УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА МЕТЕООБСТАНОВКИ И ПЕРЕДАЧИ МЕТЕОИНФОРМАЦИИ ПО СПУТНИКОВЫМ КАНАЛАМ

Полезная модель относится к области техники космической связи и может быть использована для формирования и передачи в эфир по спутниковым каналам данных информации (цифрового сообщения) метеорологического назначения о метеообстановке и о местоположении излучающего объекта.
Предлагаемое устройство передачи данных (цифровых сообщений) обеспечивает синхронизированную во времени передачу цифровых сообщений, объемом до 15000 бит со стационарных и подвижных объектов в центр сбора данных. За счет синхронизации времени передачи пакета информации по сигналам навигационного приемника GPS/ГЛОНАСС обеспечивается высокая производительность (количество устройств, работающих на одних и тех же частотах) системы сбора и передачи данных, как через геостационарные так и высокоорбитальные космические аппараты (ретрансляторы).
Общей проблемой производства и эксплуатации систем радиозондирования атмосферы является создание высокоточных систем определения координат аэрологического радиозонда, недорогих конструкций аэрологических радиозондов, обеспечивающих измерение метеорологических параметров атмосферы с необходимой точностью, надежную передачу информации с борта аэрологического радиозонда на наземную станцию в оперативном радиусе действия систем радиозондирования.
Известна система дистанционного зондирования и GPS централизованной обработки наземной станцией удаленного мобильного положение, описанная в патенте на изобретение US 5420592 A, опубликованный 30.05.1995, кл. G01S 19/11, содержащая: GPS понижающий преобразователь, средство для приема множества сигналов GPS от спутников GPS, и для вывода в фазе промежуточной частоты (ПЧ), фазовращатель для формирования квадратурного сигнала ПЧ от указанного синфазный сигнал промежуточной частоты; двойной однобитовый дигитайзер, средство для одновременного отбора проб, радиопередатчик, метеорологических измерительный прибор, средство для периодического тестирования окружающей атмосферы и для вывода последовательного цифрового сигнала, содержащего информацию, связанную с испытаниями, последовательный коммуникационный контроллер для передачи кадров сообщений, формируемых комбинацией цифровых данных из буфера снимка сигналов GPS и оцифрованных метеорологических данных.
Недостатками данного решения являются: большая загруженность радиоканала телеметрии, поэтому более широкий спектр передаваемого сигнала (потери в дальности или увеличение мощности передатчика радиозонда и прерывистость обработки сигналов GPS, что усложняет функционирование следящих контуров и фильтров
Известен цифровой аэрологический радиозонд, описанный в патенте на полезную модель RU 63551 U1, опубликованный 27.05.2007, кл. G01W 1/08, содержащий: первый и второй датчики метеовеличин, аналоговый коммутатор, микропроцессор, приемопередатчик, антенну, опорный резистор, измерительный преобразователь, второй коммутатор, первый и второй масштабирующие усилители, аналого-цифровой преобразователь, третий и четвертый датчики метеовеличин и кварцевый резонатор.
Недостатком данного решения 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.
Известно устройство для измерения метеорологических величин и формирования сигнала телеметрии аэрологического радиозонда, описанное в патенте на полезную модель RU 105477 U1, опубликованный 10.06.2011, кл. G01W 1/08, содержащий датчик влажности, датчик температуры, два ключа, опорный резистор, времязадающий резистор, времязадающий конденсатор, таймер, энергонезависимую память, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), узел управления и узел обработки и формирования сигнала телеметрии, причем ключи, энергонезависимая память, АЦП, узел управления и узел обработки и формирования сигнала телеметрии выполнены на базе одного программируемого микроконтроллера.
Недостатком данного решения является присутствие больших погрешностей.
Наиболее близким решением, к заявленной полезной модели, является аппаратура передачи данных спутниковой системы сбора и передачи данных, описанная в патенте на полезную модель RU 105098 U1, опубликованный 27.05.2011, кл. H04B 7/00, содержащая: передатчик, состоящий из опорного генератора, фазового модулятора, первый вход которого соединен с выходом опорного генератора, синтезатора, состоящего из первого делителя частоты, второго делителя частоты и фазового компаратора синтезатора, причем первый вход первого делителя частоты соединен с выходом фазового модулятора, выход первого делителя частоты соединен с первым входом фазового синтезатора, второй вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, фильтр низких частот, вход которого соединен с выходом фазового компаратора синтезатора, генератор, управляемый напряжением, первый вход которого соединен с выходом фильтра частот, второй вход соединен с первым входом второго делителя частоты, предварительного усилителя мощности, вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, усилителя мощности, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя мощности, выход усилителя мощности, являющийся выходом передатчика, подключен к антенне малонаправленной или антенне направленной микроконтроллера, первый выход которого соединен с вторым входом первого делителя частоты, второй выход соединен с вторым входом второго делителя частоты, третий выход соединен с вторым входом усилителя мощности, четвертый выход соединен с вторым входом фазового модулятора.
Недостатком данного решения является низкая точность установки частоты излучения (несколько сотен Гц), что при низких скоростях передачи (100, 400 и 1200 бит/с) и неопределенности принимаемой частоты в несколько сотен Гц, увеличивает вероятность пропуска передаваемых пакетов информации, в результате чего происходит снижение достоверности принятой информации и возникает - большое количество погрешностей измеряемых величин и координат.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности и качества измерения метеовеличин и координат места излучающего объекта.
Для достижения, указанного технического результата предложено устройство мониторинга метеообстановки и передачи информации о чрезвычайных ситуациях по спутниковым каналам выполнено в виде передатчика с двумя интерфейсами, состоящего: из антенны GPS/ГЛОНАСС, к которой подключено навигационное приемное устройство, навигационное приемное устройство также подключено к входу микроконтроллера, первый и второй выходы микроконтроллера подключены к входу кодирующего устройства, содержащего кодер, выполненный с функцией помехоустойчивого кодирования, третий выход микроконтроллера подключен к цифровому синтезатору прямого синтеза, а четвертый к аттенюатору, при этом первый выход кодера подключен к входу первого формирователя перехода фазы, выход, которого подключен к первому входу цифроаналогового преобразователя, а второй выход кодера подключен к входу второго формирователя перехода фазы, выход, которого подключен ко второму входу цифроаналогового преобразователя, первый выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу первого фильтра нижних часто, а второй выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу второго фильтра нижних частот, причем выход первого фильтра нижних частот подключен к входу первого перемножителя квадратурного модулятора, а выход второго фильтра нижних частот подключен к входу второго перемножителя квадратурного модулятора, выходы, которых подключены к сумматору, выход сумматора подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу третьего фильтра нижних частот, а выход третьего фильтра нижних частот подключен к входу аттенюатора, выход цифрового синтезатора прямого синтеза подключен к входу полосового фильтра, выход полосового фильтра подключен к делителям частоты, которые подключены к входам фазового дискриминатора, выход которого подключен к входу четвертого фильтра нижних частот, выход, которого подключен к генератору управляемого напряжением (ГУН), выход ГУН соединен с входом квадратурного модулятора.
Полезная модель поясняется далее более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - изображает структурную схему передатчика;
фиг. 2 - изображает схему формата посылок модулятора;
фиг. 3 - внешний вид блока передатчика «ТЕРМИНАЛА-ГМК»;
фиг. 4 - габаритно-установочные размеры передатчика «ТЕРМИНАЛА-ГМК».
Передатчик для мониторинга метеообстановки (фиг. 1) содержит узлы, выполненные в виде интерфейса 10/100 Base-T Ethernet и интерфейса RS-232, сопрягающие исходную информацию с микроконтроллером.
Данные о метеообстановке поступают (записываются) от соответствующих датчиков (температура, влажность, давление и т.д.). В результате формируется некоторая телеграмма, в этой телеграмме содержатся также данные о месте нахождения излучающего объекта,
Координаты места и метки времени (по Гринвичу) выдает в микроконтроллер навигационный приемник устройства.
Синхронизация времени излучения данных осуществляется по сигналам глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Благодаря способности навигационного приемника использовать сигналы со спутников обеих навигационных систем он мгновенно определяет точное местоположение объекта там, где это невозможно в случае использования только одной из систем в отдельности. Навигационный приемник способен получать данные местоположения, используя только сигналы ГЛОНАСС или только GPS, а также работая по совмещенному созвездию GPS/ГЛОНАСС.
Навигационный приемник устройства выдает в микроконтроллер сообщение о количестве видимых спутниках. Данные меток времени считаются достоверными, если навигационный приемник «видит» 4 и более спутников. Об этом в данных от приемника GPS/ГЛОНАСС присутствует соответствующая метка.
Исходная информация от ПК через разъем интерфейса, например через стык интерфейса 10/100 Base-T Ethernet или интерфейса RS-232 передается в микроконтроллер.
Микроконтроллер формирует следующую структуру сигнала:
- излучение несущей частоты (длительность 2000 бит);
- излучение преамбулы в виде меандра (2000 бит);
- синхрометка (32 бита);
- адреса устройства (32 бита);
- данных поступивших от ПК;
- маркер конца блока данных(32 бита);
- контрольная сумма передаваемых данных (32 бита).
Формат посылок приведен на фиг. 2.
Таким образом, формируется исходная телеграмма подлежащая передаче и кодированию сверточным кодом. Далее сигнал подвергается цифровой фильтрации для формирования заданного спектра в соответствии с требованиями стандартов, проходит КИХ фильтр и интерполяционные фильтры. На выходе этих фильтров получаются цифровые отсчеты I и Q каналов подлежащих передаче, для этого сигнал переводится в аналоговый вид с помощью ЦАП, фильтруется и поступает на квадратурный модулятор.
Квадратурный модулятор выполнен на схеме AD8345.
С выхода модулятора усиленный и фильтрованный сигнал поступает на управляемый от микроконтроллера аттенюатор и далее на усилитель мощности.
Аттенюатор используется для регулировки выходной мощности передатчика.
Опорный сигнал формируется высокостабильным термостатированным кварцевым генератором опорной частоты 20 МГц.
Сигнал от опорного генератора поступает на цифровой синтезатор прямого синтеза (СПС).
Программируется синтезатор прямого синтеза от микроконтроллера.
Выход синтезатора подсоединен на вход схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАЛЧ), которая умножает частоту синтезатора прямого синтеза в N раз.
На выходе ФАПЧ образуется частота, которая и служит опорой модулятора.
Таким образом, предложено устройство мониторинга метеообстановки и передачи информации о чрезвычайных ситуациях по спутниковым каналам выполнено в виде передатчика с двумя интерфейсами, состоящего: из антенны GPS/ГЛОНАСС, к которой подключено навигационное приемное устройство, навигационное приемное устройство также подключено к входу микроконтроллера, первый и второй выходы микроконтроллера подключены к входу кодирующего устройства, содержащего кодер, выполненный с функцией помехоустойчивого кодирования, третий выход микроконтроллера подключен к цифровому синтезатору прямого синтеза, а четвертый к аттенюатору, при этом первый выход кодера подключен к входу первого формирователя перехода фазы, выход, которого подключен к первому входу цифроаналогового преобразователя, а второй выход кодера подключен к входу второго формирователя перехода фазы, выход, которого подключен ко второму входу цифроаналогового преобразователя, первый выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу первого фильтра нижних часто, а второй выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу второго фильтра нижних частот, причем выход первого фильтра нижних частот подключен к входу первого перемножителя квадратурного модулятора, а выход второго фильтра нижних частот подключен к входу второго перемножителя квадратурного модулятора, выходы, которых подключены к сумматору, выход сумматора подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу третьего фильтра нижних частот, а выход третьего фильтра нижних частот подключен к входу аттенюатора, выход цифрового синтезатора прямого синтеза подключен к входу полосового фильтра, выход полосового фильтра подключен к делителям частоты, которые подключены к входам фазового дискриминатора, выход которого подключен к входу четвертого фильтра нижних частот, выход, которого подключен к генератору управляемого напряжением (ГУН), выход ГУН соединен с входом квадратурного модулятора.
В результате сочетания в предлагаемом устройстве наличия навигационного приемника GPS/ГЛОНАСС и помехоустойчивого кодирования а так же возможность высокой точности установки частоты излучения позволяет следить с большой точностью за координатами подвижных объектов и обеспечивает высокую достоверность передачи информации (цифрового сообщения) метеорологического назначения при низких отношениях сигнал/шум.
Детерминированная расстановка во времени излучения множества устройств в случае точной привязки к меткам времени (по Гринвичу) позволяет экономить дорогой частотный ресурс спутникового ретранслятора.