ЦИФРОВОЙ РАДИОЗОНД СИСТЕМЫ ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к измерению вертикального профиля метеовеличин атмосферы аэрологическими радиозондами (АРЗ): температуры, влажности, давления, цифровой обработки измеренных величин и передачи кодовой информации по радиоканалу на наземную РЛС слежения (сопровождения).
Основными проблемами измерения метеовелечин, их обработки и передачи кодовой информации на землю являются следующие:
достижение минимальных габаритно-массовых характеристик (ГМХ) непосредственно АРЗ, в том числе, естественно, его электронной части;
минимальное потребление электроэнергии, так как прередача данных на землю (РЛС сопровождения) идет непрерывно и длительное время, а емкость батарей питания АРЗ конечна;
получение максимально возможных точностных характеристик 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;
минимальная себестоимость при решении всех вышеперечисленных проблем в условиях жесточайшей конкуренции, т.к. во всем мире ежегодно запускается порядка 800-900 тысяч АРЗ, поэтому снижение себестоимости и продажной стоимости даже на 1 $ за один АРЗ дает ощутимое преимущество на рынке. Таким образом должен соблюдаться основной экономический критерий: "стоимость - эффективность".
Известен АРЗ, содержащий свехрегенеративный приемопередатчик с отдельным генератором вспомогательных колебаний, служащий для приема запросных импульсов и передачи ответной кодовой информации, причем датчики метеовеличин соединены через коммутатор с приемопередатчиком,
который содержит также генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор, антенну и источник питания, причем автогенератор включает в себя транзистор и резонатор, см. АС СССР №1106262.
Недостатком данного АРЗ является: низкая стабильность выходных параметров 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. Применение же катушек индуктивности в генераторе увеличивает ГМХ и, к тому же, катушки плохо вписываются в печатный монтаж.
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 №228912А1 (ГДР) "Digitale Radiosonde".
Недостатком данного АРЗ являются следующие: большая аппаратурная сложность, отсюда высокий ГМХ, далее большие временные, а следовательно и аппаратные затраты на обработку образцовых элементов, на формирование и передачу синхронного слова и т.д., отсюда повышенное потребление электроэнергии; само построение передачи информации на наземную
станцию напрямую без запроса с РЛС сопровождения требует дополнительных и наземных аппаратурных затрат.
Известен "Радиозонд с использованием микропроцессора", см. ПАТЕНТ США №4481514, который оснащен набором устройств для регистрации измеряемых данных. Они связаны с блоком, вырабатывающим последовательность электросигналов, воспроизводящих измеренные метеохарактеристики. 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 метеопараметр, 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 передатчик, который транслирует на наземную станцию модулируемый обработанный МП двоичными сигналами - ПРОТОТИП.
Недостатками прототипа 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 "запрос" с РЛС сопровождения -"ответ" с АРЗ), что влечет за собой временные и прочие затраты.
Отдельной проблемой при построении схемы передатчика АРЗ по принципу "запрос - ответ" состоит в получении высокостабильных
фиксированный частот девиации (частотная модуляция) относительно опорной, так как существующие схемы или низкостабильны или очень сложны. Нестабильность частот девиации приводит к искажениям информации или к ее потере.
Технической задачей является оптимизация построения электронной части АРЗ для снижения ГМХ с одновременным повышением точностных характеристик.
Указанная цель достигается следующим образом: предлагается цифровой радиозонд системы зондирования атмосферы, содержащий первый, второй и третий датчики-преобразователи метеовеличин, являющиеся входом АРЗ, аналоговый коммутатор, приемо-передатчик с антенной, которая является выходом АРЗ, программный блок стабилизации частот, состоящий из кварцевого генератора (резонатора) и программируемой логической матрицы (PLD), причем выход коммутатора соединен с сигнальным входом IN PLD, управляющие выходы OUT которой соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцевого генератора соединен с синхровходом PLD, a выход последней соединен с входом приемо-передатчика;
программный блок стабилизации частоты также может быть выполнен на микроконтроллере (МС) с кварцевым резонатором и на полузаказной БИС в качестве делителя частоты, причем выход коммутатора соединен с сигнальным входом МС, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцованного генератора соединен с синхровходами МС и полузаказной БИС, выход МС через последнюю соединен со входом приемо-передатчика;
программный блок стабилизации частоты может быть выполнен на МС с кварцевым резонатором и на синтезаторе частоты, причем выход коммутатора соединен с сигнальным входом МС, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцевого генератора соединен с синхровходами МС и синтезатором частоты, выход МС через синтезатор соединен со входом приемо-передатчика;
программный блок стабилизации частоты может быть выполнен и на высокоскоростном процессоре с кварцевым резонатором, причем выход коммутатора соединен с сигнальным входом МС, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцевого резонатора соединен с синхровходом МС, выход которого соединен со входом приемо-передатчика.
T
C
На фиг.1-4 изображены варианты структурных электрических схем цифрового радиозонда, на которых изображено: 1-3 датчики-преобразователи метеовелечин температуры, влажности и давления соответственно, 4 - коммутатор MX, 5 - программируемая логическая матрица (PLD), 6 - кварцевый генератор (или резонатор), 7 - приемопередатчик, 8 - программный блок стабилизации частоты (ПБСЧ), 9 - полузаказная БИС, 10 - микроконтроллер (МС), 11 - синтезатор частоты, 12 - высокоскоростной процессор, А - антенна, f - частота синхронизации, У - частота суперизации.
Выходы датчиков-преобразователей метеовеличин (см. фиг.1) соединены через аналоговый коммутатор с входом in PLD, а управляющие выхода out PLD соединены с управляющими входами коммутатора MX, выход кварцевого генератора тактовой частоты синхронизации соединен с синхровходом PLD, выход которой соединен с модулирующим входом приемопередатчика, антенна А последнего является выходом АРЗ, входом же являются датчики метеовелечин; во втором варианте АРЗ (см. фиг.2), выход MX соединен с входом in МС, управляющие выходы out МС соединены с управляющими входами MX, сигнальный выход МС соедиенен с сигнальным входом полузаказной БИС, выход кварцевого генератора соединен с синхровходами МС и полузаказной БИС, выход последней через приемопередатчик соединен с антенной АРЗ; в третьем варианте АРЗ (см. фиг.3), вместо полузаказной БИС применен синтезатор частоты с теми же соединениями; в четвертом варианте АРЗ (см. фиг.4), качестве МС применен высокоскоростной микропроцессор,
выход которого непосредственно соединен с входом приемопередатчика, остальные соединения те же.
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах: датчики-преобразователи метеовелечин 1-3 могут быть выполнены, например, по патентам РФ №2162238 и №2162239; коммутатор 4 на ИМС 249КН, см. КАТАЛОГ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИМС, М, ЦКБ, 1983, стр.78; программируемая логическая матрица 5 PLD, полузаказная БИС 9 и синтезатор 10 могут быть выполнены на базовых матричных кристаллах, см. ж. CHIP NEWS, M, август 2000, стр.18-21; кварцевый генератор 6 может быть выполнен по схеме, см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА, У.Титце, К.Шенк, М, МИР, 1982, стр.300-301; приемопередатчик 7 может быть выполнен на основе схемы радиозонда, например, А22, см. АЭРОЛОГИЯ, Н.А.Зайцева, Л, Гидрометеоиздат, 1990, стр.150. микроконтроллер 10 или микропроцессор 12, см. например, семейство PIC16F87X ж, CHIP NEWS, M, декабрь 2000, стр.14-16. Следует заметить, что блок выполняется либо на кварцевом генераторе, либо только кварцевый резонатор подключается к специальному входу МС 8 или МП 12, внутри которых уже заложена схема генератора.
Цифровой АРЗ работает следующим образом. Данные метеовеличин с датчиков 1-3 в виде частотно-модулированных сигналов через аналоговый коммутатор 4 поступают для дальнейшей обработки на программный блок стабилизации частоты 8 и затем на приемопередатчик 7. Рассмотрим в отдельности варианты обработки сигналов.
Вариант 1 (с использованием PLD).
В этом и последующих вариантах используется кварцевый генератор 6 для стабилизации частоты девиации, который передается на двух фиксированных частотах 806,5 кГц и 793,7 кГц (при опорной частоте 800 кГц). Кварцевый генератор 6 генерирует частоту 100 МГц, которая делится на 124, 126 и 125 на PLD 5, получая тем самым необходимые заданные частоты на цифровых делителях частоты, реализованных на PLD. Коммутатор 4 строится на
ИМС средней степени интеграции, а датчики метеовеличин 1-3 последовательно подключаются через коммутатор 4 ко входу in PLD 5 по сигналам out этой же PLD. После обработки сигналы поступают на сверхрегенеративный приемопередатчик 7 и по запросу наземной РЛС сопровождения передаются на ее приемное устройство. Достоинство данного варианта в его простоте и стабильности частот. Следовательно низкие ГМХ и высокая надежность.
Вариант 2 (с использованием микроконтроллера и PLD).
В этом варианте обработка датчиков метеовелечин 1-3, коммутация их на MX 4 (управление и получение кварцованных частот), преобразование и передача данных на РЛС сопровождения происходит также, как и в первом варианте. Введение же МС 8 расширяет возможности РЛС за счет: получения режима телеметрических частот, помехозащищенного кодирования измеренных значений, возможности создания универсального протокола обмена для различных существующих типов радиозондов, т.е. имеем универсальный АРЗ.
Вариант 3 (с использованием микроконтроллера и синтезатора частоты).
Этот вариант работает как и предыдующие, только частоты девиации образуются по командам МС 8 на синтезаторе частоты 11. Применение же этого варианта увеличивает эксплуатационные возможности АРЗ за счет: удобства отработки программного обеспечения, первоначального программирование синтезатора 11 непосредственно в печатной плате, возможность расширения диапазона частот девиации от 0 до 2 МГц.
Вариант 4 (с использованием высокоскоростного процессора).
При применении высокоскоростного процессора 12 с тактовой частотой ≥ 50 МГц, который берет на себя функции и/или синтезатора частоты или PLD, применяется программная реализация всех необходимых функций по предыдущим вариантам, что дает возможность модернизации, введению новых функций в процессе производства и эксплуатации, т.е. новые модели АРЗ будут иметь ту же схему, а модернизироваться будет только
программное обеспечение. Преимуществом трех последних вариантов является возможность их адаптации ко всем отечественным и зарубежным АРЗ и РЛС сопровождения.
Таким образом, применение любого из перечисленных вариантов позволяет:
получать стабильную частоту суперизации;
стабильную девиацию чатоты;
управление напряжением питания и тока передатчика;
запись и хранение индивидуальных параметров радиозонда (номер АРЗ, коэффициенты синхронизирующих функций и т.д.);
резкое снижение ГМХ;
адаптироваться к различным типам АРЗ;
возможность программирования и задания, а также изменение выполняемых функций непосредственно в готовой печатной плате или в самом АРЗ и использованием шины последовательного интерфейса RS-232С (на чертежах условно не показана), которая является непременной составляющей всех современных микроконтроллеров и микропроцессоров.
тора соединен с сигнальным входом микроконтроллера, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцевого генератора соединен с синхровходами микроконтроллера и синтезатором частоты, выход микроконтроллера через синтезатор частоты соединен со входом приемо-передатчика.
4. Цифровой радиозонд системы зондирования атмосферы, содержащий первый, второй и третий датчики-преобразователи метеовеличин, являющиеся входом радиозонда, аналоговый коммутатор, приемопередатчик с антенной, которая является выходом АРЗ, программный блок стабилизации частоты, выполненный на высокоскоростном микропроцессоре с кварцевым резонатором, причем выход коммутатора соединен с сигнальным входом микропроцессора, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора, выход кварцевого резонатора соединен с синхровходом микропроцессора, выход которого соединен со входом приемо-передатчика.