СИСТЕМА РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ 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 узкополосныйсигнал, 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 полезной модели является повышение точности определения координат АРЗ и обеспечение надежной передачи информации с борта АРЗ на наземную станцию в оперативном радиусе действия СР.
Для решения поставленной задачи предлагается метеорологическая система, отличающаяся тем, что она содержит передатчики навигационных сигналов системы GPS, передатчики навигационных сигналов системы ГЛОНАСС, аэрологический радиозонд (АРЗ) снабженный приемником навигационных сигналов систем GPS и ГЛОНАСС, первую, вторую и третью антенные системы, наземную базовую станцию с блоком отображения координатно-телеметрической информации, первый - шестой радиоканалы со следующими соединениями: навигационные сигналы систем GPS и ГЛОНАСС по первому и третьему радиоканалам поступают на первый и второй входы АРЗ, навигационные сигналы системы ГЛОНАСС поступают по четвертому радиоканалу на второй вход первой антенной системы, навигационные сигналы системы GPS по второму радиоканалу поступают на первый вход первой антенной системы; аэрологический радиозонд (АРЗ) пятым радиоканалом связан с входом второй антенной системы, а шестым радиоканалом - с входом третьей антенной системы; выходы первой и второй антенных систем связаны первой и второй информационными шинами с первым и вторым входами наземной базовой станции соответственно, которая первым и вторым выходами связана с входами привода управления третьей антенной системы по координатам угла места (е) и азимута (р), выход которой третьей информационной шиной связан с третьим входом базовой станции, а последняя третьим выходом связана с блоком хранения и передачи координатно-телеметрической информации потребителю, выход которого подключен к потребителю аэрологической информации. Метеорологическая система может работать по сигналам ГЛОНАСС или GPS, либо совместно 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 узкую диаграмму направленности, работает в следящем режиме и обеспечивает прием сигналов АРЗ в дальней зоне.
На Фиг.1 изображена структурная схема системы радиозондирования атмосферы, построенная на основе использования сигналов СНРС GPS/ГЛОНАСС.
В состав СР входит: 1 - созвездие спутников СНРС GPS / Навстар; 2 - созвездие 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 радиозондас широкой диаграммой направленности (А2); 6 - антенна приема сигнала радиозонда с узкой диаграммой направленности (A3); 7 - блок обработки координатно-телеметрической информации и управления комплексом (БОУ); 8 - электромеханический привод управления антенной с узкой диаграммой направленности (Привод); 9 - блок хранения и передачи потребителю аэрологической информации (БПИ); 10 - наземная базовая станция; 11 - потребитель аэрологический информации (ПАИ).
Метеорологическая 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) по радиоканалу РК5 или РК6. В обычном режиме работы координатно- телеметрический сигнал АРЗ, поступающий по радиоканалу РК5, принимается БС (10) с помощью антенны А2 (5) с широкой диаграммой направленности (ДН). Далее принятый сигнал поступает на блок обработки и управления (7) по информационной шине 2. Блок обработки и управления (БОУ) (10) 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 информации (БПИ) (9).
Дополнительно 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» 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 РК6, может приниматься БС(10) на антенну A3 (6) с узкой ДН. Блок БОУ (7) осуществляет подключение антенны A3 и прием сигнала радиозонда по «информационной шине 3» при снижении отношения сигнал/шум ниже допустимого значения. Сигнал с выхода антенны A3 (6) по «информационной шине 3» поступает на вход блока БОУ (7), который демодулирует сигнал АРЗ, выделяя из него координатно-телеметрическую информацию, и осуществляет дальнейшую обработку данных, отображение и сохранение результатов радиозондирования атмосферы в блоке БПИ (9). Блок БОУ (7) базовой станции (10) вычисляет координаты АРЗ по углу места ε и азимута β, вырабатывает сигналы управления, поступающие с «выхода 1» и «выхода 2» на управление приводом (8) антенны A3. Привод (8) управляет направлением антенны A3 по углу места ε и азимуту β и обеспечивает повышенное отношение сигнал/шум. Углы поворота антенны A3 вычисляются из предварительно измеренных координат АРЗ и измеренных координат БС(10).
Осуществление предложений по материалам заявки в настоящее время реализуется на основе применения приемных модулей сигналов СНРС GPS/ГЛОНАСС типа NAVIOR-24 (СН-4701), СН-4706.
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 узкой диаграммой направленности и повышенным коэффициентом усиления повышается помехоустойчивость и дальность действия системы радиозондирования.
Литература
1. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС / Под. ред. В.Н.Харисова, А.И.Петрова, В.А.Болдина. 2-е изд. исправ. М.: ИПРЖР, 1999. - 560 с.
2. Официальный сайт Закрытого акционерного общества «Конструкторское бюро навигационных систем» ЗАО «КБ НАВИС» http://www.navis.ru/index.html