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

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

Известны способы и системы для оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана (авт. свид. СССР №№769455, 1676651, 1721563; патенты РФ №№2030789, 2041476, 2068185, 2093861, 2124744, 2168747, 2201599, 2240576; патенты США №№3943514, 5124651, 5696514; Байдаков С.Н., Мартынов А.И. С орбиты спутника - в глаз тайфуна. М.: Наука, 1986, с.170, 171 и другие).

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является система, реализующая "Способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана" (патент РФ №2.041.476, G 01 W 1/08, 1992), которая и выбрана в качестве базовой.

Система, реализующая известный способ, содержит ИСЗ наблюдения окружающей среды, диагностический модуль, транспортируемый с помощью ракеты-носителя по баллистической или орбитальной траектории в область исследования и включающий комплект спускаемых капсул, снабженных радиозондами, пункты приема и наземные станции.

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 пункты приема.

Поставленная задача решается тем, что в системе для оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, содержащей ИСЗ наблюдения окружающей среды, диагностический модуль, транспортируемый с помощью ракеты-носителя на баллистической или орбитальной траектории в область исследования и включающий комплект спускаемых капсул, снабженных радиозондами, пункты приема и наземные станции, каждый радиозонд представляет собой передатчик, содержащий датчики измеряемых параметров, подключенные через преобразователи аналог-код к формирователю цифрового сообщения, к выходу которого последовательно подключены фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилитель мощности и передающая антенна, каждый пункт приема снабжен приемником, выполненным в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, частотного детектора, триггера и блока регистрации и анализа.

Геометрическая схема системы для оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана представлена на фиг.1. Схема ракеты-носителя "Рокот-2" и установленного на ней диагностического модуля 3 с комплектом спускаемых капсул, снабженных радиозондами, изображена на фиг.2. Структурная схема каждого радиозонда представлена на фиг.3. Структурная схема приемника, устанавливаемого на пункте приема, представлена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие работу системы, показаны на фиг.5.

Система содержит ИСЗ 1 наблюдения окружающей среды, ракету-носитель (РН) 2, диагностический модуль (ДМ) 3, комплект 4 спускаемых капсул (СК), спускаемые капсулы 5, пункты приема 6, наземные станции 7, специализированные спускаемые капсулы 8.

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.

Предлагаемая система работает 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 транспортируется 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. Требуемое количество СК в комплекте должно удовлетворять условию заполнения всей исследуемой области и определяется при подготовке полетного задания для ракеты-носителя. Использование ракетодинамического маневра при выведении диагностического модуля 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 отделяется комплект 4 спускаемых капсул 5 и после истечения заданного временного интервала, требуемого в ряде случаев для успокоения и дополнительной ориентации в пространстве СК, осуществляется их разведение, обеспечением заданного распределения их в пространстве, например с наибольшей плотностью в центре, и доставки 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 формируется полетное задание, содержащее при использовании ракетодинамического разведения СК время включения, длительность работы и угол пространственной ориентации двигательной установки (ДУ) каждой СК, после чего осуществляется отделение комплекта СК от ДМ и отработки 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 отделяется ДУ или метательное устройство. Во время спуска СК в атмосфере их тормозят с помощью парашютной системы. На высоте Н=25-50 км отстреливаются крышки люка парашютной системы и отделяются радиозонды от СК. Вводится в действие многоступенчатая парашютная система или система 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 генерируется высокочастотное колебание на частоте ω_i с помощью задающего генератора 12.i (фиг.5, б):

U_i(t)=V_i·cos(ω_it+ϕ_i), 0≤t≤T_i,

где V_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)=ν_i·cos[ω_it+ϕ(t)+ϕ_i], 0≤t≤T_i,

где ϕ_k(t)={0π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с цифровым сообщением M(t) (фиг.5, а), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (к=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)=V_Гcos(ω_Гt+ϕ_Г).

На выходе смесителя 20 образуются напряжение комбинационных частот. Усилителем 21 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.5, г):

u_пр(t)=V_пр·cos[ω_прt+ϕ_k(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 у 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 информация от их датчиков передается в дискретный (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 передавать ее на пункты сбора и обработки информации.

Данная система, обеспечивающая заатмосферное разведение радиозондов на необходимые дистанции с помощью малогабаритных СК, снабженных ДУ или метательными устройствами, позволяет обеспечить разведение крайних 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.

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

Для реализации указанной системы может быть использован космический комплекс (КК) на базе РН "Рокот". На фиг.2 представлена схема РН "Рокот-2"и установленного на нем ДМ 3 с комплектом СК, содержащими радиозонды. Разгонный блок "Бриз" 8 служит для довыведения на орбиту и схода с нее ДМ.

Основные характеристики КК следующие:

- место старта - космодром Байконур;

- параметры орбит: высота Н=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", DMSP или ИСЗ "Метеор", "Электро". В штатном варианте комплекс может функционировать с существующими и разрабатываемыми космическими системами мониторинга Земли, метеорологическими и связными космическими, воздушными и наземными комплексами.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовой 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.

К числу других проблем, от решения которых в значительной мере 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, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения сложные 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 ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированный 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 области метеорологии и мониторингу окружающей среды и может быть использовано для исследования и контроля параметров атмосферы, земной поверхности и океана. Сущность: система содержит ИСЗ наблюдения окружающей среды, диагностический модуль, транспортируемый с помощью ракеты-носителя по баллистической или орбитальной траектории в область исследования, пункты приема и наземные станции. Диагностический модуль включает комплект спускаемых капсул, снабженных радиозондами. Каждый радиозонд представляет собой передатчик, содержащий датчики измеряемых параметров, подключенные через преобразователь аналог-код к формирователю цифрового сообщения. В выходу формирователя цифрового сообщения последовательно подключены фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилитель мощности и передающая антенна. Каждый пункт приема снабжен приемником, выполненным в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, частотного детектора, триггера и блока регистрации и анализа. Технический результат: повышение достоверности исследований. 5 ил.

Система для оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, содержащая ИСЗ наблюдения окружающей среды, диагностический модуль, транспортируемый с помощью ракеты-носителя по баллистической или орбитальной траектории в область исследования и включающий комплект спускаемых капсул, снабженных радиозондами, пункты приема и наземные станции, отличающаяся тем, что каждый радиозонд представляет собой передатчик, содержащий датчики измеряемых параметров, подключенные через преобразователи аналог-код к формирователю цифрового сообщения, к выходу которого последовательно подключены фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилитель мощности и передающая антенна, каждый пункт приема снабжен приемником, выполненным в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, усилителя промежуточной частоты, частотного детектора, триггера и блока регистрации и анализа.