Десантный метеорологический комплект (варианты) Российский патент 2024 года по МПК G01P5/00 G01W1/02 

Изобретение относится к наземным аппаратным средствам акустического дистанционного зондирования нижних слоев атмосферы и может быть использовано для получения информации о скорости и направлении ветра в приборах метеорологического обеспечения десантирования.

Известны требования к метеорологическому обеспечению при совершении десантирования и средства применимые для этого [1].

Прыжки с десантными парашютными системами из самолетов и вертолетов разрешается проводить при метеорологических условиях, определенных в таблице 1.

Руководитель десантирования обязан знать фактическую метеорологическую обстановку в районах аэродрома.

На площадке приземления до начала десантирования руководитель прыжков обязан уточнить у руководителя выброски фактические метеорологические условия в районе площадки приземления.

В период десантирования руководитель прыжков обязан запретить (прекратить) выброску в случае изменения значений элементов метеорологических условий более допустимых.

В перечень материального обеспечения наряда по руководству и обеспечению десантирования личного состава на площадке приземления входит десантный метеокомплект (ДМК).

Известны методы определения скорость и направления ветра [2]. Контактные методы сводятся к помещению в поток первичных преобразователей (анемометров различного типа), которые преобразуют скорость ветра в другую величину, измерение которой менее затруднительно. Ротоанемометры скорость ветра преобразуется в угловую скорость вращения чашечной вертушки или винта. В индукционных анемометрах мерой скорости ветра является амплитуда генерируемого тока от вращения чашечной вертушки или винта. А в импульсных анемометрах мерой скорости ветра является частота импульсов, генерируемая магнитным герконом или фотоэлектрическим модулятором от вращения чашечной вертушки или винта.

Бесконтактные методы измерения скорости ветра можно разделить на оптические (другое название лазерные, также известные в литературе под английской аббревиатурой «LiDAR» от Light Detection and Ranging или под транслитерацией английской аббревиатуры «лидар»), акустические и радиолокационные. Эти методы основаны на излучении волн в пространство, которые при распространении через атмосферу рассеиваются в обратном направлении, принимаются и обрабатываются.

Известен допплеровский метеорологический радиолокатор «ДМРЛ-С» [3], содержащий последовательно соединенные формирователь пачек разночастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов, усилительный широкополосный передатчик, устройство поляризации СВЧ сигналов, антенный переключатель, антенну. Антенный переключатель содержит два СВЧ циркулятора, соединенные по сигналам зондирования с приемо-передающей антенной и по отраженным метеорологическим сигналам с четырехканальным радиоприемником. Цифровой выход радиоприемника соединен с ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов. В состав ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов входит устройство цифровой обработки метеосигналов, блок управления и первичной обработки метеосигналов.

Под управлением ЭВМ формирователь пачек двухчастотных узкополосных и широкополосных зондирующих сигналов генерирует последовательность пачек состоящей из двух радиоимпульсов. Далее эти сигналы поступают на усилительный широкополосный передатчик, где усиливаются и передаются на устройство поляризации СВЧ сигналов. Устройство поляризации СВЧ сигналов разделяет радиоимпульсы на два канала с ортогональными поляризациями и через антенный переключатель передает их на приемо-передающую антенну с заданным ЭВМ угловым направлением зондирования. Далее приемо-передающая антенна излучает сигналы в окружающее воздушное пространство. Отраженные от гидрометеоров поляризованные эхосигналы, принимаются приемо-передающей антенной и далее через антенный переключатель поступают на соответствующие по поляризации каналы четырехканального радиоприемника (основные и дополнительные). Четырехканальный радиоприемник осуществляет оптимальное режектирование, усиление, преобразование и детектирование принятых эхо-сигналов. Далее сформированные матрицы цифровых сигналов передаются на устройство цифровой обработки метеосигналов, где производится цифровая фильтрация несинхронных импульсных помех, обработка полезных сигналов. Далее принятые сигналы поступают в блок управления и первичной обработки метеосигналов для формирования конических сечений метеорологических параметров гидрометеоров (отражаемость, радиальная скорость, ширина спектра. После окончания расчетов параметров гидрометеоров в ЭВМ управления и обработки метеорологических сигналов производится преобразование метеоданных к удобной форме и их представление потребителям метеоданных.

Недостатком допплеровского метеорологического радиолокатора является, во-первых, его функциональные ограничения, обусловленные низкой эффективностью определения скорости ветра при отсутствии или малом плотности гидрометеоров. Во-вторых, невозможность его применения в зоне десантирования личного состава, обусловленная негативным воздействием СВЧ излучения на человека.

Известен лазерный радар и способ его работы [4]. В патенте описан ветровой лазерный радар, основанный на передатчике, который формирует фокальный объем в определенной точке и приемнике обратно рассеянного излучения от распределенного по трассе аэрозоля. В заявленном устройстве присутствует вычислительный комплекс для расчета параметров ветра по измеренным значениям. Вычисления производятся путем аппроксимации полученных данных известной функцией. Для учета влияния облаков предусмотрена нормализация на предварительно измеренную скорость облаков на стадии вычисления доплеровского сдвига.

Недостаток лазерного радара заключается, во-первых, в измерении знака реального вектора скорости ветра, что при измерении состояния атмосферных потоков может дать ложные сведения о наличии или отсутствии таких опасных явлении как сдвиг ветра. Во-вторых, невозможность его применения в зоне десантирования личного состава, обусловленная высокой вероятностью поражения зрительных органов десантников при попадании в них излучаемого устройством лазера, во время измерения параметров ветра в зоне десантирования.

Известен десантный метеорологический комплект ДМК [5] и комплект десантный метеорологический ДМК-01[6], имеющие схожие недостатки.

Десантный метеорологический комплект ДМК [5] состоит из датчика скорости и направления ветра, блока датчика температуры и влажности воздуха, указателя метеорологических элементов, измерителя дальности видимости, метеорологической мачты с растяжками. На метеорологическую мачту собирают блок датчиков скорости и направления ветра, подсоединяют кабель. Развертывают блоки датчиков ветра, температуры и влажности воздуха и подсоединяют к ним кабеля. Все кабели соединяют с указателем метеорологических элементов. С указателя давления снимают значение наземного атмосферного давления. На указателе метеорологических элементов переключатель устанавливают в положение ТЕМП и, нажав на кнопку ПУСК, по шкале считывают температуру воздуха в градусах Цельсия. Для определения скорости и направления наземного ветра переключатель на указателе метеорологических элементов последовательно устанавливают в положение СКОР, и НАПР. и снимают данные мгновенной скорости (в м/с) и направления ветра (в градусах). При необходимости измеряют относительную влажность воздуха, для чего на указателе метеорологических элементов устанавливают переключатель в положение ВЛАЖ. и, нажав на кнопку ПУСК, по шкале считывают влажность воздуха. Полеченные данные обрабатываются опертом вручную или с привлечением самостоятельных средств автоматизации.

Десантный метеорологический ДМК-01[6], состоит из блока датчиков, блока цифрового, линии связи и метеорологической мачты. Блок датчиков объединяет датчик скорости и направления ветра, датчик температуры и влажности воздуха и преобразователь измерительный, которые крепятся в верхней части метеорологической мачты. В блоке датчиков измеряются метеорологические параметры, которые поступают в преобразователь измерительный и после преобразования по линям связи передаются в блок цифровой для обработки. В блоке цифровом производится обработка метеорологической информации и вывод ее на цифровое табло и в персональный компьютер через линию связи.

Недостатки десантного метеорологического комплекта ДМК и комплекта десантного метеорологического ДМК-01, заключается в том, что применений в качестве датчика скорости и направления ветра анеморумбометр, во-первых, неточность установки оси вращения винта вдоль вектора ветра влечет за собой изменение показаний самого анеморумбометра. Во-вторых, неравномерное восприятие скорости ветра, так как увеличение скорости ветра любой винтовой анемометр, к которым относится анеморумбометр воспринимает быстрее, чем уменьшение ветра. В-третях, завышение средней скорости ветра за счет приращения Кинетической энергии пульсирующего потока ветра. В-четвертых, для корректной работы анеморумбометр, перед его использованием требуется ориентация устройства в сторону света, соответствующую направлению на север. В-пятых, конструкция метеорологической мачты с растяжками десантного метеорологического комплекта ДМК требует больших временных затрат и дополнительных людских ресурсов на ее монтаж и демонтаж.

Известен ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений [7], содержащий измерительный тракт, состоящий из двух пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей и приемников, устройство измерения временных интервалов, основное вычислительное устройство, устройство сравнения, дополнительное вычислительное устройство, ветрозащитный бокс-контейнер, датчик сигнала закрытия бокса-контейнера и электронный датчик температуры воздуха внутри бокса-контейнера.

Недостатком данного устройства является конструктивная сложность и ограниченность его практического применения, обусловленная необходимостью его калибровки путем периодического помещения акустического термоанемометра в изолированный от внешних воздействий бокс-контейнер также известную как «камера нулевого ветра», в котором отсутствует направленное движение воздуха и осуществляется контроль температуры воздуха посредством датчика температуры, установленного внутри бокса-контейнера.

Наиболее близким, то есть прототипом является ультразвуковой анемометр [8], содержащий блок генерации управляющих электрических импульсов (1), блок селекции управляющих импульсов (2), блок электроакустических преобразователей (3), электронное вычислительное устройство (4), блок селекции ошибки измерений (5), блок индикации параметров ветра (6).

Прототип, представленный на фиг. 1, работает следующим образом:

Блок генерации управляющих электрических импульсов (1) вырабатывает последовательность импульсов, управляющих генерацией акустических импульсов блока электроакустических преобразователей (3) и его переключения приема. Импульсы, вырабатываемые блоком генерации управляющих электрических импульсов (1), проходят через блок селекции управляющих импульсов (2), который формирует три группы управляющих импульсов, каждая из которых последовательно активирует излучение акустических импульсов тремя парам акустически согласованных электроакустических преобразователей блока электроакустических преобразователей (3) (фиг 4).

Далее электронное вычислительное устройство (4) последовательно трижды вычисляет величину трех компонент одной и той же скорости ветра и передает в блок селекции ошибки измерений (5), в котором с помощью специальных алгоритмов производится устранение данных, вычисленных с ошибкой, и сохранение данных, вычисленных без указанной ошибки (исключение максимального и минимального значения скорости ветра из трех полученных). Далее, сигнал, характеризующий значение скорости ветра, поступает на блок индикации параметров ветра (6) для индикации потребителю полученных данных. Измерительный процесс циклически повторяется.

Недостаток прототипа заключается, во-первых, его конструктивными ограничениями, заключающимися в невозможности определяет температуру акустически согласованных электроакустических преобразователей блока электроакустических преобразователей, во-вторых возможность получения ошибочной информации о величине скорости ветра в связи с возможным неконтролируемым изменением расстояний между излучателями и приемниками акустически согласованных пар электроакустических преобразователей, которое может произойти в процессе эксплуатации или транспортировки устройства. В-третях измерения параметров ветра производится только в точке стояния ультразвукового анемометра, а измерения в приземном слое атмосферы и в верхней части пограничного слоя атмосферы, располагающаяся над приземным слоем (слое Экмана), где происходит десантирование, измерения не производятся.

Также этим недостатком обладают и известные технические решения: метеокомплект переносной автоматизированный 1Б65 и автономная метеорологическая станция АМК-03П.

Отсутствие данных об ветре в приземном слое и слое Экмана негативно сказывается на безопасность совершения прыжков с парашютом.

Целью изобретения является задача обеспечения руководителя десантирования данными о скорости и направлении ветра как у поверхности земли, так и в приземном слое атмосферы, а также слое Экмана на высотах до 800 метров.

Поставленная задача достигается введением в схему прототипа, блок электропитания (8), профилометра ветра (10) (также известного в литературе под английской аббревиатурой «SODAR» от sonic detection and ranging или под транслитерацией английской аббревиатуры «СОДАР»), содержащего блок электропитания (8), передатчик (11), выход которого соединен с приемо-передающим антенным устройством с электроакустическими преобразователями (12), выход которого соединен с входом приемника (13), выход которого соединен с процессором сигналов (14), который через процессор данных (15) соединен с устройством отображения информации (16).

Один из элементов приемо-передающей антенным устройством с электроакустическими преобразователями (12) излучает вертикально вверх, то есть перпендикулярно к поверхности земли, а две остальные установлены с угловым наклоном относительно вертикальной оси.

В обоих вариантах десантного метеорологического комплекта он содержит профилометр ветра (10) и ультразвуковой анемометр (9).

При этом в первом варианте десантного метеорологического комплекта, ультразвукового анемометра (9) является носимым личным составом и отображает данные о скорости и направлении ветра на собственном блоке индикации параметров ветра (6).

Во втором варианте десантного метеорологического комплекта, ультразвукового анемометра (9) установлен на мачте метеорологической (17) и отображает данные о скорости и направлении ветра устройстве отображения информации (16), ультразвуковой анемометр (9) и профилометр ветра (10) имеют общий блок электропитания (8).

На фиг. 2 представлена структурная схема десантного метеорологического комплекта в первом варианте.

На фиг. 3 представлена структурная схема десантного метеорологического комплекта во втором варианте.

Предлагаемый десантный метеорологический комплект состоит из ультразвукового анемометра (9) содержащего блок генерации управляющих электрических импульсов (1), блок селекции управляющих импульсов (2), блок электроакустических преобразователей (3), электронное вычислительное устройство (4), блок селекции ошибки измерений (5), блок индикации параметров ветра (6), датчик влажности (7), мачту метеорологическую (17), блок электропитания (8) и профилометр ветра (10) содержащего блок электропитания (8), передатчик (11), выход которого соединен с приемо-передающим антенным устройством с электроакустическими преобразователями (12), выход которого соединен с входом приемника (13), выход которого соединен с процессора сигналов (14), который через процессор данных (15) соединен с устройством отображения информации (16).

Предлагаемый десантный метеорологический комплект, работает следующим образом:

Для измерения параметров ветра у земли, в зависимости от варианта десантного метеорологического комплекта ультразвуковой анемометр (9) располагается либо на мачте метеорологической (17), либо в руке человека, отвечающего за проведение метеоразведку на площадке приземления. Блок электропитания (8) ультразвукового анемометра (9) обеспечивает электропитание его составных частей.

Процессор данных (15) автоматически ориентируется встроенным компасом по сторонам света (в графической части не показан).

Блок генерации управляющих электрических импульсов (1) вырабатывает последовательность импульсов, управляющих генерацией акустических импульсов блока электроакустических преобразователей (3) и его переключения приема.

Импульсы, вырабатываемые блоком генерации управляющих электрических импульсов (1), проходят через блок селекции управляющих импульсов (2), который формирует три группы управляющих импульсов, каждая из которых последовательно активирует излучение акустических импульсов тремя парам акустически согласованных электроакустических преобразователей блока электроакустических преобразователей (3).

Далее электронное вычислительное устройство (4) вычисляет скорость ветра и его направление, а также вычисляет так называемую «ультразвуковую» температуру воздуха на основе известных соотношений [9]:

где:

V_i - ортогональные компоненты скорости ветра (i=x, у, z) в м/сек;

L_i - расстояния между попарно согласованными излучателями и приемниками акустических импульсов;

t₁ и t₂ - время распространения ультразвукового импульса от излучателя к приемнику первой и второй пары соответственно;

С - скорость звука в воздухе в м/сек;

Т - температура воздуха в градусах Кельвина.

и передает в блок селекции ошибки измерений (5), в котором с помощью специальных алгоритмов производится вычисление направления ветра и устранение ошибок, вызванных внешними и внутренними помехами и сохранение полученных данных. Данные датчика влажности (7) также поступают в электронное вычислительное устройство (4) откуда совместно с другими сигналами через блок селекции ошибки измерений (5) поступают в блок индикации параметров ветра (6) в первом исполнении и на устройстве отображения информации (16) во втором исполнении, где отображаются данные характеризующие значение скорости ветра, его направления, влажности и температуры в интересах потребителей метрологической информации в районе площадки приземления.

Для измерения параметров ветра в приземном слое атмосферы и слое Экмана применяется профилометр ветра (10), блок электропитания (8) обеспечивает электропитание его составных частей.

Вычислительное устройство (4) автоматически ориентируется встроенным компасом по сторонам света (в графической части не показан).

Зондирующие сигналы с частотой 3,6 кГц и периодом повторения посылок 4 с, сформированные передатчиком (11), направляются в приемопередающее антенное устройство с электроакустическими преобразователями (12) и излучаются в пространство.

Эхо-сигналы, являющиеся результатом отражения зондирующих импульсов, вызванное перемещением рассеивающего объема атмосферы под воздействием ветра, через выход приемо-передающего антенного устройства с электроакустическими преобразователями (12) поступают соответственно на вход приемника (13). Выходные сигналы приемника (13) поступают в процессор сигналов (14), где производится их аналого-цифровое преобразование, фильтрация, выполняется процедура обнаружения по критерию Неймана-Пирсона, обеспечивающая получение максимальной вероятности правильного обнаружения параметров ветра при фиксированной вероятности ложного обнаружения по шумам.

Выходные сигналы процессора сигналов (14) поступают в процессор данных (15), где производится их вторичная обработка и в частности вычисление скорости и направление ветра определится по формулам [10]:

где:

V - скорость ветра, м/с;

ε - направление ветра, градусы;

Н - высота слоя, вызванное перемещением рассеивающего объема под воздействием ветра и регистрируемое приемником, м;

ΔF_Д - доплеровское смещение частоты излучения по трем каналам (1,2,3), Гц;

λ₀- длина падающей волны излучения, м;

k - волновое число;

θ - угол наклона луча, градусы;

τ - длительности импульса, мс;

с - скорость распространения звуковой волны в атмосфере, м/сек.

Выходная информация процессора данных (15) поступает в устройство отображения информации (16), откуда и доводятся потребителям метрологической информации в районе площадки приземления.

Во втором варианте десантного метеорологического комплекта данные профилометра ветра (10) о параметрах ветра в приземном слое атмосферы и слое Экмана отображаются на устройстве отображения информации (16) совместно с данными ультразвукового анемометра (9) о скорости ветра, его направлении, влажности и температуре, доводятся потребителям метрологической информации в районе площадки приземления.

В целях практической реализации предложенного десантного метеорологического комплекта в качестве ультразвукового анемометра может быть применен PWS300 фирмы ООО «АйСиБиКом», а профилометром ветра может стать изделие РА-0 фирмы REMTECH S.A., Франция. Встроенным компас может быть реализован на базе микросхемы HMC5883L фирмы Parallax Incorporated.

Обеспечение получения данных о скорости и направлении ветра как у поверхности земли, так и в приземном слое атмосферы, а также слое Экмана повышает безопасность десантирования и позволяет выполнить требования Руководства по воздушно-десантной подготовке в части метеорологического обеспечения десантирования.

Источники информации

1. Руководство по воздушно-десантной подготовке - Москва:, АО «Красная Звезда», 2017- 328 с. ДСП

2. Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л.. Методы и средства гидрометеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник. - СПб.: изд. РГГМУ, 2012-306 с.

3. Полезная модель РФ №121942 «Допплеровский метеорологический радиолокатор «ДМРЛ-С»», заявка 2012110972/08 от 23.03.2012, опубликовано 10.11.2012, Бюл. №31.

4. Патент США №US 7391506 B2 «Laser radar device and method», заявка US 11/578,720 от 2005-05-18, опубликовано 2008-06-24.

5. Десантный метеорологический комплект ДМК. Техническое описание, инструкция по эксплуатации и формуляр - М, Воениздат, 1980, 65 с.

6. Руководство по эксплуатации «Комплекты десантные метеорологические ДМК-01» КНГП.416321.001РЭ

7. Патент РФ №2319987 «Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений», заявка 2006119583/28 от 05.06.2006, опубликовано 20.03.2008 Бюл. №8

8. Патент РФ №2699939 «Ультразвуковой анемометр», заявка 2019101136, от 14.01.2019, опубликовано: 11.09.2019 Бюл. №26

9. Региональный мониторинг атмосферы: кол. монография / под общ. ред. Кабанова М.В.. - Томск: Спектр, 1997. - Ч. 2: Новые приборы и методики измерений. - 295 с

10. On the theory of SODAR measurement techniques (final reporting on WP1, EU WISE project NNE5-2001-297) [Электронный ресурс] URL:https://usir.salford.ac.uk/id/eprint/9588/1/WISE_WP1.pdf:public (дата обращения: 07.01.2023).

Группа изобретений относится к средствам метеорологического обеспечения десантирования. Сущность: комплект включает ультразвуковой анемометр (9) и профилометр (10) ветра. Ультразвуковой анемометр (9) включает блок (1) генерации управляющих электрических импульсов, блок (2) селекции управляющих импульсов, блок (3) электроакустических преобразователей, электронное вычислительное устройство (4), блок (5) селекции ошибки измерений, блок (6) индикации параметров ветра, датчик (7) влажности, блок (8) электропитания. Профилометр (10) ветра включает блок (8) электропитания, передатчик (11), приемо-передающее антенное устройство (12) с электроакустическими преобразователями, приемник (13), процессор (14) сигналов, процессор (15) данных, устройство (16) отображения информации. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Десантный метеорологический комплект, состоящий из ультразвукового анемометра, содержащего блок генерации управляющих электрических импульсов, выход которого соединен со входом блока селекции управляющих импульсов, выход которого соединен со входом блока электроакустических преобразователей, выход которого соединен с одним из входов электронного вычислительного устройства, датчика влажности, выход которого соединен с другим входом электронного вычислительного устройства, выход электронного вычислительного устройства соединен со входом блока селекции ошибки измерений, выход которого соединен со входом блока индикации параметров ветра, отличающийся тем, что дополнительно введен профилометр ветра, содержащий передатчик, выход которого соединен с приемо-передающим антенным устройством с электроакустическими преобразователями, выход которого соединен с входом приемника, выход которого соединен с процессором сигналов, который через процессор данных соединен с устройством отображения информации, содержащий блок электропитания, выход которого соединен с передатчиком, приемником, процессором сигналов, процессором данных, устройством отображения информации, также в ультразвуковой анемометр дополнительно введен блок электропитания, выход которого соединен с блоком генерации управляющих электрических импульсов, блоком селекции управляющих импульсов, электронным вычислительным устройством, блоком селекции ошибки измерений, блоком индикации параметров ветра и с датчиком влажности через электронное вычислительным устройством.

2. Десантный метеорологический комплект, состоящий из ультразвукового анемометра, содержащего мачту метеорологическую, блок генерации управляющих электрических импульсов, выход которого соединен со входом блока селекции управляющих импульсов, выход которого соединен со входом блока электроакустических преобразователей, выход которого соединен с одним из входов электронного вычислительного устройства, датчика влажности, выход которого соединен с другим входом электронного вычислительного устройства, выход электронного вычислительного устройства соединен со входом блока селекции ошибки измерений, отличающийся тем, что дополнительно введен профилометр ветра, содержащий передатчик, выход которого соединен с приемопередающим антенным устройством с электроакустическими преобразователями, выход которого соединен с входом приемника, выход которого соединен с процессором сигналов, который через процессор данных соединен с устройством отображения информации, содержащий блок электропитания, выход которого соединен с передатчиком, приемником, процессором сигналов, процессором данных, устройством отображения информации, блоком генерации управляющих электрических импульсов, блоком селекции управляющих импульсов, электронным вычислительным устройством, блоком селекции ошибки измерений и с датчиком влажности через электронное вычислительным устройством.

3. Десантный метеорологический комплект по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ультразвуковой анемометр и профилометр ветра выполнены с возможностью автоматической ориентации встроенным компасом по сторонам света.

4. Десантный метеорологический комплект по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковой анемометр является носимым личным составом, проводящим метеорологическую разведку на площадке приземления.