СИСТЕМА РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ СИГНАЛОВ GPS/ГЛОНАСС

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (СР) на основе использования сигналов спутниковых навигационных радиоэлектронных систем (СНРС) GPS/ГЛОНАСС для определения текущих координат аэрологического радиозонда (РЗ), направления и скорости ветра, а также передачи координатной и телеметрической информации на наземную базовую станцию (БС).
Общей проблемой производства и эксплуатации СР атмосферы является создание высокоточных систем определения координат АРЗ, недорогих конструкций аэрологических радиозондов, обеспечивающих измерение метеорологических параметров атмосферы с необходимой точностью, надежную передачу информации с борта АРЗ на наземную станцию в оперативном радиусе действия СР.
Известен GPS-зонд не обрабатывающий кодовый сигнал, а ретранслирующий его на наземный приемник (патент США №4754283).
Прибор для измерения скорости ветра, приемник которого обрабатывает сигналы спутниковой навигационной системы GPS без использования широкополосных кодов. Этот прибор игнорирует двухфазный код и выделяет только несущие частоты сигналов всех «видимых» приемной антенной спутников. Используются два таких приемника. Один приемник располагается на земле, в месте, с известными координатами (широта и долгота). Другой приемник размещается на баллонном аэрологическом радиозонде и запускается в атмосферу. Передатчик телеметрии на борту зонда, связанный с GPS-системой, передает сигнал, содержащий информацию о несущих частотах спутников GPS, на приемник сигналов телеметрии расположенный на земле. Сигналы с выхода приемника телеметрии и локального, не обрабатывающего кодовый сигнал GPS-приемника поступают на группу следящих фильтров. Отфильтрованные сигналы оцениваются для измерения разницы между несущими частотами локального GPS-приемника и частотами GPS-приемника зонда, вызванной скоростью перемещения зонда относительно базового приемника, то есть здесь наблюдается доплеровский эффект. Скорость ветра вычисляется исходя из измеренных доплеровских смещений GPS-приемника зонда и известных координат спутников GPS. Скорость зонда вычисляется в виде трехкоординатного пространственного вектора. Этот вектор может быть интегрирован, для получения координат X, У и высоты Z от точки запуска зонда.
Недостатки известного решения: сложный и менее точный способ вычисления координат радиозонда.
Известен метод и аппаратура для слежения за местоположением и скоростью приборов, находящихся в воздухе (патент США №5347285).
Определяется метод и система слежения, по крайней мере, за одним движущимся объектом, таким, как находящийся в воздухе метеорологический прибор, с расположенной на земле станции слежения путем перехвата широкополосных сигналов, передаваемых созвездием спутников, в которых кодовая последовательность не известна. Метод и система включают в себя схему приемника на движущемся объекте, которая сжимает широкополосные сигналы в узкополосный сигнал, удаляет все частотные сдвиги с помощью эталонным генератора со смещенной частотой, формирует узкополосный аналоговый модулирующий сигнал и передает его на базовую станцию, в которой выполняется перевод сигнала в спектральную область и полученные спектральные составляющие сравниваются с синтезированными спектральными величинами, чтобы идентифицировать каждый спутник, оценивается смещение частоты эталонного генератора, а также определяются координаты и скорость движущегося объекта.
Недостатки известного решения: сложный и менее точный способ вычисления координат радиозонда.
Известен отдаленный GPS-датчик и обрабатывающая система для удаленного GPS-зондирования и централизованная обработка на наземной станции для удаленного мобильного определения местоположения и скорости, (патент США №5420592).
Пример осуществления данного изобретения - система радиозондирования, включающая в себя цифровой буфер снимка сигналов GPS и последовательный коммуникационный контроллер для передачи кадров сообщений, формируемых комбинацией цифровых данных из буфера снимка сигналов GPS и оцифрованных метеорологических данных, полученных устройством измерения влажности, температуры и давления. Кадры сообщения передаются со сравнительно низкой скоростью по метеорологическую радиоканалу на наземную станцию. Вся традиционная цифровая обработка GPS - сигналов главным образом выполняется на наземной станции, включая восстановление несущей частоты, захват псевдослучайно-шумового кода, выделение псевдодальностей, выделение эфемеридной информации, сбор альманаха, выбор спутников, вычисление навигационного решения и дифференциальные поправки. Кроме того, наземная обработка включает в себя фильтрацию Калмана вычисления скорости ветра.
Недостатки известного решения: 1) большая загруженность радиоканала телеметрии, поэтому более широкий спектр передаваемого сигнала (потери в дальности или увеличение мощности передатчика радиозонда. 2) прерывистость обработки сигналов GPS, что усложняет функционирование следящих контуров и фильтров.
Известна система GPS-слежения (патент США №5379224).
Недорогая система слежения, использующая спутники Глобальной системы позиционирования (GPS), пригодна для применения в прикладных задачах, в которых задействованы радиозонды, радиогидроакустические буйки и другие подвижные объекты. Система слежения включает в себя датчик, установленный на каждом объекте, который в оцифровывает сигналы GPS-спутников, и записывает их в буфер данных. Затем эти цифровые выборки передаются, с меньшей скоростью, чем эти сигналы GPS-спутников были оцифрованы, по телеметрическому каналу связи, чередуясь с другими телеметрическими данными объекта. Эти данные GPS обрабатываются вычислительной рабочей станцией, которая вычисляет координаты и скорость датчика на момент выборки (оцифровки) сигнала. Буфер данных датчика периодически обновляется, а на рабочей станции периодически пересчитываются координаты и скорость датчика. Кроме этого рабочая станция вычисляет дифференциальные поправки, чтобы помочь обнаружить сигналы и повысить точности определения координат.
Недостатки известного решения: 1) большая загруженность радиоканала телеметрии, поэтому более широкий спектр передаваемого сигнала (потери в дальности или увеличение мощности передатчика. 2) прерывистость обработки сигналов GPS, что усложняет функционирование следящих контуров и фильтров. Это техническое решение выбрано в качестве ПРОТОТИПА.
Недостатками всех известных технических решений и ПРОТОТИПА является недостаточная точность определения координат движения радиозонда в свободной атмосфере и невысокая помехозащищенность от помех, создаваемых другими радиосистемами.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения координат аэрологического радиозонда и обеспечение надежной передачи информации с борта АРЗ на наземную станцию в оперативном радиусе действия СР.
Для решения поставленной задачи предлагается система радиозондирования, содержащая N навигационных спутников системы GPS, аэрологический радиозонд (АРЗ) с приемником навигационных сигналов системы GPS и передатчиком координатно-телеметрической информации, наземную базовую станцию, снабженную первой и второй приемными антеннами и содержащую блок обработки информации и управления, отличающаяся тем, что в нее введено М навигационных спутников системы ГЛОНАСС, аэрологический радиозонд (АРЗ) дополнительно снабжен приемником сигналов системы ГЛОНАСС, базовая станция снабжена третьей антенной, антенным переключателем и блоком передачи метеорологической информации со следующими соединениями: навигационные сигналы систем GPS и ГЛОНАСС по первому и третьему радиоканалам связаны с первым и вторым входами аэрологического радиозонда; навигационные сигналы системы GPS по второму радиоканалу связаны с первым входом первой антенной системы, навигационные сигналы системы ГЛОНАСС связаны четвертым радиоканалом с вторым входом первой антенной системы; аэрологический радиозонд (АРЗ) пятым радиоканалом связан с входом второй антенной системы, а шестым радиоканалом - с входом третьей антенной системы; выход первой антенной системы информационной шиной связан с первым входом блок обработки информации и управления; выходы второй и третьей антенных систем второй и третьей информационными шинами соединены с первым и вторым входами антенного переключателя, выход которого четвертой информационной шиной соединен с блок обработки информации и управления, первый выход которого пятой информационной шиной соединен с третьим входом антенного переключателя, а второй выход блок обработки информации и управления соединен с входом блока передачи метеорологической информации. Метеорологическая система может работать раздельно по сигналам ГЛОНАСС или GPS, либо одновременно по сигналам ГЛОНАСС и GPS. Первая антенная система метеорологической системы обеспечивает дифференциальный режим работы, вторая антенная система имеет широкую диаграмму направленности и обеспечивает прием сигналов АРЗ в ближней зоне, третья антенная система имеет круговую диаграмму направленности в азимутальной (горизонтальной) плоскости и узкую диаграмму направленности в угломестной (вертикальной) плоскости, а переключением второй и третьей антенн управляет блок обработки информации и управления с помощью антенного переключателя.
На фиг.1 изображена структурная схема системы радиозондирования атмосферы, построенная на основе использования сигналов СНРС GPS/ГЛОНАСС.
В состав СР входит: 1 - N спутников СНРС GPS/Навстар; 2 - М спутников СНРС ГЛОНАСС; 3 - аэрологический радиозонд, снабженный приемником сигналов СНРС GPS/Навстар и ГЛОНАСС; 4 - антенна приема сигналов СНРС в дифференциальном режиме (А1); 5 - антенна приема сигнала радиозонда с широкой диаграммой направленности (А2) и коэффициентом усиления 2-3 дБ; 6 - антенна приема сигнала радиозонда с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости и узкой диаграммой направленности в угломестной плоскости (A3) и коэффициентом усиления 10-12дБ; 7 - блок обработки координатно-телеметрической информации и управления комплексом (БОИУ); 8 - управляемый антенный переключатель (АПК); 9 - блок хранения и передачи потребителю аэрологической информации (БПИ); 10 - наземная базовая станция; 11 - потребитель аэрологический информации (ПАИ).
Система радиозондирования атмосферы состоит из базовой станции (БС) (10) и аэрологического радиозонда (АРЗ) (2). Косвенно в системе задействованы спутниковые радионавигационные системы (СРНС) GPS (1), ГЛОНАСС (2) и потребитель аэрологический информации (ПАИ) (11). Аэрологический радиозонд (2) снабжен приемным устройством осуществляющим одновременный прием навигационных сигналов спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС поступающих по радиоканалам РК1 и РК3. Из полученной навигационной информации и измеренных значений метеорологических параметров АРЗ (2) формирует информационный координатно-телеметрический сигнал и передает его на базовую станцию БС (9) по радиоканалу РК5 или РК6. В обычном режиме работы координатно-телеметрический сигнал АРЗ (3) поступает по радиоканалу РК5 на антенну А2 (5) с широкой диаграммой направленности (ДН) и по информационной шине 2 на антенный переключатель АПК (8). Антенный переключатель АПК (8) управляется по информационной шине 5 командами блока БОИУ (7). Далее принятый сигнал поступает с выхода АПК (8) по информационной шине 4 на «Вход 2» блока БОИУ (7). Блок обработки и управления (БОУ) (7) осуществляет демодуляцию сигнала АРЗ (2), выделяя из него координатно-телеметрическую информацию, осуществляет дальнейшую обработку данных, отображение и сохранение результатов радиозондирования атмосферы. Результаты радиозондирования атмосферы в принятом формате выдаются на блок хранения и передачи потребителю аэрологической информация в БПИ (9). Далее координатно-телеметрическая информация по каналам связи передается потребителю метеорологической информация.
В дифференциальном режиме работы БС (10) принимает навигационные сигналы СРНС GPS (1) и ГЛОНАСС (2) поступающие по радиоканалам РК2 и РК4 на приемную антенну А1 (4). Принятые сигналы передаются по «информационной шине 1» на «Вход 1» и обрабатываются в БОУ (7). В дифференциальном режиме определения координат АРЗ, полученная таким образом навигационная информация используется для формирования корректирующих поправок при заранее известных геодезических координатах БС (10) к навигационным измерениям, выполненным АРЗ. Дифференциальный режим позволяет повысить точность измерения координат АРЗ.
Для борьбы с помехами методом пространственной селекции, увеличения рабочей дальности телеметрического радиоканала, повышения надежности получения координатно-телеметрической информации в БС (10), а также увеличения пропускной способности телеметрического радиоканала сигнал АРЗ, поступающий по радиоканалу РК 6, может приниматься БС (10) через антенну A3 (6), которая имеет круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и узкую диаграмму направленности в угломестной плоскости. При снижении отношения сигнал/шум ниже допустимого значения блок БОУ (7) автоматически командами по «информационной шине 5» осуществляет подключение антенны A3 с помощью блока СВЧ ПК (8) и обеспечивает прием сигнала радиозонда по «информационной шине 4».
Принцип действия и технические характеристики СНРС GPS и ГЛОНАСС рассмотрены в [1, 2]. Описание функционирования и технические особенности построения аэрологических радиозондов дано в работах [3, 4]. Вопросы разработки и технологии изготовление всех типов антенн, антенных коммутаторов, приемных устройств, комплексов обработки информации и управления, входящих в предлагаемую систему радиозондирования освещены в источниках [5, 6]. Технические характеристики серийных приемных модулей сигналов СНРС GPS/ГЛОНАСС пригодных для установки в аэрологические радиозонды приведены в [7, 8].
Таким образом, технические усовершенствования, предложенные в предполагаемом изобретении на полезную модель, могут быть реализованы в промышленном производстве.
Предложенная система радиозондирования обеспечивает повышение точности и надежности определения текущих координат радиозонда за счет одновременного использования навигационных сигналов СНРС GPS и ГЛОНАСС. За счет введения антенны с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости и узкой диаграммой направленности в угломестной плоскости, обладающей повышенным на 8-9дБ коэффициентом усиления, соответственно повышается помехоустойчивость и дальность действия системы радиозондирования.
Список использованных источников
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под. Ред. А.И.Перова, В.Н.Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2010. 800 с., ил.
2. Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. М.: Горячая Линия - Телеком, 2005. 272 с.
3. Зайцева Н.А. Аэрология - Гидрометеоиздат, 1990. 325 с.
4. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и использования радиозондовых измерительных средств. В.Э.Иванов, М.Б.Фридзон, С.П.Ессяк. / Под редакцией В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0.
5. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учеб. для вузов / Под ред. Г.А.Ерохина. М.: Радио и связь, 1996. 352 с.
6. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: Радио и связь. 1988. 288 с.
7. Приемник навигационный СН-4706. Руководство по эксплуатации. ТДЦК. 434855.001 РЭ. КБ Навис. 2010 г. 74 с.
8. Приемник навигационный МНП-М7. Руководство по эксплуатации. ЦВИЯ. 468157.113 РЭ. Ижевский радиозавод, 2010 г. 48 с.