RU2571870C1

RU2571870C1 - Atmospheric sounding radar system

Info

Publication number: RU2571870C1
Application number: RU2014136518/07A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Элизбарович Иванов; Андрей Викторович Гусев; Олег Васильевич Плохих; Сергей Иванович Кудинов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ОРТИКС"
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2015-12-27

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention can be used when upgrading and designing new radio sounding systems with high accuracy, reliability and faster transmission of telemetric information from on-board an aerological radiosonde to a ground radar station. An atmospheric sounding radar system comprises aerological radiosonde and a ground base station - radar station, wherein the aerological radiosonde includes an operating mode parameter control unit and a power supply parameter control unit with the following connections: the outputs of said units are connected to a microcontroller interfacing unit of the aerological radiosonde, the output of which is connected through output units of the aerological radiosonde to the antenna of the aerological radiosonde, which is connected through a radio link to the antenna of the radar station.

EFFECT: high accuracy and reliability of transmitted meteorological information.

1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при модернизации и разработке новых систем радиозондирования (CP) с повышенной точностью, надежностью и ускоренной передачей телеметрической информации с борта аэрологического радиозонда (АРЗ) на наземную радиолокационную станцию (РЛС).The invention relates to radio engineering and can be used in the modernization and development of new radiosonde (CP) systems with increased accuracy, reliability and accelerated transmission of telemetric information from an aerological radiosonde (ARZ) to a ground-based radar station.

Общей проблемой при проектировании и эксплуатации CP является создание высокоточных систем измерения координат АРЗ, недорогих конструкций АРЗ, обеспечивающих измерение с минимальной погрешностью метеорологических параметров атмосферы (ΜΠΑ), надежную передачу телеметрической информации с борта АРЗ на наземную РЛС в оперативном радиусе действия системы АРЗ-РЛС. Самостоятельной проблемой при создании и эксплуатации CP является обеспечение надежной и точной передачи телеметрической информации о ΜΠΑ с борта АРЗ на РЛС в условиях замирания сигнала радиозонда из-за его раскачивания и неравномерной диаграммы направленности антенны.A common problem in the design and operation of CP is the creation of high-precision ARZ coordinate measurement systems, low-cost ARZ designs that provide measurement with minimal error of atmospheric meteorological parameters (ΜΠΑ), reliable transmission of telemetry information from the ARZ to the ground radar within the operational radius of the ARZ-radar system. An independent problem in the creation and operation of a CP is to ensure reliable and accurate transmission of telemetry information from the ARZ to the radar in conditions of fading of the radiosonde signal due to its swinging and uneven antenna pattern.

Известна система радиозондирования атмосферы радиолокационного типа «Метеорит-РКЗ», работающая в диапазоне частот 1780 МГц (см. Ермаков В.И., Кузенков А.Ф., Юрманов В.А. Системы зондирования атмосферы. Л.: Гидрометиздат, 1977. 304 с.; Ламповый радиозонд типа РКЗ снабжен сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП), который совместно с наземной РЛС «Метеорит» обеспечивает измерение угловых координат, наклонной дальности по запросному радиоимпульсу и передачу на РЛС метеорологической информации, которая осуществляется путем амплитудной манипуляции излучения СПП телеметрическим сигналом. Достоинством CP типа «Метеорит-РКЗ» является полная автономность работы, невысокая стоимость измерения ΜΠΑ в оперативном радиусе действия до 250 км.Known radio sounding system of the atmosphere of the radar type "Meteorite-RKZ", operating in the frequency range 1780 MHz (see Ermakov V.I., Kuzenkov A.F., Yurmanov V.A. Atmospheric sounding systems. L .: Gidrometizdat, 1977. 304. s.; The RKZ-type tube radiosonde is equipped with a super-regenerative transceiver (SPP), which, together with the ground-based Meteorite radar, provides measurement of angular coordinates, oblique range from the requested radio pulse and transmission of meteorological information to the radar, which is carried out by amplitude manipulation radiation of SPP by a telemetry signal The advantage of the Meteorite-RKZ type CP is its complete autonomy, low measurement cost ΜΠΑ in the operational radius of up to 250 km.

Недостатком системы является низкая помехозащищенность CP при амплитудной модуляции телеметрическим сигналом излучения СПП, большой интервал передачи цикла метеорологической информации (цикла телеметрических частот измерительного преобразователя АРЗ) в течение 20 секунд, что снижает надежность и точность измерения ΜΠΑ в условиях замирания сигнала АРЗ при его раскачивании.The disadvantage of the system is the low noise immunity of CP during amplitude modulation of the SPP radiation by a telemetric signal, the large interval of transmission of the meteorological information cycle (telemetry frequency cycle of the ARZ measuring transducer) for 20 seconds, which reduces the reliability and accuracy of measurement ΜΠΑ in conditions of freezing of the ARZ signal when it sways.

Известна система радиозондирования атмосферы радиолокационного типа АВК-МРЗ, работающая в диапазоне 1780 МГц (Ефимов А.А. Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК - 1. М.: Гидрометеоиздат, 1989. 149 с.; Зайцева Н.А. Аэрология. Гидрометеоиздат. 1990, 325 с.). Полупроводниковый АРЗ типа МРЗ-3 снабжен сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП), который совместно с наземной РЛС АВК-1 обеспечивает измерение угловых координат, определение наклонной дальности по запросному радиоимпульсу и передачу на РЛС метеорологической информации, которая осуществляется путем модуляции поднесущей (суперирующей) частоты СПП телеметрическим сигналом. Достоинством CP типа АВК-МРЗ является высокий уровень автоматизации обработки информации, полная автономность работы, невысокая стоимость измерения ΜΠΑ в оперативном радиусе действия до 250 км.A well-known system of radio sounding of the atmosphere of the radar type AVK-MRZ, operating in the range of 1780 MHz (Efimov A.A. Principles of operation of the aerological information-computer complex AVK - 1. M .: Gidrometeoizdat, 1989. 149 p.; Zaitseva N.A. Aerology. Gidrometeoizdat. 1990, 325 p.). The semiconductor ARZ of type MRZ-3 is equipped with a super-regenerative transceiver (SPP), which together with the ground-based radar AVK-1 provides the measurement of angular coordinates, the determination of the slant range by the requested radio pulse and the transmission of meteorological information to the radar, which is carried out by modulating the subcarrier (superimposing) frequency of the SPP telemetric signal. The advantage of CP type AVK-MRZ is a high level of automation of information processing, complete autonomy of work, low measurement cost ΜΠΑ in the operational radius of up to 250 km.

Недостатком системы при всех ее достоинствах является значительное потребление электроэнергии, а также большой интервал передачи цикла метеорологической информации (цикла телеметрических частот измерительного преобразователя АРЗ) в течение 20 секунд, что снижает надежность и точность измерения ΜΠΑ, нарушает устойчивость автосопровождения сигнала АРЗ по угловым координатам, затрудняет прием и обработку телеметрического сигнала при больших скважностях.The disadvantage of the system, with all its advantages, is significant power consumption, as well as a large transmission interval for the meteorological information cycle (telemetry frequency cycle of the ARZ measuring transducer) for 20 seconds, which reduces the reliability and accuracy of measurement ΜΠΑ, violates the stability of the ARZ signal auto-tracking in angular coordinates, and makes it difficult receiving and processing a telemetry signal at large duty cycles.

Известна «Система радиозондирования атмосферы с пакетной передачей метеорологической информации», см. заявку РФ №2013107302/07, на которую выдано Решение на получение патента от 19.05.2014 (прототип). Достоинством прототипа является высокая скорость передачи телеметрической информации в пакетном режиме.The well-known "atmosphere sounding system with batch transmission of meteorological information", see RF application No. 2013107302/07, which issued a decision to obtain a patent dated 05/19/2014 (prototype). The advantage of the prototype is the high speed transmission of telemetric information in batch mode.

ПРОТОТИП:PROTOTYPE:

Система радиозондирования атмосферы с пакетной передачей информации содержит аэрологический радиозонд - АРЗ и базовую станцию - РЛС, причем АРЗ содержит блок предполетной подготовки АРЗ, состоящий из пульта предполетной подготовки и блока контроля и записи параметров АРЗ со следующими соединениями: пульт предполетной подготовки АРЗ через блок контроля и записи параметров АРЗ соединен двунаправленной шиной M1 со входами микроконтроллера АРЗ; в состав РЛС введены блок декодирования пакетной телеинформации и блок вторичной обработки телеинформации и выдачи сигналов метеопараметров атмосферы со следующими соединениями: однонаправленная шина М2 приемопередающего устройства РЛС соединена через блок декодирования пакетной телеинформации с блоком вторичной обработки телеинформации и выдачи метеопараметров атмосферы, выход которого является выходом системы.The atmosphere radio sounding system with batch transmission of information contains an aerological radiosonde — ARZ and a base station — a radar, the ARZ comprising a pre-flight pre-flight training unit consisting of a pre-flight training console and a control and recording unit of ARZ parameters with the following connections: pre-flight air-conditioning ARZ control unit and ARZ parameter records are connected by a bi-directional bus M1 with inputs of the ARZ microcontroller; a radar unit for decoding packet teleinformation and a unit for secondary processing of teleinformation and issuing signals of atmospheric meteorological parameters with the following connections were introduced: a unidirectional bus M2 of a transceiver radar unit is connected via a decoding unit for packet teleinformation with a unit for secondary processing of teleinformation and issuing meteorological parameters of the atmosphere, the output of which is the output of the system.

Недостатком всех известных систем и прототипа при всех их достоинствах является снижение надежности получения координатной информации в радиолокационном режиме работы CP при подавлении ответного сигнала СПП АРЗ на запросный сигнал РЛС из-за непреднамеренных помех техногенного характера (системы сотовой связи), снижение точности определения высоты при значительных удалениях АРЗ в течение полета.The disadvantage of all known systems and the prototype, for all their advantages, is the decrease in the reliability of obtaining coordinate information in the CP radar operation mode while suppressing the response signal of the ARZ SPP to the radar interrogation signal due to unintentional man-made interference (cellular communication system), and a decrease in the accuracy of determining the height for significant ARZ removals during the flight.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности и надежности передаваемой метеоинформации.The technical task of the invention is to increase the reliability and reliability of the transmitted meteorological information.

Технический результат достигается за счет введения блоков контроля основных режимов работы узлов АРЗ, включая контроль параметров источника питания.The technical result is achieved through the introduction of control units for the main modes of operation of the ARZ units, including monitoring the parameters of the power source.

Для решения поставленной задачи в радиолокационной системе зондирования атмосферы, содержащей аэрологический радиозонд - АРЗ и наземную базовую станцию - РЛС, согласно изобретению в состав АРЗ введены блок контроля параметров рабочих режимов и блок контроля параметров источника питания со следующими соединениями: выходы этих блоков соединены с блоком сопряжения микроконтроллера АРЗ, выход которого через выходные блоки АРЗ соединен антенной АРЗ, которая через радиоканал соединена с антенной РЛС.To solve this problem, in an atmospheric radar sensing system containing an aerological radiosonde — ARZ and a ground base station — radar, according to the invention, an ARZ control unit and a power source parameter control unit with the following connections are included in the ARZ composition: the outputs of these blocks are connected to the interface unit microcontroller ARZ, the output of which through the output blocks of the ARZ is connected by the ARZ antenna, which is connected via a radio channel to the radar antenna.

На чертеже изображена структурная электрическая схема системы, на которой показано:The drawing shows a structural electrical diagram of the system, which shows:

1 - АРЗ, 2 - РЛС, 3 - ΜΠΑ, 4 - блок первичных (датчиков температуры, влажности и т.д) и вторичных (измерительных преобразователей) преобразователей ΜΠΑ (БПВП), 5 - блок сопряжения (БС) аналоговой и цифровой информации, 6 - вычислитель и формирователь пакетной координатно-телеметрической информации (ПКТИ), 7 - формирователь и модулятор суперирующего напряжения (ФМСН), 8 - микроконтроллер (МК), 9 - цепь автосмещения СВЧ-автогенератора, 10 - СВЧ-автогенератор (СВЧ-АГ) сверхрегенеративного приемопередатчика (СПП), 11 - устройство предполетной подготовки АРЗ (УПП), 12 - пульт предполетной подготовки АРЗ (ППП), 13 - блок контроля и записи параметров АРЗ (БКЗП), 14 - приемопередающее устройство РЛС (ППУ), 15 - блок декодирования ПКТИ, 16 - блок определения координат и управления РЛС (БКУ), 17 - блок вторичной обработки телеметрической информации и выдачи ΜΠΑ (БВОТИ), 18 - потребитель ΜΠΑ, 19 - блок контроля параметров рабочих режимов АРЗ (например, контроль МК 8 при помощи сторожевого таймера), 20 - блок контроля источника питания АРЗ. Связи блока контроля 19 с узлами АРЗ условно не показаны (кроме МК 8).1 - ARZ, 2 - radar, 3 - ΜΠΑ, 4 - block of primary (temperature, humidity sensors, etc.) and secondary (measuring transducers) transducers ΜΠΑ (БПВП), 5 - block of interface (BS) of analog and digital information, 6 - calculator and generator of packet coordinate-telemetric information (PCTI), 7 - generator and modulator of supervoltage voltage (FMSN), 8 - microcontroller (MK), 9 - auto-bias circuit of a microwave oscillator, 10 - microwave oscillator (microwave-AG) super-regenerative transceiver (SPP), 11 - device preflight training ARZ (SCP), 1 2 - ARZ preflight preparation console (PPP), 13 - ARZ parameters monitoring and recording unit (BKZP), 14 - radar transceiver (PPU), 15 - PKTI decoding unit, 16 - radar coordinate and control unit (BKU), 17 - a block for secondary processing of telemetric information and issuance ΜΠΑ (BVOTI), 18 - a consumer ΜΠΑ, 19 - a control unit for parameters of the operating modes of the ARZ (for example, control of MK 8 using a watchdog timer), 20 - a control unit for the power source of the ARZ. The connections of the control unit 19 with the nodes of the ARZ conditionally not shown (except MK 8).

Схема на чертеже имеет следующие соединения. Метеопараметры атмосферы 3 через блок первичных и вторичных преобразователей 4, затем через вычислитель и формирователь ПКТИ 6, затем через формирователь и модулятор суперирующего напряжения СПП 7 поступает на цепь автосмещения СПП 9 и СВЧ-автогенератор СПП 10, нагруженный на антенну A1 АРЗ 1, устройство предполетной подготовки 11 АРЗ 1 двухсторонней шиной связи соединен с вычислителем и формирователем ПКТИ 6 в МК 8 АРЗ 1, который антенной A1 через радиоканал РК1 связан с антенной А2 РЛС 2 и через нее с приемопередающим устройством 14, которое связано с блоком определения координат и управления 16 и с блоком декодирования ПКТИ 15, один выход которого связан с блоком определения координат и управления 16, а другой выход - с блоком вторичной обработки ТИ и выдачи ΜΠΑ 17, выход последнего связан с блоком 16 и с потребителем ΜΠΑ 18, входы/выходы блок контроля 19 и выходы БП 20 соединены с блоком сопряжения 5 в МК 8.The diagram in the drawing has the following connections. Atmospheric meteorological parameters 3 through the block of primary and secondary converters 4, then through the calculator and shaper PKTI 6, then through the shaper and modulator of the supervoltage voltage SPP 7 it goes to the autosetting circuit SPP 9 and the microwave generator SPP 10 loaded on antenna A1 ARZ 1, the preflight device preparation of 11 ARZ 1 double-sided communication bus connected to the transmitter and former PCTI 6 in MK 8 ARZ 1, which antenna A1 through the radio channel RK1 is connected to antenna A2 of the radar 2 and through it to the transceiver 14, which is connected with a block for determining coordinates and control 16 and a decoding block for PCTI 15, one output of which is connected with a block for determining coordinates and control 16, and the other output is with a block for secondary processing of TI and output ΜΠΑ 17, the output of the latter is connected with block 16 and with a consumer ΜΠΑ 18, the inputs / outputs of the control unit 19 and the outputs of the BP 20 are connected to the interface unit 5 in MK 8.

Радиолокационный режим работы УСР обеспечивает измерение наклонной дальности до радиозонда импульсным методом за счет установки на АРЗ сверхрегенеративного приемопередатчика, обеспечивающего активный ответный сигнал на запросные радиоимпульсы передатчика РЛС в виде короткой ответной паузы в излучении передатчика АРЗ (см. Патент РФ №2368916). Угловые координаты АРЗ по азимуту и углу места определяются методом равносигнальной зоны за счет сканирования диаграммы направленности антенны РЛС. Это позволяет определить направление ветра. Высота подъема АРЗ определяется с помощью измеренной наклонной дальности и угла места пеленга АРЗ. Передача телеметрической информации с борта АРЗ на наземную РЛС осуществляется в пакетном режиме (см. Заявку №2013107294/07 по которой выдано положительное решение). РЛС определяет текущие координаты АРЗ, декодирует пакетную телеметрическую информацию ПТИ, вычисляет ΜΠΑ и осуществляет передачу информации о пространственном распределении ΜΠΑ потребителю ΜΠΑ.The radar mode of operation of the USR provides the measurement of the slant range to the radiosonde using the pulsed method due to the installation of a super-regenerative transceiver on the ARZ, which provides an active response signal to the requested radio pulses of the radar transmitter in the form of a short response pause in the radiation of the ARZ transmitter (see RF Patent No. 2368916). The angular coordinates of the ARZ in azimuth and elevation are determined by the equal-signal area method by scanning the radiation pattern of the radar antenna. This allows you to determine the direction of the wind. The height of the ARZ lift is determined using the measured slant range and elevation angle of the ARZ bearing. Telemetry information is transmitted from the ARZ to the ground-based radar in packet mode (see Application No. 2013107294/07 for which a positive decision was issued). The radar determines the current coordinates of the ARZ, decodes the packet telemetry information of the PTI, calculates ΜΠΑ and transmits information about the spatial distribution ΜΠΑ to the consumer ΜΠΑ.

Блок контроля 19 осуществляет контроль всех основных режимов узлов АРЗ через блок сопряжения 5, в котором сходятся все параметры основных узлов, также контролируется и сам МК 8. При неправильном функционировании какого-либо узла или тем более выхода его из строя выдается тревожный сигнал по РК 1 в наземную РЛС 2 с указанием какой узел вышел из строя, следовательно, по нему можно судить о степени серьезности отказа и о дальнейшем функционировании всей системы.The control unit 19 monitors all the main modes of the ARZ nodes through the interface unit 5, in which all the parameters of the main nodes converge, and the MK 8 itself is also monitored. If a node is malfunctioning or, moreover, if it malfunctions, an alarm signal is generated according to RK 1 to the ground-based radar 2 indicating which unit is out of order, therefore, it can be used to judge the severity of the failure and the further functioning of the entire system.

Claims

An atmospheric sounding radar system containing an aerological radiosonde - ARZ and a ground base station - radar, characterized in that the ARZ includes a control unit for operating parameters and a control unit for power supply parameters with the following connections: the outputs of these units are connected to the interface unit of the ARZ microcontroller, whose output through the output blocks of the ARZ is connected by the ARZ antenna, which is connected via a radio channel to the radar antenna.