Аппаратно-программный радиокомплекс для дистанционного зондирования атмосферы
HARDWARE AND SOFTWARE RADIO ENGINEERING COMPLEX FOR REMOTE SOUNDING OF THE ATMOSPHERE

Изобретение относится к радиотехнике, предназначено для дистанционного зондирования атмосферы Земли и получения амплитудно-частотных (АЧХ) и дистанционных частотных характеристик (ДЧХ) радиолиний, и может быть использовано для краткосрочного  прогнозирования условий распространения радиоволн на трассах связи.
Известна система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн, содержащая две приемо-передающие части, одна приемо-передающая часть состоит из термостатированного кварцевого генератора, фильтра нижних частот, двухсистемного приемника навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, цифроаналогового преобразователя (ЦАП); делителя с переменным коэффициентом деления, сравнителя частот с цифровым интерфейсом (TDC), вычислительного устройства, усилителя-формирователя, первого и второго накопителя; блока управления, первого и второго блока обработки сигналов; первого и второго цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС); первого смесителя, широкополосного усилителя мощности; передающего антенно-фидерного устройства, приемного  антенно-фидерного устройства; блока входных фильтров; аналого-цифрового преобразователя (двухканального АЦП); второго и третьего смесителей [1].
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является базовая станция дистанционного зондирования атмосферы состоящая из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS; синхронометр; цифровой вычислительный синтезатор; широкополосный усилитель мощности; антенно-фидерное устройство. Приемная часть  содержит  антенно-фидерное устройство; усилитель высокой частоты; аналого-цифровой преобразователь (двухканальный АЦП); цифровой гетеродин DDC; цифровой вычислительный синтезатор; синхронометр; двухсистемный приемник навигационных сигналов  ГЛОНАСС/GPS; ЭВМ и монитор.
Положительный технический результат – получение оперативной информации о состоянии ионосферы или тропосферы, построение АЧХ и ДЧХ радиолиний в реальном масштабе времени.
Технический результат достигается  за счет того, что в аппаратно-программный радиокомплекс для дистанционного  зондирования  атмосферы, состоящий из передающей и приемной частей; передающая часть содержит синхронометр с приемником навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, цифровой вычислительный синтезатор, широкополосный усилитель мощности, антенно-фидерное устройство; приемная часть  содержит  приемную антенну, аналого-цифровой преобразователь, цифровой вычислительный синтезатор, синхронометр с приемником навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, ЭВМ, монитор, причем новым является то, что  введены два умножителя частоты, управляющая ЭВМ, полосовой фильтр, ПЛИС; передающая часть аппаратно-программного радиокомплекса содержит последовательно соединенные синхронометр, цифровой вычислительный синтезатор, усилитель мощности, антенно-фидерное устройство, выход синхронометра подключен к входу умножителя частоты, выход последнего подключен к тактовому входу цифрового вычислительного синтезатора; выход управляющей ЭВМ подключен к входу цифрового вычислительного синтезатора; приемная часть содержит последовательно соединенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, ПЛИС, обрабатывающую ЭВМ, монитор; выход синхронометра подключен к входу запуска цифрового вычислительного синтезатора и к входу умножителя частоты; выход умножителя частоты подключен к тактовому входу цифрового вычислительного синтезатора, выход последнего подключен к входу ПЛИС.
Аппаратно-программный радиокомплекс для дистанционного зондирования атмосферы состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит синхронометр с приемником GPS/ГЛОНАСС 1, цифровой вычислительный синтезатор 2, управляющую ЭВМ 3, широкополосный усилитель мощности 4, антенно-фидерный тракт 5. Приемная часть содержит приемную антенну 6, усилитель высокой частоты 7, полосовой фильтр 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, синхронометр с приемником GPS/ГЛОНАСС 10, цифровой вычислительный синтезатор 11, умножитель частоты 16, ПЛИС 12, обрабатывающую ЭВМ 13, монитор 14, умножитель частоты 15.
Передающая часть аппаратно-программного радиокомплекса состоит из последовательно соединенных синхронометра 1, цифрового вычислительного синтезатора 2, широкополосного усилителя мощности 4, антенно-фидерного устройства 5; выход синхронометра 1 подключен к тактовому входу управляющей ЭВМ 3 и входу умножителя частоты 15, выход последнего подключен к тактовому входу цифрового вычислительного синтезатора 2.
Приемная часть  аппаратно-программного радиокомплекса состоит из последовательно соединенных приемной антенны 6, усилителя высокой частоты 7, полосового фильтра 8, аналого-цифрового преобразователя 9, ПЛИС 12, ЭВМ 13, монитора 14; последовательно соединенных синхронометра 10, цифрового вычислительного синтезатора 11, ПЛИС 12, причем выход синхронометра 10 подключен к входу умножителя частоты 16, выход которого подключен к тактовому входу цифрового вычислительного синтезатора 11.
Аппаратно-программный радиокомплекс для дистанционного зондирования атмосферы работает следующим образом.
Синхронометр 1 вырабатывает «синусоидальный» сигнал опорной частоты, который через умножитель частоты 15 поступает на тактовый вход цифрового вычислительного синтезатора 2, также синхронометр 1 вырабатывает секундный импульс запуска для цифрового вычислительного синтезатора 2. Для увеличения стабильности частоты в синхронометре 1 и привязке импульса запуска к сигналам точного времени используется приемник навигационных сигналов  ГЛОНАСС/GPS.
Сигнал с выхода ЦВС 2 подается на усилитель мощности 4 и через антенно-фидерное устройство 5 излучается в атмосферу Земли.
Приемная часть аппаратно-программного радиокомплекса дистанционного зондирования атмосферы работает следующим образом. Приемная антенна 6 принимает сигнал, который поступает на вход усилителя высокой частоты 7, и затем повергается фильтрации в полосовом фильтре 8 и преобразуется в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 9. Сигнал с выхода АЦП 9 подается на первый вход ПЛИС 12, а на второй вход ПЛИС 12 поступает сигнал с ЦВС 11.
0
Синхронометр 10 вырабатывает сигнал опорной частоты для умножителя частоты 16, а также импульс запуска для ЦВС 11. Частота сигнал опорной частоты  f=10 МГц умножается в 80 раз в умножителе частоты 16 и поступает на тактовый вход ЦВС 11.
В ПЛИС 12 частота оцифрованного входного сигнала умножается на сигнал с выхода ЦВС 11 и разностный сигнал промежуточной частоты поступает в ЭВМ 13, где при помощи программного обеспечения Adobe Audioedition строятся АЧХ и ДЧХ радиолиний. Монитор 14 подключен к ЭВМ 13 и служит для отображения АЧХ и ДЧХ радиолиний.
Возможен следующий режим работы аппаратно-программного радиокомплекса.
Во-первых, это режим построения АЧХ  радиолинии.
Предварительно составляют расписание работы передатчика, где указывается время синхронизации, начальная частота излучения, скорость изменения частоты передатчика, минуту запуска и длительность снятия АЧХ.
Передатчик базовой станции излучает реперный ЛЧМ сигнал длительностью 1 секунду (это режим синхронизации). На приемном конце радиолинии, изменяя задержку момента запуска Δt ЦВС, добиваются появления гармонического тонального сигнала; при этом отраженный сигнал попадает в полосу пропускания приемника.
c
После синхронизации аппаратуры производится дистанционное зондирование атмосферы Земли в широком диапазоне частот f=3-100 МГц.
ПЛИС 12 на приемном конце радиолинии производит предварительную обработку информации. Амплитуда огибающей изменяется во времени, но построение АЧХ соответствует определенной частоте зондирующего сигнала
U(f) = Δt × f '   (1)
где  U(f) – АЧХ радиолинии;
Δt – задержка запуска ЦВС приемника;
f ' – скорость  изменения частоты.
Во-вторых, это режим построения ДЧХ.
При помощи программного БПФ (быстрое преобразование Фурье) вычисляется спектр принятого сигнала; затем производится срез спектрограммы во времени по определенному уровню компарирования. Далее эти срезы записываются в разные моменты  времени, и строится ДЧХ:
гр
1
2
3
n
t(F) = t(f) + t(f) + t(f) +…+ t(f)(2)
гр
где   t(F) – время группового запаздывания;
n
t(f) – n-ая мода сигнала.
Литература
1. Патент № 2650196 Российской Федерации. МПК G01S 1/08. Система дистанционного зондирования трансионосферного распространения радиоволн для метеорной радиосвязи/ Рябов И.В., Толмачев С.В., Стрельников И.В., Дегтярев Н.В. Заявл. 03.05.2017. Опубл. 11.04.2018. Бюл. №13. – 9 с. (прототип).
2. Патент № 2611587  Российской Федерации.  МПК G01S 19/14, G01S 13/95. Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы  / Рябов И.В., Толмачев С.В., Чернов Д.А., Юрьев П.М., Стрельников И.В., Клюжев Е.С.  Заявл. 23.12.2015. Опубл. 28.02.2017. Бюл.№7.– 7 с. (прототип).