СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОКЕАНА Российский патент 2007 года по МПК G01W1/08 

Предлагаемый способ относится к метеорологии и мониторингу окружающей среды и может быть использован для исследования и контроля параметров атмосферы, земной поверхности и океана в любой точке земного шара.

Известны способы оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана (авт. свид. СССР №№769.455, 1.676.651, 1.721.563; патенты РФ №№2.030.789, 2.041.476, 2.068.185, 2.093.861, 2.124.744, 2.168.747, 2.201.599, 2.240.576; патенты США №№3.943.514, 5.124.651, 5.696.514; Байдаков С.Н., Мартынов А.И. С орбиты спутника - в глаз тайфуна. М.: Наука, 1986, с.170, 171 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана» (патент РФ №2.041.476, G 01 W 1/08, 1992), который и выбран в качестве прототипа.

Данный способ включает транспортировку к области исследования по баллистической или орбитальной траектории диагностического модуля с комплектом спускаемых капсул, снабженных радиозондами, отделение от диагностического модуля за границами атмосферы комплекта спускаемых капсул, количество капсул в котором удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой области, при этом после истечения заданного временного интервала осуществляют разведение спускаемых капсул, обеспечивая заданное распределение их в пространстве и доставку их к верхней границе исследуемой области, а параметры атмосферы, земной поверхности и океана измеряют с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения информацию передают на пункт приема.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана путем использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи дискретной информации от радиозондов на пункте приема.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, включающему транспортировку к области исследования по баллистической или орбитальной траектории диагностического модуля, последовательное с заданными временными интервалами отделение от него за границами атмосферы несколько комплектов спускаемых капсул, снабженных радиозондами, доставку спускаемых капсул к исследуемой области, измерение с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения параметров атмосферы, земной поверхности и океана, передачу информации от радиозондов на пункты приема, при этом от диагностического модуля отделяют комплект спускаемых капсул, количество капсул в котором удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой области, после истечения заданного временного интервала осуществляют разведение спускаемых капсул, обеспечивая заданное распределение их в пространстве и доставку их к верхней границе исследуемой области, на каждом i-м радиозонде измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее j-й номер радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте ω_i, манипулируют его по фазе цифровым сообщением, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте приема осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом или обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют j-й номер радиозонда и значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана, причем i=1,2,..., n, j=1,2,..., m, где: n - количество радиозондов, используемых для исследования заданной области атмосферы, земной поверхности и океана;

m - количество измеряемых i-м радиозондом параметров атмосферы, земной поверхности и океана.

На фиг.1 представлена схема реализации способа в случае исследования тропического циклона. На фиг.2 представлена схема ракеты-носителя «Рокот-2» и установленного на нем диагностического модуля 3 с комплектом спускаемых капсул, содержащими радиозонды. На фиг. 3 изображена структурная схема передатчика, устанавливаемого на каждом радиозонде. На фиг.4 представлена структурная схема приемника, устанавливаемого на пунктах приема. На фиг.5 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие реализацию предлагаемого способа.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1 - искусственный спутник Земли (ИС3);

2 - ракета-носитель (РН);

3 - диагностический модуль (ДМ);

4 - комплект спускаемых капсул (СК);

5 - спускаемые капсулы;

6 - пункты приема;

7 - наземные станции;

8 - специализированные спускаемые капсулы.

Передатчик, устанавливаемый на каждом i-м радиозонде, содержит датчики 9.j измеряемых параметров (j=1,2,..., m), которые через преобразователи 10.j аналог-код подключены к формирователю 11.i (i=1,2,..., n) цифрового сообщения, к выходу которого последовательно подключены фазовый манипулятор 13.i, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 12.i, усилитель 14.i мощности и передающая антенна 15.i.

Каждый пункт приема содержит последовательно включенные приемную антенну 16, усилитель 17 высокой частоты, смеситель 20, второй вход которого через гетеродин 19 соединен с выходом блока 18 поиска, усилитель 21 промежуточной частоты, частотный детектор 22, триггер 23 и блок 24 регистрации и анализа.

Предлагаемый способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана реализуется следующим образом.

После обнаружения возникновения, например, тропического циклона с помощью ИСЗ 1 наблюдения окружающей среды и принятия решения о его исследовании к области тропического циклона транспортируют с помощью ракеты-носителя 2 по баллистической или орбитальной траектории диагностический модуль 3, представляющий собой космический аппарат с одним или несколькими комплектами СК, содержащими радиозонды. Потребное количество СК в комплекте должно удовлетворять условию заполнения всей исследуемой области и определяется при подготовке полетного задания для ракеты-носителя. Использование ракето-динамического маневра при выведении диагностического модуля (ДМ) на орбиту, выбор типа соответствующей орбиты (наклонение, высота) и количество необходимых витков обеспечивают транспортировку комплектов СК практически в любой район Земли.

В расчетный момент времени от ДМ отделяют комплект 4 спускаемых капсул 5 и после истечения заданного временного интервала, потребного в ряде случаев для успокоения и дополнительной ориентации в пространстве СК, осуществляют их разведение, обеспечивая заданное распределение их в пространстве, например, с наибольшей плотностью в центре, и доставку СК к верхней границе исследуемой области. Наибольшая плотность измерения в центре исследуемой области необходима в тех случаях, когда исследуемое явление имеет зону с резким градиентом изменения значений параметров (например, глаз тропического циклона или очаг экологического бедствия).

Для выполнения этих операций формируют полетное задание, содержащее при использовании ракетодинамического разведения СК время включения, длительность работы и угол пространственной ориентации двигательной установки (ДУ) каждой СК, после чего осуществляют отделение комплекта СК от ДМ и отработку ДУ каждой СК корректирующего импульса под углом пространственной ориентации в соответствии с полетным заданием. При использовании управляемых СК полетное задание содержит информацию, обеспечивающую их приведение в соответствующие точки прицеливания.

На высоте Н>120 км от СК отделяют ДУ или метательные устройства. Во время спуска СК в атмосфере их тормозят с помощью парашютной системы. На высоте Н=25-50 км отстреливают крышки люка парашютной системы и отделяют радиозонды от СК. Вводят в действие многоступенчатую парашютную систему или систему надувных баллонов, гася скорость радиозонда до 5-15 м/с, при которой оказывается возможным проводить измерение профилей параметров атмосферы.

При спуске i-го радиозонда и при работе на плаву или погружении в воду информация от датчиков 9.j измеряемых параметров [j=1,2,..., m) поступает на входы преобразователей 10.j аналог-код, которые преобразуют эту информацию в цифровые коды. Последние поступают на входы формирователя 11.i (i=1,2,..., n) цифрового сообщения, на выходе которого образуется цифровое сообщение (модулирующий код M(t) (фиг.5,а), содержащее номер i-го радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана в цифровой форме.

Одновременно генерируют высокочастотное колебание на частоте ω_i с помощью заданного генератора 12.i (фиг.5,б):

u_i(t)=U_i·cos(ω_it+ϕ_i), 0≤t≤T_i,

где: U_i, ω_i, ϕ_i, T_i - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания i-го радиозонда;

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 13.i, на второй вход фазового манипулятора 13.i подается цифровое сообщение M(t) (фиг.5.а) с выхода формирователя 11.i (i=1,2,..., n). На выходе фазового манипулятора 13.i образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.5,в):

u_c(t)=U_i·cos[ω_it+ϕ_к(t)+ϕ_i], 0≤t≤T_i,

где: ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с цифровым сообщением M(t) (фиг.5,а), причем ϕ_к(t)=const при κτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=κτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (κ=1, 2,..., n);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_i (T_i=τ_э·N),

который после усиления по мощности в усилителе 14.i мощности излучается передающей антенной 15.i в эфир, улавливается приемной антенной 16 пункта приема и поступает через усилитель 17 высокой частоты на первый вход смесителя 20, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 19 u_Г(t)=U_Г·cos[ω_Гt+ϕ_Г]. На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 21 промежуточной частоты выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.5,г):

u_пр(t)=U_пр·cos[ω_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_i,

где:

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр=ω_i-ω_Г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_i-ϕ_Г,

которое поступает на вход частотного детектора 22, на выходе которого образуются короткие разнополярные импульсы (фиг.5,д), соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы принимаемого ФМн-сигнала (фиг.5,г). Указанные импульсы поступают на счетный вход триггера 23. Каждый поступивший короткий импульс перебрасывает триггер 23 в противоположное состояние, в результате чего на его выходе образуется напряжение в прямом (фиг.5,е) или обратном (фиг.5,ж) коде в зависимости от начального (исходного) состояния триггера 23. Сформированное напряжение пропорционально цифровому сообщению M(t) (фиг.5,а) и регистрируется блоком 24 регистрации и анализа. В результате анализа зафиксированного напряжения определяется i-й номер радиозонда, измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана.

Следует отметить, что поиск ФМн-сигналов, излучаемых различными радиозондами на разных частотах, осуществляется с помощью блока 18 поиска, который периодически с периодом Т_П изменяет частоту гетеродина 19 в заданном диапазоне частот. В качестве блока 18 поиска может использоваться генератор пилообразного напряжения.

При спуске радиозондов и при работе на плаву или погружении в воду информацию от их датчиков передают в дискретной (цифровой) форме с помощью сложных ФМн-сигналов на подвижные пункты 6 приема (ИСЗ, самолеты, корабли) и наземные станции 7 непосредственно или через ретрансляторы, которые могут располагаться в специализируемых спускаемых капсулах 8, на ИСЗ и др. Использование ретрансляторов позволяет записать дискретную информацию в запоминающем устройстве, а в дальнейшем передать ее на пункты сбора и обработки информации.

Данный способ, включающий заатмосферное разведение радиозондов на необходимые дистанции с помощью малогабаритных СК, снабженных ДУ или метательными устройствами, позволит обеспечить разведение кратких радиозондов в залпе путем использования соответствующих траекторий движения на дистанции до 500 км (заполнение всего объема тайфуна). Как правило, тропический циклон имеет высоту не менее 25 км и диаметр не менее 500 км.

Предлагаемый способ обеспечивает одновременное измерение параметров атмосферы и океана в большом объеме воздуха и воды и параметров земной поверхности на большой площади, позволяющее получать мгновенные временные срезы характеристик происходящих атмосферных явлений, стихийных и экологических бедствий по всему объему исследуемой области.

Для реализации указанного способа может быть использован космический комплекс (КК) на базе РН «Рокот». На фиг.2 представлена схема РН «Рокот»-2» и установленного на нем ДМЗ с комплектом СК, содержащим радиозонды. Разгонный блок «Бриз» 8 служит для довыведения на орбиту и схода с нее ДМ.

Основные характеристики КК следующие:

- место старта - космодром Байканур;

- параметры орбит: высота H=200-300 км, наклонение i=47-97°;

- масса диагностического модуля - 1,3-1,8 т;

- спускаемые капсулы (СК) баллистического типа;

- количество СК в комплекте - до 100 шт.;

- масса СК с радиозондом - 10-15 кг;

- размер района разведения СК - 500×500 км.

Для оперативного обнаружения тропических циклонов, наблюдения за их развитием и выдачи предварительной информации для планирования применения рассматриваемого комплекса могут использоваться метеорологические спутники системы «Метеосат», ДМSP или ИСЗ «Метеор», «Электро». В штатном варианте комплекс может функционировать совместно с существующими и разрабатываемыми космическими системами мониторинга Земли, метеорологическими и связными космическими, воздушными и наземными комплексами.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обеспечивает повышение достоверности оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи дискретной информации от радиозондов на пункты приема.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи дискретных сообщений от радиозондов на пункты приема. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять ФМн-сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот исследуемого диапазона между работающими радиозондами и селекцией их на пункте приема с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого радиозонда во всем диапазоне частот сложными ФМн-сигналами с выделением радиоприемным устройством сигнала необходимого радиозонда посредством его структурной селекции.

К числу других проблем, от решения которых зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи, следует отнести проблему установления надежной связи между радиозондами и пунктами приема при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого характера распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых сигналов, что затрудняет прием и снижает достоверность передачи дискретной информации от радиозондов на пункте приема.

Попытки преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложный ФМн-сигнал благодаря своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность свернутого импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, и, суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения сложных ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Изобретение относится к метеорологии и мониторингу окружающей среды и может найти применение при исследовании и контроле параметров атмосферы, земной поверхности и океана в любой точке земного шара. Сущность: транспортируют к области исследования диагностический модуль. Отделяют от него несколько комплектов спускаемых капсул, снабженных радиозондами. Капсулы доставляют к исследуемой области. С помощью радиозондов измеряют параметры атмосферы, земной поверхности и океана. Полученную информацию обрабатывают и передают на пункты приема. Технический результат: повышение достоверности исследования. 5 ил.

Способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, включающий транспортировку к области исследования по баллистической или орбитальной траектории диагностического модуля, последовательное с заданными временными интервалами отделение от него за границами атмосферы нескольких комплектов спускаемых капсул, снабженных радиозондами, доставку спускаемых капсул к исследуемой области, измерение с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения параметров атмосферы земной поверхности и океана, передачу информации от радиозондов на пункты приема, при этом от диагностического модуля отделяют комплект спускаемых капсул, количество капсул в котором удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой области, после истечения заданного временного интервала осуществляют разведение спускаемых капсул, обеспечивая заданное распределение их в пространстве и доставку их к верхней границе исследуемой области, отличающийся тем, что на каждом i-м радиозонде измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее i-й номер радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте ω_i, манипулируют его по фазе цифровым сообщением, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте приема осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом или обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют i-й номер радиозонда и значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана, причем

i=1,2,...,n; j=1,2,...,m,

где n - количество радиозондов, используемых для исследования заданной области атмосферы, земной поверхности и океана;

m - количество измеряемых i-м радиозондом параметров атмосферы, земной поверхности и океана.