НАВИГАЦИОННО-РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01W1/08 G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике, точнее к радиолокации, и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (CP), построенных на основе применения радиолокационного метода и использования сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS для определения пространственных координат аэрологических радиозондов (АРЗ), передачи координатной и телеметрической информации на наземную базовую станцию (БС).

Общей проблемой производства и эксплуатации CP атмосферы является создание высокоточных систем определения координат АРЗ, запускаемых в свободную атмосферу с помощью наполненных легким газом шаров-пилотов, и надежная передача телеметрической информации на наземную станцию в оперативном радиусе действия СР.

Известна система GPS-слежения (патент США №5379224). 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 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 точность определения координат.

Недостатки известного решения: большая загруженность радиоканала телеметрии, поэтому более широкий спектр передаваемого сигнала (потери в дальности или увеличение мощности передатчика); прерывистость обработки сигналов GPS, что усложняет функционирование следящих контуров и фильтров.

Известен GPS-зонд, не обрабатывающий кодовый сигнал, а ретранслирующий его на наземный приемник (патент США №4754283).

Это прибор для измерения скорости ветра, приемник которого обрабатывает сигналы спутниковой навигационной системы GPS без использования широкополосных кодов. Этот прибор интегрирует 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 кодовой 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 пространственного вектора. Этот вектор может быть интегрирован, для получения координат X, У и высоты ZoT точки запуска зонда.

Недостатки известного решения: сложный и менее точный способ вычисления координат радиозонда, а также отсутствие приема и обработки метеорологических величин.

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 неизвестна. Метод и система включают в себя схему приемника на движущемся объекте, которая сжимает широкополосные сигналы в узкополосный сигнал, удаляет все частотные сдвиги с помощью эталонного 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 №S420592).

Пример осуществления данного изобретения - CP, включающая в себя цифровой буфер снимка сигналов GPS и последовательный коммуникационный контроллер для передачи кадров сообщения, формируемых метеорологических данных, полученных устройством измерения влажности, температуры и давления. Кадры сообщения передаются со сравнительно низкой скоростью по метеорологическому радиоканалу на наземную станцию. Вся традиционная цифровая обработка GPS-сигналов главным образом выполняется на наземной станции, включая восстановление несущей частоты, захват псевдослучайного шумового кода, выделение псевдодальностей, выделение эфемеридной информации, сбор альманаха, выбор спутников, вычисление навигационного решения и дифференциальных поправок. Кроме того, наземная обработка включает в себя фильтрацию Калмана вычисления скорости ветра. Недостатки известного решения:

- большая загруженность радиоканала телеметрии, поэтому более широкий спектр передаваемого сигнала приводит к уменьшению дальности действия CP или увеличению мощности передатчика радиозонда;

- прерывистость обработки сигналов GPS, что усложняет функционирование следящих контуров и фильтров.

Известен цифровой радиозонд с использованием сигналов GPS/ГОНАСС, см. патент на ПМ РФ №125727, который содержит три канала измерения метеорологических величин: температуры, влажности и давления, выходы которых соединены с микроконтроллером, который преобразует их в цифровую форму и с помощью СВЧ-передатчика передает эти данные телеметрии на приемник базовой наземной станции, который принимает телеинформацию с АРЗ.

При всех своих достоинствах этот радиозонд (метод измерения его параметров) обладает следующими недостатками: это довольно сложная система с большими габаритно-массовыми характеристиками (ГМХ), также он не позволяет измерять турбулентность атмосферы.

Известен многорежимный аэрологический комплекс, патент РФ №2710965 от 15.04.2019 г. Комплекс может работать в стандартном радиолокационном режиме измерения координат АРЗ, снабженным сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП) в диапазоне 1680±10 МГц, в радиопеленгационном режиме измерения координат АРЗ, снабженным датчиком давления и в радионавигационном режиме измерения координат радиозондом АРЗ, снабженным приемником сигналов ГЛОНАСС/GPS и передатчиком, работающим в диапазонах 401-406 МГц или 1680±10 МГц. В канале связи CP для передачи телеметрической информации используется частотная модуляция поднесущей или несущей частоты передатчика АРЗ. Эта CP выбрана в качестве ПРОТОТИПА.

Недостатком этого решения следует считать необходимость применять для работы в радионавигационном режиме на частоте 1680±10 МГц в составе АРЗ специализированный высокостабильный СВЧ-передатчик с частотной или фазовой модуляцией несущей частоты.

Недостатком известных CP и ПРОТОТИПА является возможный срыв получения координатно-телеметрической информации от радиозондов в процессе полета при нарушении работы навигационного АРЗ из-за активных помех сигналам ГНСС, а также помех сверхрегенеративному приемопередатчику (СПП) радиолокационного АРЗ.

Технической задачей изобретения является повышение точности, помехоустойчивости и надежности получения координатно-телеметрической информации от АРЗ, расширение функциональных возможностей и снижение эксплуатационных затрат СР.

Технический результат достигается путем развития структуры построения CP, а именно применения универсальной базовой РЛС, за счет введения, при необходимости, дополнительного блока приема навигационных сигналов - БПНС в функциональную схему серийного АРЗ, снабженного СПП, соответствующего введения в структуру РЛС блока обработки навигационной координатно-телеметрической информации для обеспечения работы CP в радиолокационном, радиопеленгационном и радионавигационном режимах в диапазоне несущих частот 1680±10 МГц.

Для решения технической задачи предложена навигационно-радиолокационная система радиозондирования атмосферы, состоящая из двух основных частей: пространственной - А и наземной - Б, причем пространственная часть содержит сигналы созвездий ГНСС ГЛОНАСС и ГНСС GPS, метеорологические параметры атмосферы - МПА, навигационно-радиолокационный радиозонд - HP АРЗ, а наземная часть состоит из двухрежимной РЛС, в следующем составе: фазированная антенная решетка - ФАР с электромеханическим приводом - ЭМП, когерентный передатчик РЛС, СВЧ-циркулятор, блок управления приводом - БУП, СВЧ-приемник-преобразователь на промежуточную частоту - ПЧ, блок обработки угловой информации - БОУИ, блок цифровой обработки сигналов - БЦОС, блок обработки ответного сигнала дальности - БООСД, блок обработки координатно-телеметрической информации - БОКТИ, блок цифрового управления - БЦУ РЛС, блок контроля функционирования - БКФ РЛС, автоматизированное рабочее место - АРМ оператора РЛС и блок ввода-вывода информации - БВВИ, причем обе части имеют следующие соединения: сигналы созвездий ГНСС ГЛОНАСС и ГНСС GPS связаны первым R1 и вторым R2 радиоканалами с HP АРЗ, который третьим радиоканалом R3 связан с ФАР, ФАР второй дуплексной шиной данных - ДШД-2 связан с входом/выходом СВЧ-циркулятора, а первой ДШД-1 с ЭМП ФАР; выход когерентного передатчика Р_вых связан с входом СВЧ-циркулятора, выход которого F_прм соединен с входом СВЧ-приемника-преобразователя - ПЧ, который в свою очередь восьмой ДШД-8 соединен непосредственно с блоком цифрового управления БЦУ РЛС, а девятой ДШД-9 через БЦОС ПЧ и десятой ДШД-10 также соединен с этим блоком, также с ним двенадцатой ДШД-12 соединен блок БОКТИ, БОКТИ пятнадцатой ДШД-15 соединен с АРМ, который тринадцатой ДШД-13 соединен с БЦУ РЛС, однонаправленная шина ДШД-3 с его выхода соединена с ФАР, БЦУ РЛС седьмой ДШД - 7 соединен с БОУИ, одиннадцатой ДШД-11 - с блоком БООСД, четырнадцатой ДШД-14 - с БКФ РЛС, шестнадцатой ДШД - 16 с блоком ввода-вывода информации БВВИ, также с которым семнадцатой ДШД-17 соединен с АРМ, ЭМП ФАР четвертой ДШД-4 соединен с блоком управления приводом БУП РЛС, который шестой ДШД-6 соединен с блоком обработки угловой информации БОУИ, блок ввода-вывода информации БВВИ восемнадцатой ДШД-18 связан с потребителем этой информации и является выходом комплекса.

Навигационно-радионавигационный АРЗ содержит следующие узлы и блоки: датчики метеорологических параметров атмосферы - МПА, блок приема навигационных сигналов - БПНС, генератор опорной частоты, микропроцессор - МП, частотный модулятор суперирующей частоты СПП, блок ввода полетного задания, сверхрегенеративный приемо-передатчик АРЗ, полосовой СВЧ-фильтр несущей частоты, передающую антенну АРЗ, со следующими соединениями: сигналы созвездия ГНСС ГЛОНАСС радиоканалом РК1 и созвездия ГНСС GPS радиоканалом РК2 через антенну приема сигналов ГНСС, затем через приемник сигналов ГНСС соединены с первым информационным входом-выходом МП, с первым информационным входом которого соединены выходы датчиков метеорологических параметров МПА, а со вторым информационным входом соединен блок ввода полетного задания, выход генератора опорной частоты соединен с тактовым входом МП, также первый управляющий выход МП соединен с частотным модулятором суперирующей частоты СПП, выход которого соединен с управляющим входом СПП, который двунаправленной шиной соединен со вторым входом-выходом МП, а однонаправленной шиной через полосовой фильтр соединен с передающей антенной АРЗ; конструктив блока приема навигационных сигналов - БПНС представляет собой отдельный микроминиатюрный узел, выполненный на печатной плате со встроенной печатной антенной приема сигналов ГНСС и микросхемой приемника сигналов ГНСС.

На фиг. 1 показана структурная схема НРСР атмосферы, на которой изображено: А - пространственная часть системы, Б1 - наземная часть системы, 1 - созвездие глобальных навигационных спутниковых систем - ГНСС ГЛОНАСС, 2 - созвездие ГНСС GPS, 3 - метеорологические параметры атмосферы - МПА, 4 - навигационно-радиолокационный АРЗ, 5 - фазированная антенная решетка - ФАР РЛС, 6 - электромеханический привод - ЭМП ФАР, 7 - когерентный передатчик РЛС, 8 -– СВЧ-циркулятор, 9 - блок управления приводом антенны - БУП РЛС, 10 -– СВЧ-приемник-преобразователь ПЧ, 11 - блок обработки угловой информации - БОУИ, 12 - блок цифровой обработки сигнала промежуточной частоты - БЦОС ПЧ, 13 - блок обработки ответного сигнала дальности - БООСД, 14 - блок цифрового управления - БЦУ РЛС, 15 - блок контроля функционирования - БКФ РЛС, 16 - блок обработки координатно-телеметрической информации - БОКТИ АРЗ, 17 - автоматизированное рабочее место оператора - АРМ РЛС, 18 - блок ввода-вывода информации - БВВИ, РК 1 - первый радиоканал (рабочий диапазон частот 1601-1606 МГц), РК 2 - (рабочий диапазон частот 1575-1595 МГц). РК 3 - третий радиоканал (рабочий диапазон частот 1680±10 МГц).

ДШД-1-ДШД-18 - дуплексные двунаправленные шины данных.

Схема на фиг. 1 имеет следующие соединения: созвездия ГНСС ГЛОНАСС 1 первым радиоканалом РК 1, созвездия ГНСС GPS 2 вторым радиоканалом РК 2 связаны с навигационно-радиолокационным АРЗ 4, который третьим радиоканалом РК 3 связан с ФАР 5, метеорологические параметры атмосферы - МПА 3 через навигационно-радиолокационный АРЗ 4 также связаны с ФАР 5, которая второй ДШД-2 связана с входом/выходом СВЧ-циркулятора 8, а первым ДШД-1 - с ЭМП ФАР 6; выход Р_зонд когерентного передатчика РЛС 7 связан с входом СВЧ-циркулятора 8, выход которого F_прм соединен с входом СВЧ-приемника-преобразователя ПЧ 10, который в свою очередь восьмой ДШД-8 соединен непосредственно с блоком цифрового управления БЦУ РЛС 14, а девятой ДШД-9 через блок цифровой обработки сигналов ПЧ БЦОС 12 и десятой ДШД-10 также соединен с этим блоком, также с ним двенадцатой ДШД-12 и тринадцатой ДШД-13 соединены блок обработки координатно-телеметрической информации - БОКТИ 16 и АРМ 17, который пятнадцатой ДШД-15 соединен с БОКТИ 16; БЦУ РЛС 15 однонаправленной шиной ДШД-3 соединен с ФАР 5, седьмой ДШД-7 соединен с блоком обработки угловой информации - БОУИ 11, одиннадцатой ДШД-11 с БООСД 13, четырнадцатой ДШД-14 с БКФ 15, шестнадцатой ДШД-16 с блоком ввода-вывода информации - БВВИ 18, также с которым семнадцатой ДШД-17 соединено АРМ 17; ЭМП ФАР 6 четвертой ДШД-4 соединен с блоком управления приводом - БУП 9, который шестой ДШД-6 соединен с блоком обработки угловой информации - БОУИ 11; блок ввода-вывода информации - БВВИ 18 восемнадцатой ДШД-18 связан с потребителем этой информации и является выходом системы.

Структура и принцип работы радиолокационной CP, использующей АРЗ со сверхрегенеративным приемопередатчиком-СПП в материалах данной заявки не рассматривается, т.к. в патенте РФ №2626410 дано их подробное описание. На Фиг. 2 для пояснения принципа измерения дальности до АРЗ приведены осциллограммы ответного сигнала СПП АРЗ в канале дальности на выходе амплитудного и фазового детекторов приемного устройства на запросные радиоимпульсы РЛС в различных режимах работы.

На Фиг. 2 приведены обозначения и названия следующих сигналов:

- (а) - огибающая запросных радиоимпульсов РЛС, U_зc;

- (б) - импульсный ответный сигнал СПП на выходе амплитудного детектора РЛС в режиме «ответной паузы», U_{вых АД};

- (в) - импульсный ответный сигнал СПП на выходе фазового детектора когерентной РЛС, U_ФД;

- (г) - импульсный ответный сигнал СПП на выходе амплитудного детектора в режиме «первичной реакции», U_{вых 2}.

- Е_ср - средняя энергия радиоимпульсов СПП на выходе приемного устройства РЛС;

- ΔE₁ - энергия первичной реакции радиоимпульсов СПП;

- ΔЕ₂ - энергия вторичной реакции радиоимпульсов СП;

- ΔЕ₃ - энергия третичной реакции радиоимпульсов СПП;

- ΔЕ_ос - энергия ответного сигнала СПП;

- U_max - максимальная амплитуда сигнала на выходе ФД;

- U_фi - амплитуда шумов ФД в течение ответного сигнала;

- U_oc - мгновенное значение доплеровского сигнала на выходе ФД;

- τ_зс - длительность радиоимпульса запросного сигнала РЛС;

- τ_зр - длительность задержки ответных радиоимпульсов СПП относительно запросных радиоимпульсов РЛС;

- τ_пр - длительность приемного интервала СПП;

- τ_оп - длительность ответного сигнала в виде «паузы».

Для описания работы НРСР приводятся основные технические характеристики когерентной аэрологической РЛС:

- диапазон рабочих частот, МГц 1680±10; - импульсная мощность передатчика, Вт, не более 1000; - чувствительность приемника, минус дБ/Вт, не хуже 130; - полоса пропускания усилителя промежуточной частоты (ПЧ) СВЧ-приемника, МГц 400±10; - полоса пропускания блока цифровой обработки сигнала ПЧ, МГц 0,02-4,00; - длительность зондирующих радиоимпульсов передатчика РЛС, мкс 0,6-1,2; - ширина диаграммы направленности (ДН) основной ФАР, град. 6,0; - ширина диаграммы направленности (ДН) дополнительной ФАР, град. 30,0; - диапазон изменения углового положения ДН по углу места (ε), град. 0-180; - диапазон изменения углового положения ДН по азимуту (β), град. 0±360.

На Фиг. 3 приведена структурная схема навигационно-радиолокационного АРЗ на которой изображено: 19 - метеорологические параметры атмосферы МПА, 20 - ГНСС ГЛОНАСС/GPS, 21 - датчики метеорологических параметров атмосферы, 22 - антенна приема сигналов ГНСС, 23 - приемник сигналов ГНСС, 24 - генератор опорной частоты, 25 -микропроцессор - МП АРЗ, 26 - частотный модулятор суперирующей частоты СПП, 27 - блок ввода полетного задания, 28 - сверхрегенеративный приемопередатчик АРЗ, 29 - полосовой СВЧ-фильтр несущей частоты, 30 - передающая антенна АРЗ, Р1 и Р2 - соединительные разъемы.

Схема на Фиг. 3 имеет следующие соединения: МПА 19 связаны датчиками метеорологических параметров атмосферы 21, сигналы ГНСС 20 радиоканалами РК 1 и РК 2 через приемную антенну АРЗ 22, затем через приемник сигналов ГНСС 23 двунаправленной шиной соединены с первым информационным входом/выходом МП 25, с первым информационным входом МП 25 которого соединены выходы датчиков метеорологических параметров 21, а со вторым информационным входом МП 25 соединен выход блока ввода полетного задания 27, выход генератора опорной частоты 24 соединен с тактовым входом МП 25, также первый управляющий выход МП 25 соединен с входом частотного модулятора суперирующей частоты СПП 26, который соединен с первым управляющим входом СПП АРЗ 28, а СПП 28 двунаправленной шиной соединен со вторым информационным входом-выходом МП 25, который однонаправленной шиной через полосовой фильтр 29 соединен с передающей антенной АРЗ 30.

НРСР может работать в следующих режимах. В первом и втором режимах блок приема навигационных сигналов от ГНСС (БПНС) в АРЗ не устанавливается.

В первом режиме работы РЛС осуществляет зондирование атмосферы при работе с штатными радиолокационными радиозондами АРЗ типа МРЗ-3, МРЗ-3МК, снабженными сверхрегенеративными приемопередатчиками-ответчиками - СПП, работающими в диапазоне частот 1670-1690 МГц. Координаты АРЗ определяются путем измерения его угловых координат методом равносигнальной зоны и определения наклонной дальности путем излучения когерентным передатчиком РЛС 7 запросного сигнала U_зс (см. фиг. 2, а). СПП АРЗ 4 формирует ответный сигнал по дальности в виде «первичной реакции» (см. фиг. 2, б) или «ответной паузы» (см. фиг. 2, г).

В когерентном режиме работы РЛС ответный сигнал СПП на выходе ФД позволяет дополнительно определить мгновенную скорость движения АРЗ за счет эффекта Доплера (см. фиг. 2, г). Автосопровождение ответного сигнала по дальности и измерение угловых координат АРЗ обеспечивает непрерывное определение его пространственных координат. СПП АРЗ передает пакетную телеметрическую информацию по радиоканалу РКЗ 1680±10 МГц, которая через блоки 5, 8, 10, 12 и 14 поступает в блоки 11, 13, 16, в которых происходит обработка координатно-телеметрической информации, осуществляется расшифровка принятых информационных пакетов АРЗ 4. Это обеспечивает непрерывное автосопровождение АРЗ по пространственным координатам, построение профиля метеорологических параметров и ее вывод потребителю [1-3].

Во втором, радиопеленгационном, режиме передатчик РЛС не используется. РЛС осуществляет зондирование атмосферы при работе со штатными радиозондами АРЗ типа МРЗ-3, снабженными дополнительно датчиками давления для измерения высоты подъема радиозонда по барометрической формуле. СПП АРЗ передает пакетную телеметрическую информацию по радиоканалу РКЗ 1680±10 МГц, которая через блоки 5, 8, 10, 12 и 14 поступает в блоки 11, 13, 16, в которых происходит обработка координатно-телеметрической информации, осуществляется расшифровка принятых информационных пакетов АРЗ. Блок цифрового управления 14 взаимодействует с блоками 11, 13, 16, осуществляет расшифровку принятых информационных пакетов АРЗ4, обеспечивает непрерывное автосопровождение АРЗ по пространственным координатам, построение профиля метеорологических параметров и ее вывод потребителю [1-3].

Третий режим CP предусматривает работу РЛС с АРЗ 4, в который устанавливается блок приема навигационных сигналов - БПНС. В этом режиме в работе РЛС участвуют радиоэлектронные блоки 5, 8, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18. АРЗ 4 принимает с помощью БПНС сигналы ГНСС, осуществляет измерение МПА и передает координатно-телеметрическую информацию через СПП на наземную РЛС сопровождения АРЗ. РЛС работает во взаимодействии с радиозондами АРЗ 4, снабженными блоком приема навигационных сигналов БПНС ГНСС ГЛОНАСС/GPS 20, поступающих по радиоканалу РК 1 1601-1606 МГц и РК 2 1575-1595 МГц в антенну 22 и приемник сигналов ГНСС 23. АРЗ 4 снабжен СПП, работающим на частоте радиоканала РКЗ 1680±10 МГц, который передает в виде цифрового пакета на РЛС измеренные координаты положения в пространстве и метеорологические параметры атмосферы. Блок цифрового управления 14 РЛС взаимодействует с блоками 9, 11, 13, 16, осуществляет расшифровку принятых информационных пакетов АРЗ 3, вычисляет координаты АРЗ 4, наводит антенну ФАР 5 на АРЗ 4, чем обеспечивает непрерывное автосопровождение АРЗ 4 по пространственным координатам, осуществляет построение профиля метеорологических параметров по данным блока 16 и ее вывод потребителю [1-4].

Следует подчеркнуть, что с установленным блоком БПНС АРЗ 4 обеспечивает существенное повышение точности определения пространственных координат АРЗ, поскольку из-за погрешности определения углов в радиолокационном режиме ошибки оценки координат нарастают пропорционально увеличению дальности. CP при использовании АРЗ 4 может работать одновременно в радиолокационном и радионавигационном режимах или по выбору в одном из указанных режимов работы СР. Возможность оперативного выбора оптимального режима работы CP в течение полета АРЗ 4 существенно повышает надежность получения метеорологической информации в условиях сложной помеховой обстановки.

Назначения блоков и узлов РЛС:

- ФАР 5 обеспечивает излучение запросных радиоимпульсов когерентного передатчика 7 для измерения импульсным методом наклонной дальности до АРЗ, снабженных сверхрегенеративным приемопередатчиком, и прием сигналов КТИ АРЗ 4. Автосопровождение АРЗ по углам осуществляется методом «равносигнальной зоны» или по сигналам ГНСС;

- Когерентный передатчик 7 обеспечивает излучение запросных радиоимпульсов, совместно с блоками БЦОС 12, БООСД 13 и БЦУ 14 обеспечивает когерентный режим обработки ответных сигналов по дальности;

- ЭМП 6 обеспечивает наведение ФАР в угломестной и азимутальной плоскостях по командам БЦУ 14;

- СВЧ-циркулятор 8 осуществляет распределение мощности радиоимпульсов когерентного передатчика 7 на вход ФАР 5 и принимаемых сигналов ФАР 5 на вход СВЧ-приемника 10;

- СВЧ-приемник 10 осуществляет прием сигналов АРЗ, их усиление, фильтрацию, перенос спектра сигнала на промежуточную частоту в полосе 400±10 МГц;

- БЦОС 12 содержит эталонный высокостабильный задающий генератор, осуществляет преобразование аналогового сигнала АРЗ на промежуточной частоте 400±10 МГц в цифровой код и цифровую фильтрацию принятых координатно-телеметрических сигналов в виде цифрового пакета с тактовой частотой 2,5 кГц. Ширина полосы пропускания цифрового фильтра при приеме радиолокационного АРЗ составляет 2,0-4,0 МГц. Цифровой демодулятор пакетного телеметрического сигнала работает в режиме частотной демодуляции поднесущей (суперирующей) частоты СПП (800±15 кГц) с частотой девиации ΔF_прм = ±15кГц.

В радионавигационном режиме КТИ принимается и обрабатывается так же, как это осуществляется в радиолокационном режиме.

- БЦУ 14 распределяет информацию в цифровом виде по всем функциональным блокам РЛС в соответствии с командами АРМ оператора РЛС 17;

- БОУИ 11 определяет методом «равносигнальной зоны» направление пеленга на АРЗ, обеспечивает автоматическое сопровождение радиолокационного радиозонда по угловым координатам в азимутальной (β) и угломестной (ε) плоскостях. В радионавигационном режиме работы слежение по углам может осуществляться по командам БЦУ после приема и обработки информации пространственного положения АРЗ по сигналам ГНСС;

- БУП 9 вырабатывает цифровой код управления двигателями ЭМП 6;

- БКФ 15 осуществляет контроль функционирования РЛС по командам БЦУ 14 при включении РЛС и по командам оператора АРМ 17;

- БОКТИ 16 производит обработку координатно-телеметрической информации, получаемой от АРЗ 4. Цифровой демодулятор пакетного телеметрического сигнала работает в режиме частотной демодуляции поднесущей частоты СПП (800±15 кГц) с частотой девиации ΔF_прм = +15 кГц;

- АРМ оператора РЛС 17 позволяет управлять РЛС во всех режимах работ;

- БВВИ 18 обеспечивает ввод исходных данных, необходимых для начала зондирования атмосферы, и вывод потребителю полученной метеорологической информации в стандартном виде.

НРСР обеспечивает зондирование атмосферы с помощью навигационно-радионавигационных АРЗ 4, запускаемых в атмосферу на шарах-баллонах. Структура радиолокационного АРЗ со сверхрегенеративным приемопередатчиком-ответчиком и принцип его работы в материалах данной заявки не рассматриваются, т.к. в патенте РФ №2626410 дано его подробное описание.

Необходимо пояснить принцип работы навигационно-радиолокационного АРЗ 4. Его структурная схема приведена на Фиг. 3, на которой изображены: датчики метеорологических параметров атмосферы - МПА 19, антенна приема сигналов ГНСС 22, генератор опорной частоты 24, приемник навигационных сигналов 23, микропроцессор АРЗ 25, частотный модулятор суперирующей частоты 26, блок ввода полетного задания 27, СПП передатчик АРЗ 28, полосовой фильтр несущей частоты 1680 МГц 29, передающая антенна АРЗ 30.

На Фиг. 3 также изображены метеорологические параметры атмосферы МПА 19 и ГНСС 20.

Назначения узлов и блоков навигационного АРЗ:

- датчики МПА 21 обеспечивают преобразование измеряемых параметров атмосферы (температуру, влажность, давление, радиацию и т.п.) в электрический сигнал;

- антенна приема сигналов ГНСС 22 обеспечивает преобразование электромагнитного поля (ЭМП), излучаемого спутниками ГНСС, в электрический СВЧ-сигнал;

- генератор опорной частоты 24 вырабатывает сигнал, стабильный по частоте для работы микропроцессора МП;

- приемник сигналов ГНСС 23 осуществляет обработку сигналов СВЧ в цифровой код, содержащий координатную информацию о пространственном положении АРЗ;

- микропроцессор 25 осуществляет управление работой всех узлов АРЗ, выполняет обработку информации датчиков МПА 21, координатной информации приемника 23, преобразует в единый цифровой пакетный формат;

- частотный модулятор суперирующей частоты 26 обеспечивает модуляцию суперирующей частоты СПП цифровым информационным пакетом;

- блок ввода полетного задания 27 обеспечивает запись в микропроцессор 25 приземных метеорологических параметров и режим работы АРЗ перед запуском в полет;

- СПП 28 обеспечивает передачу телеметрической информации путем модуляции СВЧ-излучения СПП цифровым пакетом на РЛС и формирование ответного сигнала по дальности на запросные импульсы РЛС;

- полосовой фильтр несущей частоты 29 осуществляет фильтрацию внеполосного излучения СПП 28 для исключения влияния на прием сигналов ГНСС;

- передающая антенна 30 обеспечивает излучение СВЧ-сигнала в направлении наземной РЛС.

Предложенная НРСР работает в следующих режимах:

- в штатном радиолокационном режиме с серийными АРЗ, снабженными радиолокационными сверхрегенеративными приемопередатчиками в диапазоне 1680±10 МГц;

- в штатном радиопеленгационном режиме с серийными АРЗ в диапазоне 1680±10 МГц, снабженными датчиками давления;

- в радионавигационном режиме с АРЗ, снабженными блоком приема навигационных сигналов БПНС, и СПП, работающими в диапазоне 1680±10 МГц.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить тактико-технические и эксплуатационные характеристики отечественных CP:

- автосопровождение ответного сигнала радиолокационных АРЗ по дальности обеспечивается в режиме «первичной реакции», «ответной паузы», по доплеровскому сигналу СПП;

- автосопровождение сигнала АРЗ осуществляется в радионавигационном режиме без излучения запросного сигнала РЛС. При этом обеспечивается высокая точность определения текущих координат АРЗ (±15 м), направления и скорости ветра во всем оперативном радиусе действия CP (не менее 250 км);

- упрощается режим запуска АРЗ, поскольку в ближней зоне по дальности используется ФАР с широкой ДН (30 градусов) и исключается срыв автосопровождения по угловым координатам. Прием сигнала АРЗ в ближней зоне (до 1-3 км) обеспечивается также за счет боковых лепестков ДН РЛС, а координатная информация, передаваемая навигационным АРЗ, обеспечивает точное наведение антенны РЛС на АРЗ и автосопровождение по углам в течение всего полета АРЗ;

- важную роль для повышения помехоустойчивости CP играет дополнительная пространственная селекция сигнала АРЗ узконаправленной антенной РЛС.

Литература

1. Толмачева Н.И. Аэрология (методы зондирования атмосферы) / Н.И. Толмачева, Н.А. Калинин; Пермь, 2011. 316 с.

2. Киселев В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). Учебник. СПб, изд. РГГМУ, 2004. - 429 с.

3. Зайцева Н.А. Аэрология . Гидрометеоиздат, 1990. 325 с.

4. Ермаков В.И., Кузенков А.Ф., Юрманов В.А. Системы зондирования атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 304 с.

Изобретение относится к радиотехнике, точнее к радиолокации, и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (CP), построенных на основе применения радиолокационного метода и использования сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS для определения пространственных координат аэрологических радиозондов (АРЗ), передачи координатной и телеметрической информации на наземную базовую станцию (БС). Техническим результатом изобретения является повышение точности, помехоустойчивости и надежности получения координатно-телеметрической информации от АРЗ, расширение функциональных возможностей и снижение эксплуатационных затрат СР. Навигационно-радиолокационная система радиозондирования атмосферы дополнительно содержит в структуре радиолокационной станции блока обработки навигационной координатно-телеметрической информации для обеспечения работы CP в радиолокационном, радиопеленгационном и радионавигационном режимах в диапазоне несущих частот 1680±10 МГц. Навигационно-радиолокационный аэрологический радиозонд дополнительно содержит в функциональной схеме АРЗ, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком, блок приема навигационных сигналов ГНСС. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Навигационно-радиолокационная система радиозондирования атмосферы, состоящая из двух основных частей: пространственной - А и наземной - Б, причем пространственная часть содержит созвездия ГНСС ГЛОНАСС и ГНСС GPS, навигационно-радиолокационный аэрологический радиозонд, а наземная часть состоит из двухрежимной радиолокационной станции (РЛС), состоящей из фазированной антенной решетки (ФАР) с электромеханическим приводом, когерентного передатчика РЛС, СВЧ-циркулятора, блока управления приводом, СВЧ-приемника-преобразователя на промежуточную частоту (ПЧ), блока обработки угловой информации, блока цифровой обработки сигналов, блока обработки ответного сигнала дальности, блока обработки координатно-телеметрической информации, блока цифрового управления РЛС, блока контроля функционирования РЛС, автоматизированного рабочего места оператора РЛС и блока ввода-вывода информации, причем обе части имеют следующие соединения: сигналы созвездий ГНСС ГЛОНАСС и ГНСС GPS связаны первым и вторым радиоканалами с навигационно-радиолокационным аэрологическим радиозондом, который третьим радиоканалом связан с ФАР, ФАР второй дуплексной шиной данных связана с входом/выходом СВЧ-циркулятора, а первой дуплексной шиной данных с электромеханическим приводом ФАР, выход когерентного передатчика связан с входом СВЧ-циркулятора, выход которого соединен с входом СВЧ-приемника-преобразователя ПЧ, который в свою очередь восьмой дуплексной шиной данных соединен непосредственно с блоком цифрового управления РЛС, а девятой дуплексной шиной данных через блок цифровой обработки сигналов ПЧ и десятой дуплексной шиной данных также соединен с блоком цифрового управления РЛС, также с последним двенадцатой дуплексной шиной данных соединен блок обработки координатно-телеметрической информации, блок обработки координатно-телеметрической информации пятнадцатой дуплексной шиной данных соединен с автоматизированным рабочим местом, которое тринадцатой дуплексной шиной данных соединено с блоком цифрового управления РЛС, однонаправленная шина третьей дуплексной шины данных с его выхода соединена с ФАР, блок цифрового управления РЛС седьмой дуплексной шиной данных соединен с блоком обработки угловой информации, одиннадцатой дуплексной шиной данных - с блоком обработки ответного сигнала дальности, четырнадцатой дуплексной шиной данных - с блоком контроля функционирования РЛС, шестнадцатой дуплексной шиной данных с блоком ввода-вывода информации, который семнадцатой дуплексной шиной данных соединен с автоматизированным рабочим местом, электромеханический привод ФАР четвертой дуплексной шиной данных соединен с блоком управления приводом РЛС, который шестой дуплексной шиной данных соединен с блоком обработки угловой информации, блок ввода-вывода информации восемнадцатой дуплексной шиной данных связан с потребителем этой информации и является выходом комплекса.

2. Навигационно-радиолокационный аэрологический радиозонд, содержащий следующие узлы и блоки: датчики метеорологических параметров атмосферы, блок приема навигационных сигналов, генератор опорной частоты, микропроцессор, частотный модулятор суперирующей частоты сверхрегенеративного периемопередатчика (СПП), блок ввода полетного задания, сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда, полосовой СВЧ-фильтр несущей частоты, передающую антенну аэрологического радиозонда, со следующими соединениями: сигналы созвездия ГНСС ГЛОНАСС радиоканалом и созвездия ГНСС GPS радиоканалом через антенну приема сигналов ГНСС, затем через приемник сигналов ГНСС соединены с первым информационным входом-выходом микропроцессора, с первым информационным входом которого соединены выходы датчиков метеорологических параметров атмосферы, а со вторым информационным входом соединен блок ввода полетного задания, выход генератора опорной частоты соединен с тактовым входом микропроцессора, также первый управляющий выход микропроцессора соединен с частотным модулятором суперирующей частоты СПП, выход которого соединен с управляющим входом СПП, который двунаправленной шиной соединен со вторым входом-выходом микропроцессора, а однонаправленной шиной через полосовой фильтр соединен с передающей антенной аэрологического радиозонда; конструктив блока приема навигационных сигналов представляет собой отдельный микроминиатюрный узел, выполненный на печатной плате со встроенной печатной антенной и микросхемой приемника сигналов ГНСС.