Физика атмосферы и гидросферы
Дубовецкий А.З., соискатель Кочин А.В., кандидат технических наук (Центральная аэрологическая обсерватория)
АВТОМАТИЧЕСКИЙ ПОИСК РАДИОЗОНДА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
КОМПЛЕКСОМ МАРЛ-А
В настоящее время для проведения аэрологического радиозондирования атмосферы по России вводятся в эксплуатацию радиолокационные комплексы нового поколения отечественного производства МАРЛ-А. Система разработана для замены устаревшей техники и поэтапного переоснащения аэрологической сети новыми современными средствами радиозондирования. Комплекс представляет собой передовую разработку российских специалистов в области радиолокации и аэрологии, построенную на принципах использования активной фазированной антенной решетки и позволяет проводить радиозондирование атмосферы с высоким разрешением по высоте1. Сопровождение радиозонда производится с момента выпуска с земли до разрыва оболочки. Разрыв оболочки происходит на высотах 25—30 км. Слежение за зондом и измерение угловых координат производится по принципу равносиг-нальной зоны. В случае, когда радиозонд постоянно находится в прямой видимости радиолокатора, проблем не возникает. Но существуют ситуации, когда произвести захват радиозонда с земли не представляется возможным:
1. Место выпуска радиозонда находится не в прямой видимости для радиолокатора. Основная проблема при проведении радиозондирования на таких станциях — это вероятность захвата боковым лепестком или даже потеря радиозонда в начале выпуска.
2. Необходимость проведения выпуска одним оператором или автоматизированное проведение выпуска без присутствия оператора.
Для успешного проведения радиозондирования в таких случаях, на комплексе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А, была реализована возможность автоматического захвата и сопровождения радиозонда с использованием алгоритма автоматического поиска.
Краткое описание системы управления лучом МАРЛ-А
Радиолокатор МАРЛ-А представляет собой радиолокационную систему, состоящую из активной фазированной антенной решетки (АФАР), обеспечивающей электронное управление лучом по азимуту и углу места, и механического привода, обеспечивающего вращение по азимуту. АФАР содержит 64 приемо-передающих модуля и такое же количество сдвоенных дипольных излучателей. Пассивная часть антенны (сумматоры-делители, фазовращатели и излучатели) являются общими для передающей и приемной частей АФАР. Напряжение возбуждения АФАР разветвляется с помощью сумматоров-делителей на 64 канала, в которых напряжения фазируются и поступают через переключатели «прием-передача» в передающие части модулей. В последних осуществляется усиление напряжений до мощности не менее 2 Вт в импульсе и подача импульсов через ключи «прием-передача» на излучатели.
Электронное управление лучом АФАР осуществляется путем формирования нужного фазового распределения поля в раскрыве антенны. Отклонение луча относительно нормали в вертикальной плоскости может составлять -40°^ +70°. Полотно антенны имеет наклон
1 [2], С. 146—149.
в вертикальной плоскости и нормаль к решетке образует угол 30° с горизонтом, таким образом, положение вертикального луча может изменяться в пределах -10°^ +100° относительно горизонта. Отклонение электронного луча в горизонтальной плоскости составляет ±30°. Механическое управление антенной выполняется с помощью электропривода только в горизонтальной плоскости. Сектор механического поворота не ограничен.2
Скорость механического поворота антенны составляет 60° в секунду. Скорость электронного изменения углов соответствует скорости передачи данных с бортового компьютера и равно 19 значениям углов в секунду. Такие параметры изменения углов дают возможность реализации алгоритмов автопоиска.
При реализации алгоритмов автоматического поиска необходимо также учитывать такие особенности фазированных антенных решеток как наличие сравнительно больших по амплитуде боковых лепестков двух видов3. Первый вид — это обычные боковые лепестки. При равных амплитудах токов в излучателях уровень бокового излучения достигает 21% от главного максимума. Второй вид — боковые лепестки, называемые дифракционными максимумами, они возникают в тех направлениях, где разность хода лучей от отдельных излучателей кратна целому числу длин волн. Амплитуда такого бокового лепестка может достигать амплитуды главного максимума.
Для системы управления радиолокатором используется два объединенных между собой компьютера, один расположен на самом радиолокаторе и выполняет задачи управления лучом и получения информации об уровне сигнала, пеленгационных ошибках и механическом положении антенны по азимуту, второй, на рабочем месте оператора, производит обработку полученных результатов. Таким образом, задачу построения алгоритмов автоматического поиска радиозонда можно разделить на две части: управляя лучом на бортовом компьютере получить данные о текущем положении радиозонда и путем математической обработки восстановить траекторию полета.
Бортовой компьютер радиолокатора МАРЛ-А реализован на базе промышленного контроллера фирмы «Octagon» и обеспечивает работу в диапазоне температур необходимых для проведения аэрологического радиозондирования. Но процессор контроллера имеет недостаточное быстродействие, соответственно недостатками такой реализации компьютера являются его невысокая производительность и небольшая скорость передачи данных на основной компьютер. Эти недостатки усложняют создание эффективных алгоритмов автоматического поиска.
Особенности проведения автоматического поиска радиозонда
В отсутствии помех, при условиях, что радиозонд постоянно находится в прямой видимости радиолокатора, проведение автопоиска в момент выпуска не имеет смысла и не представляет интереса. Основные проблемы возникают, когда радиолокатор в момент выпуска не видит радиозонд и при этом еще возможны дополнительные радиопомехи с различных направлений. Такие ситуации возможны при проведении аэрологических выпусков со станций, находящихся при крупных населенных пунктах. На таких станциях, как правило, присутствуют помехи от базовых станций сотовых операторов, а площадка для выпуска радиозонда находится на расстоянии около 200 м и закрыта строениями. Рассмотрим ситуации, которые могут возникнуть при проведении автопоиска. Будем считать, что команда к началу автопоиска может быть дана оператором только с клавиатуры управляющего компьютера. Тогда возможны три варианта начала проведения автопоиска. Первый и наиболее оптимальный вариант — это включение автопоиска в момент пуска радиозонда. Тогда, за исключением, может быть,
2 [3], С. 5—8.
3 [1], С. 75—76.
первой точки, все точки являются однозначными отсчетами положений радиозонда. Второй вариант — это включение автопоиска после пуска радиозонда. Все измеренные значения также действительны, но часть значений утеряна, что вызовет необходимость аппроксимации начального участка траектории. Третий вариант — это включение автопоиска до выпуска радиозонда. Это наиболее сложный вариант, так как зонд проверяют, затем выносят на место пуска, привязывают к оболочке и только после этого выпускают в полет. Во время подготовительных работ радиозонд может находиться в помещении или за нерадиопрозрачным препятствием (дверь газогенераторной станции, например) и радиолокатор будет фиксировать сигнал, отраженный от местных предметов. Положение радиозонда при этом может не изменяться, а углы, измеренные радиолокатором, меняться весьма значительно.
Такое разнообразие условий, в которых может происходить при запуске радиозонда, приводит к необходимости моделирования траектории полета радиозонда в реальном масштабе времени.
Рассмотрим способы определения положения радиозонда в пространстве при реализации алгоритмов автоматического поиска.
Определение положения радиозонда в пространстве при проведении автопоиска
Определение положения радиозонда в пространстве производится с использованием механического вращения антенны по азимуту и одновременном сканированием угла места электронным лучом.
Рассмотрим два реализованных в комплексе МАРЛ-А алгоритма.
Особенность первого алгоритма в том, что вероятное положение радиозонда, для каждого полного оборота антенны по азимуту, определяется на бортовом компьютере радиолокатора.
Для поиска используется узкая диаграмма направленности, ширина по азимуту составляет 12°, а по углу места 10°. Антенна сканирует пространство с разрешением 5° по углу места и 6° по азимуту. Сектор сканирования по углу места составляет 85°, а по азимуту не ограничен. Таким образом, скорость получения данных за оборот антенны составляет 1020 измерений или с учетом скорости вращения равной 60° в секунду — 170 измерений в секунду. Но передача каждого измеренного значения уровня сигнала, при заданных углах для диаграммы направленности, не может быть реализована из-за низкой скорости передачи данных на нижний компьютер. Поэтому алгоритм автопоиска был реализован на бортовом компьютере и заключается в следующем:
• По предварительно рассчитанным фазовым распределениям для узкого луча, на ряд от -5° до 80° по углу места, в бортовой компьютер записывается таблица значений;
• Включается механическое вращение антенной по азимуту;
• Для каждого табличного значения выставленного угла, в процессе вращения, измеряется уровень сигнала. При таком способе управления, движение луча происходит по пилообразной траектории. Разница между выставленными значениями по углу места составляет 5° а по азимуту 6°. Так как ширина диаграммы направленности по азимуту составляет 12°, а по углу места 10°, то этого вполне достаточно для того, чтобы найти максимум уровня сигнала.
• На каждом обороте находится максимум измеренного уровня сигнала. Это значение и углы, на которых оно измерено, передаются на компьютер обработки. Передача пакета данных происходит 1 раз за оборот.
• Автопоиск продолжается до тех пор, пока максимум уровня сигнала, измеренный за три оборота подряд, не будет находиться в пределах разницы обоих углов равной ±3°.
Алгоритм показал хорошие результаты при отсутствии по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.