ЦИФРОВОЙ АЭРОЛОГИЧЕСКИЙ РАДИОЗОНД

Полезная модель относится к измерению вертикального профиля метеорологических величин атмосферы аэрологическими радиозондами (АРЗ): температуры, влажности, давления, а также скорости и направления ветра, цифровой обработке измеренных метеорологических величин и передаче телеметрической информации по радиоканалу на наземную РЛС сопровождения.
Основными проблемами измерения метеорологических величин, их обработки и передачи телеметрической информации на наземную РЛС являются следующие:
- получение максимально возможной точности измерения метеорологических параметров свободной атмосферы радиозондом в условиях воздействия резких перепадов температур от +60°С до -80°С, пониженного атмосферного давления до 1-2 мм рт.ст., высокой солнечной активности и облучения космическими частицами высоких энергий;
- достижение минимальных габаритно-массовых характеристик (ГМХ) непосредственно АРЗ, в том числе, естественно, его электронной части;
- минимальное потребление электроэнергии, так как передача данных на землю (РЛС сопровождения) идет непрерывно и длительное время, а емкость батарей питания АРЗ конечна;
- минимальная себестоимость при решении всех вышеперечисленных проблем, т.к. во всем мире ежегодно запускается порядка 800-900 тысяч АРЗ, поэтому снижение себестоимости дает ощутимое преимущество на рынке. Таким образом, должен соблюдаться основной экономический критерий: "стоимость - эффективность".
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 для 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, который транслирует данные на наземную РЛС.
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, приемопередатчик с антенной. С целью повышения точности 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 микросхеме программируемой логики, управляет работой коммутатора и подключает один из датчиков метеовеличин к программному блоку стабилизации 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. - ПРОТОТИП.
Недостатком ПРОТОТИПА 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.
Особенностью отечественных радиозондов является применение в них сверхрегенеративных приемопередатчиков, которые обеспечивают передачу на одной несущей частоте телеметрической информации и ответного сигнала на запросный сигнал наземной РЛС, что позволяет точно измерять наклонную дальность до радиозонда. Отдельной проблемой при построении схемы сверхрегенеративного приемо-передатчика АРЗ реализующего принцип "запрос - ответ" для измерения наклонной дальности, является получение с высокой стабильностью поднесущей (суперирующей) частоты и ее девиации (частотной манипуляции). Нестабильность поднесущей частоты и ее девиации значительно осложняет прием сигналов радиозонда, его демодуляцию в частотном детекторе приемного
устройства наземной РЛС и приводит к искажениям телеметрической информации или к ее потере.
Технической задачей является оптимизация построения электронного блока телеметрии АРЗ для повышения точности, стабильности и надежности работы АРЗ с одновременным снижением ГМХ.
Указанная цель достигается следующим образом: предлагается цифровой аэрологический радиозонд, содержащий первый и второй датчики метеовеличин, аналоговый коммутатор, микропроцессор, приемопередатчик и антенну, отличающийся тем, что в него введены: опорный резистор, измерительный преобразователь, второй коммутатор, первый и второй масштабирующие усилители, аналогоцифровой преобразователь, третий и четвертый датчики метеовеличин и кварцевый резонатор со следующими соединениями: выход первого коммутатора соединен с входом измерительного преобразователя, первый выход которого 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 которого 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 к второму входу микропроцессора, кварцевый резонатор соединен с третьим входом микропроцессора, а пятый выход микропроцессора подключен к входу приемопередатчика, нагруженного на антенну; вместо микропроцессора МП используется микроконтроллер МК с более развитой периферией, причем второй коммутатор и аналогоцифровой преобразователь встроены в МК, при этом сокращается количество внешних связей, однако,
логика работы цифрового программируемого устройства остается неизменной; третий и четвертый датчики метеовеличин имеют выход в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна измеряемому параметру; электрическим входом/выходом радиозонда является антенна, а физическим входом являются метеопараметры атмосферы.
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.
оп
На фиг.2 изображена структурная схема цифрового радиозонда, построенная на основе микропроцессора МП: 1, 2 - резистивные датчики (ДР) температуры и влажности; 3 - опорный, высокоточный резистор (R); 4, 10 мультиплексоры (MX); 5 - измерительный преобразователь (ИП); 6, 7 - датчики давления, температуры и влажности с выходным сигналом в виде напряжения (ДН); 8, 9 - масштабирующие усилители (МУ); 11 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 12 - микропроцессор (МП); 13 - опорный кварцевый резонатор (КР); 14 - сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП); приемопередающая антенна радиозонда (А).
На фиг.3 изображены временные диаграммы следующих сигналов:
к
оп
t
- U - временная диаграмма управляющего напряжения циклом работы радиозонда: «интервал опорного канала - Т», «интервал канала температуры - T'' и т.д.;
ип
- U - временная диаграмма выходного напряжения измерительного преобразователя радиозонда при интервалах опорного и температурного каналов;
c
с
- F - временная диаграмма манипуляции (импульсной девиации ΔF) частоты сигнала на выходе МП в соответствии с интервалами работы ИП радиозонда.
На фиг.4 изображена структурная схема цифрового радиозонда, построенная на основе микроконтроллера МК: 1, 2 резистивные датчики (ДР) температуры
оп
и влажности; 3 - опорный, высокоточный резистор (R); 4, 10 - мультиплексоры (MX); 5 - измерительный преобразователь (ИП); 6, 7 - датчики давления, температуры или влажности с выходным сигналом в виде напряжения (ДН); 8, 9 - масштабирующие усилители (МУ); 11 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 12 - цифровое программируемое устройство (ЦПУ); 13 - микроконтроллер (МК); 14 - опорный кварцевый резонатор (КР); 15 - сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП); приемопередающая антенна радиозонда (А).
Принятые условные обозначения:
упр k
- U - сигналы управления мультиплексором (МП-4) резистивных датчиков;
упр i
- U - сигналы управления мультиплексором (МП-10) датчиков с выходом в виде напряжения;
i
- U - напряжения поступающие на вход АЦП-11;
кр
- F - частота опорного кварцевого резонатора КР-13;
k
k
- τ - длительность и измерительный период T импульсов каналов температуры и влажности, поступающие с выхода измерительного преобразователя ИП-5 на вход микропроцессора МП12;
с
c
- F - частота поднесущего (суперирующего) сигнала, содержащая телеметрическую информацию за счет частотной манипуляции ΔF;
- последовательный интерфейс ввода-вывода RS-232.
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.; 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 HIH 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; микропроцессор 12, например, типа АРМ7 или микроконтроллер 13, например, семейство LPC2101FBD48, см. Микроконтроллеры АРМ7. Пер. с англ. - М.: «Додека-XXI», 2006.; кварцевый резонатор 13 может быть применен, например, типа КР-24, см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА, У.Титце, К.Шенк, М, МИР, 1982, стр.300-301; приемопередатчик 14 может быть выполнен на основе патентов РФ №2172965, №2214614, патентов на полезные модели №50682, №49283, №56001.
Электрическая схема имеет следующие соединения: выход первого коммутатора 4 соединен с входом измерительного преобразователя 5, первый выход которого соединен с первым выводом опорного резистора 3, второй вывод опорного резистора 3 соединен с входами первого 1 и второго 2 датчиков метеовеличин и с первым входом первого коммутатора 4, выходы первого 1 и второго 2 датчиков метеовеличин соединены с вторым и третьим входами первого коммутатора 4, второй выход измерительного преобразователя 5 соединен с первым входом микропроцессора 12, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам первого коммутатора 4, третий и четвертый выходы микропроцессора 12 соединены с управляющими входами второго коммутатора 10, выходы третьего 6 и четвертого 7 датчиков метеовеличин через первый 8 и второй 9 масштабные усилители соответственно подключены к входам второго коммутатора 10, выход которого подключен к входу аналогоцифрового преобразователя 11, выход аналогоцифрового преобразователя 11 подключен к второму входу микропроцессора 12, кварцевый резонатор 13 соединен с третьим входом микропроцессора 12, а пятый выход микропроцессора 12 подключен к входу приемопередатчика 14, нагруженного на антенну;
ц
к
Цифровой АРЗ (структурная схема изображена на фиг.2) работает следующим образом. Генератор тактовой частоты в МП12 построен на основе кварцевого резонатора 13. Программно МП12 задает временной цикл работы радиозонда Т состоящий из ряда интервалов Т. Этот цикл изображен на фиг.1. В течение
к
упр
оп
оп
i
i
i
i
i
c
c
с
с
спп
одного канального интервала Т≈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. Для этого МП12 вырабатывает управляющие сигналы U, которые с помощью мультиплексора МХ-4 последовательно подключают опорный резистор R 3 и резистивные датчики метеорологических величин ДР1, 2 к входу ИП5. Опорный канал вводится с целью калибровки ИП для повышения точности преобразования метеорологической информации в телеметрический сигнал. Период опорного канала Т может незначительно меняться под действием дестабилизирующих факторов. Информация о метеорологических величинах заключается в периоде Т телеметрических импульсов генерируемых ИП. МП12 измеряет длительность периода импульсов Т и вырабатывает телеметрический сигнал с периодом равным Т и определенной длительностью импульсов τ характерной для данного интервала работы радиозонда. По известной величине длительности телеметрических импульсов τ в наземной РЛС автоматически осуществляется определение интервала работы радиозонда и вида принимаемого метеорологического параметра. Эта последовательность телеметрических импульсов поступает на программный блок формирования поднесущей частоты (F=800 кГц, период равен T≈1,25 мкс) МП12 в котором осуществляется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и формирование последовательности видеоимпульсов поднесущей частоты с девиацией ΔF≈±15 кГц. Далее видеоимпульсы длительностью τ≈0,65 мкс поступают на вход СПП14, 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 ИП5 АРЗ путем вычисления отношения измеренных радиозондом
длительности периода опорного сигнала к длительности периодов телеметрических сигналов: .
упр i
i
i
оп
Подключение к МП12 аналоговых датчиков метеорологических параметров ДН6, 7 с выходным сигналом в виде напряжения осуществляется особо. В соответствии с циклом работы радиозонда. МП 12 вырабатывает сигналы управления U, которые управляют работой MX10. При этом сигнал от соответствующего датчика через МУ8, 9 и MX10 поступает на АЦП11 и далее на вход МП12. В памяти МП12 содержится математическая модель датчиков ДН6, 7, 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 T ИП5. Далее преобразование и передача телеметрической информации осуществляется также как, и для резистивных датчиков.
Для обеспечения необходимой точности преобразования телеметрической информации, времени циклов работы радиозонда, стабилизации поднесущей частоты СПП14 и величины ее девиации, синхронизации сигналов, вырабатываемых МП12, используется опорный кварцевый резонатор 13 с высокой резонансной частотой. Применение кварцевого резонатора обеспечивает необходимую точность генерации тактовой частоты работы МП12 и, в конечном счете, существенное повышение качества приема сигнала радиозонда и точности обработки телеметрической информации наземной РЛС.
При использовании высокоскоростного процессора МП12 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 МП12 или микроконтроллер МК, ввод-вывод технологической информации при производстве и эксплуатации АРЗ осуществляется по последовательному интерфейсу, например, типа RS-232.
Цифровой АРЗ, построенный на основе микроконтроллера МК13 (структурная схема изображена на фиг.4) работает аналогично АРЗ рассмотренному выше (структурная схема на фиг.2). Однако применение микроконтроллера позволяет, например, использовать встроенный многовходовой мультиплексор MX10, внутренний АЦП11, уменьшить количество внешних связей, снизить расход энергии. Логика работы ЦПУ микроконтроллера МК аналогична работе микропроцессора МП12 описанной ранее. Использование МК позволяет существенно упростить конструкцию АРЗ, снизить ГМХ, упростить технологию производства и эксплуатацию.
Таким образом, применение МП и МК в аэрологическом радиозонде позволяет:
- получить стабильное значение поднесущей (суперирующей) частоты сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда;
- стабильную девиацию поднесущей частоты;
- стабильное значение длительности импульсов телеметрической информации;
- стабильное значение периода телеметрической информации в течение одного интервала 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-232C.