных методов кодирования телеметрической информации и модуляции поднесущей частоты методами GFSK, GPSK.
Таким образом, применение МК в аэрологическом радиозонде позволяет значительно повысить потенциал телеметрического канала СР, а именно:
- получить стабильное значение поднесущей (суперирующей) частоты сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда;
- обеспечить стабильную девиацию поднесущей частоты;
- реализовать более эффективный метод бинарной фазовой модуляции BPSK;
- реализовать более сложные методы модуляции поднесущей частоты;
- обеспечить стабильное значение длительности импульсов телеметрической информации;
- обеспечить стабильное значение периода телеметрической информации в течение одного цикла передачи;
- реализовать запись и хранение индивидуальных параметров радиозонда (номер АРЗ, коэффициенты синхронизирующих функций и т.д.);
- добиться существенного снижения ГМХ;
- возможность программирования, а также изменение выполняемых функций непосредственно в готовой печатной плате или в самом АРЗ путем использованием шины последовательного интерфейса RS-232.
Использование МК позволяет существенно упростить конструкции АРЗ, снизить ГМХ, упростить технологию производства и эксплуатации.