Страницы 1 2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЛОКАТОРАХ
1.1 НАЗНАЧЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ МАРЛ-А
1.2 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ МАРЛ-А
1.3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ПРИНЦЫП ДЕЙСТВИЯ МАРЛ-А
1.4 ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ РЛС
1.5 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ АРВК ВЕКТОР-М
1.6 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕКТОР-М
1.7 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АРВК ВЕКТОР-М , СОСТАВ И СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ.
2 СРАВНЕНИЕ ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ КОМПЛЕКСОВ МАРЛ-А И ВЕКТОР-М
2.1 ТИП АНТЕННЫ КОМПЛЕКСА ВЕКТОР-М
2.2 ТИП АНТЕННЫ КОМПЛЕКСА МАРЛ-А
2.3 СКАНИРОВАНИЕ ПО АЗИМУТУ , ПО УГЛУ МЕСТА.
2.4 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АРВК ВЕКТОР-М и МАРЛ-А.
2.5 МОДЕРНИЗАНИЯ ПРОГРАМНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАРЛ-А
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время информация о состоянии атмосферы широко используется как при составлении прогнозов погоды, так и при решении многих экономических задач. Множество систем и методов исследования атмосферы, а также сложности, связанные с разнообразием технических средств получения метеорологической информации, требуют тщательного изучения.
Основной фактический материал для своих исследований метеорология получает путем наблюдений в природных условиях. Существенная особенность метеорологических явлений — их пространственно-временная изменчивость. Это вызывает необходимость такой организации наблюдений, которая позволит своевременно отметить возникновение явления и проследить за ходом его развития. Эта непрерывность наблюдений во времени и пространстве достигается путем организации сети наблюдательных пунктов, в которых регулярно проводятся наблюдения по единой общей программе с помощью однотипных приборов.
Метеорологические наблюдения — это измерения и качественные оценки метеорологических величин: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, ветра, облачности, осадков, туманов, метелей, гроз, видимости, а также некоторых величин, непосредственно не отражающих свойств атмосферы или атмосферных процессов, но тесно связанных с ними. Таковы температура почвы или поверхностного слоя воды, испарение, высота и состояние снежного покрова, продолжительность солнечного сияния. На некоторых метеостанциях ведутся наблюдения над солнечным, земным излучением и атмосферным электричеством. Метеорологические наблюдения за состоянием атмосферы до высот около 40 км называются аэрологическими. Полные и точные наблюдения ведутся в метеорологических и аэрологических обсерваториях, имеющихся во всех странах мира. Число таких обсерваторий невелико. Кроме того, даже самые точные наблюдения в немногочисленных пунктах не могут дать исчерпывающего представления о жизни атмосферы, поскольку атмосферные процессы в разной географической обстановке протекают по-разному. Поэтому кроме метеорологических обсерваторий, наблюдения над основными метеорологическими величинами ведутся на метеорологических и аэрологических станциях по всему Земному шару.
Актуальность данной темы заключается в том, что радиолокаторы являются важным и уникальным средством для метеорологических наблюдений, а также для составления точных краткосрочных прогнозов погоды и для штормоповещения, которые так необходимы для авиации, а также для других потребителей радиолокационной метеорологической информации. В случае выхода из строя метеорологического радиолокатора, радиолокационное поле не будет активно, метеорологическая информация не будет собираться, а, следовательно, потребители не будут обеспеченны радиолокационной информацией, что может привести к серьёзным последствиям.
Объектом исследования в данной дипломной работе являются радиолокационные комплексы МАРЛ-А и ВЕКТОР-М.
Предметом исследования является технические характеристики радиолокационных комплексов МАРЛ-А и ВЕКТОР-М.
Целью работы является сравнительная характеристика элементной базы и отличие между радиолокационными комплексами МАРЛ-А и ВЕКТОР-М.
Задачами данной работы являются:
Изучение литературы по теме дипломной работы.
Изучение структурной схемы и принципа действия МАРЛ-А и ВЕКТОР-М.
Сравнение по техническим характеристикам радиолокационных комплексов МАРЛ-А и ВЕКТОР-М.
Модернизация программного обеспечения МАРЛ-А
— Обобщение результатов исследования.
Дипломная работа содержит введение, 2 главы, заключение, список источников, приложение.
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЛОКАТОРЕ МАРЛ-А
1.1 Назначение радиолокационной станции МАРЛ-А
Микроэлектронный аэрологический радиолокатор (МАРЛ-А) предназначен для выполнения совместно с радиозондом комплексного зондирования атмосферы. Выпускаемый в свободный полет радиозонд измеряет в точке пролета температуру и влажность атмосферы и по каналу радиосвязи передает эти параметры на радиолокационную станцию слежения МАРЛ-А. Станция МАРЛ-А производит автоматический поиск и сопровождение зонда в полете с выдачей его текущих координат, прием и обработку метеорологической информации.
МАРЛ-А отличается принципиально новым подходом к конструированию подобных радиолокационных станций (РЛС). Это выражается в построении МАРЛ-А в виде одноблочной конструкции с максимальным упрощением механических и сборочных работ и исключением из производственного цикла работ по изготовлению точной механики для системы сопровождения радиозонда. Использование современных микроэлектронных и цифровых технологий, характерных для военной электроники, и тщательно продуманные конструктивные решения позволили создать полностью автоматизированную систему радиозондирования, не требующую технического обслуживания высококвалифицированным персоналом.
С помощью МАРЛ-А осуществляются также предполетная проверка радиозонда с представлением результатов на мониторе ЭВМ оператора.
1.2. Технические данные МАРЛ-А
Дальность автоматического сопровождения зонда: от 100 м до 200 км; высота комплексного зондирования до 40 км.
В качестве антенны используется активная фазированная антенная решетка (АФАР) .
Пределы поворота диаграммы направленности антенны (ДН):
— в горизонтальной плоскости ±360° (механический поворот) и электронное сканирование в секторе ±25°;
— в вертикальной плоскости электронное сканирование в секторе -10°¸100°.
Максимальная скорость механического поворота АФАР 60 град/с.
Ширина ДН АФАР:
— в горизонтальной плоскости не более 9°,
— в вертикальной плоскости не более 6°.
Мощность передающей части АФАР в импульсе 115 Вт, длительность импульса 0,5 мкс в ближней зоне и 1¸1,1 мкс в дальней зоне.
Коэффициент шума приемной части АФАР (вместе с последующим приемным трактом) 3,7 дБ (2,35 раза).
Среднеквадратические значения ошибок измерения координат зонда:
— дальности не более 30 м;
— по угловым координатам не более 0,1°.
Абсолютная погрешность измерения телеметрической информации (погрешность измерения периода частотной манипуляции сигнала зонда) не более 1 мкс.
МАРЛ-А обеспечивает сопровождение радиозонда при следующих условиях:
— скорости подъема зонда до 12 м/с;
— скорости падения зонда до 125 м/с.
— скорости горизонтального перемещения зонда у земной поверхности до 35 м/с и на высотах более 10 км – до 150 м/с.
Система индикации и управления радиолокатором включает в себя персональный компьютер (ПК) оператора (информация о режимах работы, координатах зонда, исправности аппаратуры). Предусмотрен режим функционального контроля радиолокатора с использованием имитатора радиозонда.
Электропитание МАРЛ-А: сеть 220 В, 50 Гц (потребляемая мощность в среднем не более 150 Вт, пиковая нагрузка до 500 Вт). Аварийное питание – от стандартного источника бесперебойного питания мощностью 600 Вт (UPS-600).
1.3. Структурная схема и принцип действия МАРЛ-А
Система зондирования атмосферы состоит из радиолокатора МАРЛ-А и радиозонда МРЗ-3, привязанного к наполненному водородом шару (находящемуся в свободном полете). Зонд излучает импульсно модулированный сигнал. Несущая частота 1672 МГц£ fЗ£ 1688 МГц, длительность импульса примерно равна 0,6 мкс, среднее значение периода следования импульсов составляет Тсл.з »1,25 мкс (среднее значение частоты следования импульсов fсл.ср» 800 кГц). Принимая сигнал радиозонда моноимпульсной антенной, можно измерять его текущие угловые координаты. Для измерения дальности зонда в состав МАРЛ-А включен передатчик запросного сигнала. Когда запросный импульс достигает зонда, в сигнале последнего возникает пауза длительностью Тсл.з, т.е. пропускается один импульс. Определяя задержку этой паузы tз относительно импульса передатчика РЛС, можно получить текущую дальность зонда R
,
где С – скорость распространения радиоволн.
Информация о температуре и влажности атмосферы в месте, где находится зонд, передается с использованием манипуляции частоты следования импульсов зонда fсл.з. Частота fсл.з поочередно принимает два значения fсл.1 и fсл.2 (рис.1). В величине периода манипуляции Т поочередно кодируются значения температуры и влажности воздуха. Демодуляция сигнала зонда в РЛС позволяет определить значения Т и Т1, которые в виде чисел поступают в ПК оператора, где производится расчет метеопараметров атмосферы.
Рис.1. Закон манипуляции частоты следования импульсов зонда
Отметим еще одну функцию радиолокатора. Поскольку возможные отклонения несущей частоты сигнала зонда от номинала (±8 МГц) выходят далеко за пределы полосы пропускания приемника РЛС, последний автоматически настраивается на частоту принимаемого сигнала. Одновременно подстраивается и несущая частота сигнала передатчика РЛС, с тем, чтобы она не отличалась заметно от частоты сигнала зонда.
Структурная схема радиолокационной станции представлена на рис.2. Поясним назначение отдельных частей. В формирователе частот (ФЧ) генерируется напряжение первого гетеродина приемника (несущая частота fг1 = 1480 МГц + d, где d — отклонение частоты сигнала зонда от номинала 1680 МГц) и импульсы с частотой передатчика (несущая частота fп = 1680 МГц + d).
Рис.2. Структурная схема МАРЛ-А
Блок ФЧ также содержит входную часть приемного тракта, состоящую из малошумящего усилителя (МШУ) и смесителя. На вход МШУ поступает принятый сигнал зонда из АФАР, а выходное напряжение смесителя на промежуточной частоте 200 МГц подается в приемное устройство.
Сформированный СВЧ импульс из блока ФЧ подается в АФАР, где этот импульс усиливается и через циркулятор подается в модули АФАР.
Активная фазированная антенная решетка 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. Управление лучом АФАР в вертикальной плоскости осуществляется путем формирования нужного фазового распределения поля в раскрыве антенны. Нормаль к решетке образует угол 30° с горизонтом. Отклонение луча от нормали в вертикальной плоскости может составлять (-40°¸ +70°), т.е. (-10°¸ +100°) относительно горизонта.
Управление лучом АФАР в горизонтальной плоскости выполняется двояко: электронное управление путем регулировки фазового распределения поля в раскрыве и механическое управление с помощью электропривода. Сектор электронного сканирования составляет не менее ±25°; сектор механического поворота ±210°.
При измерении азимута зонда необходимо учитывать угол механического поворота АФАР — bмех. Информация об этой величине вводится в ПЭВМ с датчика «угол-код», имеющегося в механическом приводе.
Управление фазовым распределением в АФАР осуществляется с помощью 4-разрядных дискретных фазовращателей. Управляемыми элементами фазовращателей являются pin-диоды.
Принятые вибраторами АФАР сигналы зонда проходят через открытые ключи защиты в приемных частях модулей, усиливаются в малошумящих усилителях (МШУ), фазируются и поступают на устройство суммирования. На выходе последнего образуются 4 сигнала, соответствующие четырем подрешеткам АФАР (рис.3).
Измерение угловых координат выполняется методом квадрантного сканирования. При этом ДН АФАР периодически занимает одно из четырех положений: луч отклоняется на половину ширины ДН вверх, влево, вниз, вправо и т.д. Указанные ДН пересекаются вдоль равносигнальной линии (РСЛ). Смещение зонда с РСЛ приводит к амплитудной модуляции принятого сигнала с частотой сканирования. Глубина модуляции пропорциональна текущей угловой ошибке, а фаза модуляции соответствует направлению смещения зонда с РСЛ.
Квадрантное сканирование осуществляется путем фазовой манипуляции четырех выходных напряжений АФАР по законам, представленным на рис.3.
Рис.3. Измерение угловых координат радиозонда с использованием квадрантного сканирования
а) Функциональная схема
б)Управляющие напряжения фазовращателей
в) Опорные напряжения фазовых детекторов
Фазовые сдвиги реализуются с помощью фазовращателей 0, p/2, управляемых двоичными числами. Управляющему числу ui=0 соответствует сдвиг фазы ji=0; если ui=1, ji=p/2. Из этих управляющих чисел формируются опорные напряжения (рис.3), поступающие на два фазовых детектора. На другие входы фазовых детекторов подается огибающая принятого сигнала с выхода приемника (на частоте сканирования) (рис.3), полученная путем амплитудного детектирования сигнала. На выходах фазовых детекторов получаются напряжения, пропорциональные угловым ошибкам в двух ортогональных плоскостях. Напряжения оцифровываются и поступают в микро-ЭВМ, где корректируются числа, управляющие фазовращателями АФАР таким образом, чтобы перемещением равносигнальной линии ликвидировать угловые ошибки. При этом в микро-ЭВМ вырабатываются числа, соответствующие текущим угловым координатам зонда b и e.
Для исключения потерь (3 дБ) в моменты излучения зондирующего сигнала и приема ответной реакции зонда квадрантное сканирование выключается путем обнуления фазовращателей, представленных на рис.3.
В приемом устройстве радиолокатора супергетеродинного типа используется промежуточная частота 200 МГц и линейно-логарифмическим УПЧ. На выходах приемного устройства формируются два напряжения:
— огибающая напряжения на частоте 800 кГц,
— огибающая напряжения на частоте квадрантного сканирования.
Первое напряжение (импульсы с частотой 800 кГц) поступает в дальномер и устройство выделения телеметрической информации находящиеся в ПЭВМ оператора.
Напряжение на частоте 800 кГц поступает также на устройство первичной обработки телеметрической информации, которая периодически передается в следующем порядке: опорный канал – температура – влажность – температура – опорный канал и т.д.
Задачи первичной обработки:
— выделить канальные интервалы;
— измерить периоды частотной манипуляции, несущие информацию о температуре и влажности;
— измерить длительности интервалов с максимальной частотой следования импульсов для опознавания опорного канала (рис.1).
Сигнал зонда «800 кГц», продетектированный в приемнике, фильтруется на входе устройства цифровой обработки (УЦО). Полоса фильтра — 100 кГц. Компаратор преобразует сигнал в цифровой. Низкочастотный сигнал, соответствующий закону частотной манипуляции частоты «800 кГц», выделяется схемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Генератор управляющего напряжения (ГУН) УЦО подстраивается по сигналу зонда «800 кГц» напряжением с выхода фазового детектора. Напряжение на выходе фазового детектора, отфильтрованное ФНЧ, — это низкочастотная огибающая частотной манипуляции сигнала зонда подается на ПЭВМ в канал измерения телеметрии .
Второе напряжение на частоте сканирования поступает на два фазовых детектора, на выходах которых образуются напряжения рассогласования (напряжения, пропорциональные текущим угловым ошибкам).
Обработка сигналов телеметрии и дальности в ПЭВМ МАРЛ
В существующих системах радиозондирования для обработки сигналов телеметрии зонда используются алгоритмы оценки периода, основанные на подсчете количества счетных импульсов образцового генератора за период с последующим осреднением полученных значений за большой интервал времени. Данный алгоритм достаточно просто реализуется, но имеет множество недостатков. Среди самых существенных недостатков – низкая устойчивость к импульсным помехам, невозможность прямой оценки качества сигнала по результатам его обработки и принципиальная временная дискретность. В программном обеспечении МАЛР для обработки сигналов телеметрии зонда используется модифицированный метод автокорреляционного анализа импульсного сигнала. Метод позволил сделать процесс обработки непрерывным, повысить суммарную помехоустойчивость телеметрического канала на 8-10 дБ, проводить прямую оценку уровня и качества сигнала. При разработке метода были решены проблемы ускоренного расчета автокорреляционной функции сигнала и ее параметров путем использованием априорных данных о ее виде. Используемый метод позволил снизить на порядок общие ресурсные затраты в вычислительной системе по сравнению с прямым расчетом автокорреляции.
Основной задачей решаемой при обработке телеметрических сигналов радиозонда является задача оценки его периода. Сигналы телеметрии, поступающие с зонда, представляет собой бинарную последовательность импульсов приблизительно равной длительности, следующих с определенной частотой. В идеальном случае, импульсы можно принять как единичный уровень, промежутки между ними как нулевой (Рис.4)
Рис.4
В реальных условиях приема в сигнале присутствует шум, который вызывает дополнительные единичные переходы в бинарной сигнальной последовательности.
В описанных выше условиях оценка периода между импульсами должна быть максимально стабильной и достоверной. В дополнение для некоторых приложений (например, в зондах МРЗ-3) необходимо оценивать и длительность самих импульсов.
Алгоритм, решающий поставленные задачи основан на анализе автокорреляционной функции поступающего на вход сигнала. Сама функция рассчитывается по формуле;
.
Для нашего случая дискретной выборки;
,
здесь число характеризует временное окно, сигнал в котором влияет на формирование коррелограммы. Для исключения краевых эффектов окно должно быть в несколько раз больше чем максимально измеряемый период.
Рис.5
В идеальных условиях (при отсутствии шума) коррелограмма имеет следующий вид (Рис.5).
На рисунке длительность импульсов обозначена через t а период между импульсами через T. По вертикали отложена мощность, по горизонтали аргумент функции автокорреляции.
Из рисунка видно , что зная вид автокорреляционной функции , можно оценить период следования импульсов и их длительность.
Вычисление автокорреляционной функции по формуле (1) требует для расчета коррелограммы из n элементов умножений и сложений. При больших разбросах значений периодов, подлежащих измерению, это число может быть весьма заметным. Так, при разбросе периодов от 2 мс. до 50 мс., и при периоде выборки в 0.050 мс. необходимая длина коррелограммы (параметр n) составляет более 1000 элементов. А параметр a, который определяет длину во времени анализируемого сигнала, нужно взять еще в несколько раз больше. Таким образом, количество операций исчисляется миллионами, что даже для современных вычислительных средств является солидной цифрой, особенно если учесть необходимость анализа в реальном масштабе времени.
Предлагаемый алгоритм позволяет значительно сократить требуемое количество операций за счет отбрасывания ненужных частей коррелограммы, таких как промежуток между нулевым и первым пиком, а также вся коррелограмма после первого пика.
Первым шагом алгоритма является необходимость оценки мощности полезного сигнала P и длительности импульсов . Для этого рассчитываются первые несколько значений функции автокорреляции за исключением нулевого. Значение функции автокорреляции при нулевом аргументе наиболее сильно подвержено влиянию шумов, поэтому оно отбрасывается. Полученные значения приближаются линейной функцией по методу наименьших квадратов. Полученная приближающая функция принимается за фронт спада нулевого пика ( Рис .5). По её пересечению с горизонтальной осью оценивается длительность импульса, а по пересечению с вертикальной осью оценивается значение мощности полезного сигнала.
Во втором шаге оценивается период следования импульсов. Имея мощность P и длительность импульса можно оценить сверху и снизу значение периода. Если имеется последовательность единичных импульсов, то период можно оценить как:
, (2)
где — период выборки сигнала. В формуле ( 2) есть число импульсов. Действительно, очевидно можно заметить ,что есть мощность одного импульса.
Таким образом, теперь мы имеем область, где имеет смысл искать первый пик. В этой области ищется значение функции автокорреляции сравнимое с . Вокруг найденного значения в окрестности радиуса порядка вычисляется центр тяжести фигуры, описываемой автокорреляционной функцией. Центр тяжести вычисляется по стандартной формуле:
.
Значение периода принимается равным положению центра тяжести.
Необходимо отметить, что оценки параметров используемых в алгоритме становится точнее при уменьшении периода выборки , что соответствует увеличению детализации коррелограммы.
Технологически ввод сигналов телеметрии (напряжение с ФНЧ ФАПЧ 800 кГц. на плате предварительной обработки) производится через один из цифровых входов специализированной платы цифрового ввода CAO-02, установленной в ПЭВМ поста оператора МАРЛ-А.
Канал дальности в системе МАРЛ реализован в цифровом виде с использованием ЦСП (Цифрового Сигнального Процессора). На вход 12-ти разрядного АЦП с частотой выборки 3 МГц ,связанного с ЦСП, поступает сигнал зонда на промежуточной частоте 800 кГц, предварительно прошедший через аналоговый ФНЧ Батерворта второго порядка с частотой среза 450 кГц. Такой фильтрацией достигается ослабление несущественных частот выше 800 кГц, уменьшение эффектов случайной временной синхронизации несущей 800 кГц. и частоты выборки АЦП, подавление частот выше частоты Найквиста. Далее сигнал оцифровывается и поступает в цифровой интегратор, реализованный программно в ЦСП, где накапливается для дальнейшей обработки. Накопление необработанного сигнала производится с целью уменьшения количества операций в основной программе ЦСП т.к. алгоритмы обработки линейны и допускает такую перестановку операций.
В основе выделения ответной паузы зонда лежат два типа корреляционных обнаружителей, используемых соответственно, когда зонд находится в ближней и дальней зоне. В ближней зоне в качестве обнаруживающей функции используется свёртка сигнала с специально подобранным прототипом обнаруживаемого сигнала, который позволяет ослабить влияние местных предметов на определение положения зонда (оптимальный некогерентный обнаружитель). В дальней зоне в качестве обнаружителя используется вайвлет (всплеск) Морле, позволяющий выделять слабую паузу на фоне остатков несущей частоты 800 кГц. и помех.
Обнаружение паузы производится в регулируемом окне дальности от 40 м до 10 км, центр которого позиционируется исходя из инерциального линейного предсказания значения удаления зонда. После получения значения дальности производятся дополнительные проверки достоверности ее значения и прогноз положения центра окна.
Реализованная схема работы канала дальности позволяет, как увеличить чувствительность системы и качество работы при небольших значениях мощности запросного сигнала передатчика МАРЛ, так и позволяет контролировать достоверность и устойчивость получаемых оценок дальности на больших удалениях зонда от станции.
1.4. Дальность действия РЛС
Дальность действия радиолокационной станции определяется максимальным расстоянием между радиолокатором и объектом (целью), который должна обнаружить РЛС.
Обнаружением называется процесс принятия решения о наличии или отсутствии радиолокационных сигналов в условиях помех. При обнаружении могут возникать следующие ситуации: при условии, что сигнал фактически есть, решение о наличии сигнала – правильное обнаружение, а решение об отсутствии сигнала – пропуск объекта или цели.
Если сигнала фактически нет, то решение, что сигнал отсутствует, – правильное необнаружение, а решение о наличии сигнала – ложная тревога. Значит, пропуск сигнала и ложная тревога – ошибочные решения при обнаружении. Результаты обнаружения радиолокационных сигналов в условиях помех носят вероятностный характер. Поэтому возможность возникновения тех или иных ситуаций характеризуют вероятностями правильных и ошибочных решений. В соответствии с этим различают вероятности: правильного обнаружения, правильного необнаружения, пропуска сигнала (цели), ложной тревоги.
Дальность действия по каналу запроса зонда.
Плотность потока мощности зондирующего сигнала на расстоянии R от РЛС равна
,
где Рп – мощность передающей АФАР, Gп – коэффициент усиления АФАР.
Мощность передатчика РЛС равна
,
где N – число модулей, p1 – мощность одного модуля.
Коэффициент усиления , где g1 – коэффициент усиления сдвоенного излучателя.
В АФАР радиолокатора МАРЛ-А N = 64, p1 = 1,8 Вт, g1 = 8 (в максимуме). Следовательно, Рп = 64× 1,8 = 115,2 Вт; Gп max = 64×8 = 512. Таким образом,
Практика показывает, что в подавляющем большинстве случаев зонд формирует ответную реакцию при П1³ 10-7 Вт/м. Следовательно, км.
В худшем случае, когда зонд падает на земную поверхность, величина g1 уменьшается примерно на 30%, и ответная реакция зонда существует на дальности до 177 км. Это можно считать вполне допустимым, поскольку точки падения большей части выпускаемых зондов значительно не достигают 200 км.
Дальность действия по каналу приема сигнала зонда.
В соответствии с ТУ на зонд МРЗ плотность потока мощности его передатчика на расстоянии 2 м не менее 1,5×10-3 Вт/м2. Следовательно, плотность потока мощности на расстоянии 200 км составит
Вт/м2.
Эффективный раскрыв АФАР
м2.
Потери обработки сигнала в приемнике и последующих устройствах можно принять равными 5 дБ, т.е. коэффициент потерь h »0,3. Следовательно, принятый сигнал зонда на расстоянии 200 км составит
Вт.
Определим мощность шума приемника в полосе 2×106 Гц, приведенную к его входу. Рассчитанное значение коэффициента шума приемника (с учетом входных цепей, МШУ в модулях АФАР и последующих устройств) примерно равно 3,7 дБ, т.е. 2,35 в относительных единицах. Мощность шума
Отношение сигнал/шум на дальности 200 км равно
дБ,
что, как показывает практика, вполне достаточно для устойчивого сопровождения зонда по угловым координатам, дальности и частоте.
1.5.Основные сведения, назначение и состав АРВК ВЕКТОР-М
Аэрологический радиолокационный вычислительный комплекс (АРВК) «ВЕКТОР-М» предназначен для проведения температурно-ветрового зондирования атмосферы путем выпуска и сопровождения радиозонда в режиме свободного полета. Изделие обеспечивает предполетную проверку радиозонда, автоматическое сопровождение радиозонда в полете, прием и обработку координатно-телеметрической информации, формирование и передачу аэрологической телеграммы по каналам связи к потребителю информации.
АРВК «ВЕКТОР-М» относится к классу цифровых систем радиозондирования атмосферы с автоматической обработкой данных. Уровень автоматизации системы позволяет осуществлять:
-автоматический контроль функционирования системы,
обеспечивающий автоматическую проверку характеристик антенной системы и следящего привода;
дистанционное управление системой одним оператором (рабочее место оператора на основе ПЭВМ);
автоматическую обработку вторичной метеоинформации и выдачу по каналам связи метеобюллетеней, а также сохранение аэрологических данныхи метеотелеграмм в архиве для дальнейшего анализа.
рис.6
1.6 Технические характеристики и принцип работы ВЕКТОР-М
Комплекс работает в двух режимах приемной системы:
– в режиме ближней зоны в пределах наклонной дальности от 50м до 1км;
– в режиме дальней зоны в пределах наклонной дальности от 1 км до 250
км и до высоты 40км.
Вектор –М обеспечивает автосопровождение радиозондов со случайными среднеквадратичными погрешностями измерения координат:
а) в режиме ближней зоны:
– по дальности не более 30м;
– по угловым координатам (азимуту и углу места) не более 0,8°;
б) в режиме дальней зоны:
– по дальности не более 30 м;
– по угловым координатам (азимуту и углу места) не более 0,12°.
Систематические составляющие погрешности не должны превышать по дальности 20
м, по азимуту и углу места 0,12°.
Комплекс при автосопровождении радиозондов обеспечивает
прием, преобразование и выдачу телеметрической информации, передаваемой радиозондом:
а)о температуре воздуха в пределах от плюс 50°С до минус 90°С со
среднеквадратической погрешностью не более 0,1°;
б)об относительной влажности в пределах от 0% до 100% со среднеквадратичной погрешностью не более 1% (при положительной температуре).
Комплекс при автосопровождении радиозондов обеспечивает
вычисление:
а)атмосферного давления в пределах от 1110,0гПа до 2,0гПа со
среднеквадратичной погрешностью не более 2,0гПа
б) направления действительного и среднего ветра в пределах от 0°
до 360° со среднеквадратичной погрешностью не более 1,5°;
в) скорости действительного и среднего ветра в пределах от 0м/с до100
м/с со среднеквадратичной погрешностью не более 0,7м/с.
Комплекс обеспечивает:
а) автоматический контроль функционирования аппаратуры;
б) предполетную проверку радиозонда;
в) выдачу координатно-телеметрической информации о метеорологических параметрах (температуре, влажности, давлении, скорости и направлении ветра) на стандартных высотах, изобарических поверхностях, уровнях
особых точек в виде стандартных телеграмм и таблиц (КН-04, ТАЭ-3, СЛОЙ,
ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ);
г) сохранение данных об относительных координатах радиозонда и
параметрах телеметрической информации, привязанных к полетному времени, а также протокола работы в виде архивных файлов на жестком магнитном диске управляющей ПЭВМ;
д) отображение на экране монитора ПЭВМ координатно-телеметрической информации в цифровой и графической форме;
е) поиск и захват сигнала радиозонда в ручном и автоматическом
режиме работы по всем координатам, автоматическую (полуавтоматическую)
настройку на частоту излучения радиозонда в диапазоне частот (1680±10)МГц.
Система управления антенной обеспечивает автоматический захват радиозонда по угловым координатам при величине рассогласования до 3°, при этом антенна совершает не более 3-х полных колебаний.
1.7 Структурная схема АРВК ВЕКТОР-М, состав и связь между элементами.
Антенный пост
В состав антенного поста входят:
–антенная колонка с азимутальным приводом, обеспечивающим поворот антенны в пределах ±360° от нулевого (центрального) положения;
– угломестный привод и опора, обеспечивающие поворот антенны в пределах от минус10°
до +190° от нулевого (горизонтального) положения;
– приемо-передающая антенна
Корпуса азимутального и угломестного привода и опоры выполнены в виде трубы из алюминиевого сплава и соединены друг с другом в виде
буквы «Т». К выходному валу угломестного привода и опоры с помощью
кронштейнов крепится антенна.
Антенный пост имеет цилиндрическое основание и три регулируемые опоры, позволяющие устанавливать ось азимутального привода в вертикальное положение с точностью ±1 ́ по уровню.
Вращение азимутального и угломестного привода обеспечивается с
помощью шагового двигателя и волновой зубчатой передачи с передаточным
отношением 1:100.
Внутри корпуса азимутального привода расположен электромеханический ограничитель движения, допускающий поворот выходного вала в пределах ±360°. Концевые выключатели азимутального привода выполнены
на магнитоуправляемых микросхемах.
Для ограничения угла поворота антенны по углу места применены
резиновые упоры. Концевые выключатели угломестного привода выполнены
также с использованием магнитоуправляемых микросхем.
Для определения углов поворота антенны по азимуту и углу места
применены вращающиеся трансформаторы (ВТ), позволяющие определять
положение антенны с точностью до 0,03°. Один ВТ расположен в азимутальном приводе, другой в опоре по углу места.
Антенная система
Антенная система АРВК «Вектор-М» состоит из двух независимых
антенн, размещённых на общем основании: антенны с широкой диаграммой
направленности, обеспечивающей режим работы комплекса «ближняя зона»,
и антенны с узкой диаграммой направленности, обеспечивающей режим работы «дальняя зона».
Приемо-передающий тракт
Приемо-передающий тракт предназначен:
1)
для формирования в блоках СВЧ АГ, блок УМ мощного запросного радиоимпульса несущей частоты 1680 МГц подсистемы измерения наклонной дальности до зонда;
2) для усиления, селекции, преобразования по частотам, детектирования принятого радиосигнала, передаваемого зондом;
3) для формирования сигналов сканирования диаграммы направленности антенной системы ближнего и дальнего каналов;
В состав блока приемопередатчика блока ПРД входят:
1) блок фазового коммутатора дальнего канала ФК ДК;
2) блок фазового коммутатора ближнего канала ФК БК;
3) блок сверхвысокочастотного автогенератора СВЧ-АГ;
4) блок малошумящего усилителя ближнего и дальнего каналов
МШУ;
5) блок усилителя СВЧ-мощности – блок УМ.
Также в состав приемопередающего тракта входят следующие модули:
— модуль преобразователя частоты в блоке обработки и управления
БОУ– МПЧ;
— модуль усилителя промежуточной частоты в блоке обработки и
управления БОУ – МУПЧ;
— модуль синхронизации в блоке обработки и управления БОУ –
МСНХ.
Все блоки ФК ДК, ФК БК, СВЧ-АГ, блок УМ, МШУ выполнены в
виде отдельных законченных узлов. Конструктивно размещены на общем
шасси, расположенном внутри корпуса антенной решетки. Модули МПЧ,
МУПЧ, МСНХ размещены в блоке обработки и управления БОУ в виде модулей 0-го уровня, соединенных разъемами с объединительной платой.
Блок фазового коммутатора дальнего канала –ФК ДК предназначен для деления мощности излучаемого запросного сигнала от блоков СВЧ-АГ и блока УМ на четыре канала питания антенной решетки и сканирования диаграммой направленности антенной системы дальнего канала приприеме сигнала радиозонда с целью определения равносигнальной зоны приема.
Блок фазового коммутатора ближнего канала ФК БК предназначен для сканирования диаграммой направленности антенной системы
ближнего канала при приеме сигнала радиозонда с целью определения равно
сигнальной зоны приема.
Блок сверхвысокочастотного автогенератора – СВЧ-АГ предназначен для формирования мощного высокостабильного радиочастотного
запросного импульса, излучаемого антенной системой в направлении на радиозонд, с целью вызвать ответную реакцию приёмопередатчика радиозонда.
Блок усилителя мощности СВЧ – блок УМ предназначен для
дополнительного усиления СВЧ мощности генерируемой в блоке СВЧ-АГ.
Функциональная схема блока состоит из мощного каскада усиления на
транзисторе VT1 нагруженного на циркулятор, обеспечивающий стабильное
активное нагрузочное сопротивление.
Выходной СВЧ сигнал с выхода СВЧ-АГ поступает на вход XW1
блока УМ. Коэффициент усиления каскада по мощности на несущей частоте
составляет около 2. Импульсная выходная мощность в режиме работы «Дальний» (переключатель уровня излучаемой мощности на модуле в положении
«Pmax») составляет не менее 150 Вт.
Блок УМ выполнен в герметичном металлическом корпусе и расположен в пылебрызгозащитном отсеке на антенной стойке.
Блок малошумящего усилителя МШУ предназначен для усиления
СВЧ сигнала радиозонда от антенны дальнего канала в режиме «Дальний» и
от антенны ближнего канала в режиме «Ближний» с предварительной
фильтрацией и усилением для компенсации потерь в коаксиальном кабеле,
соединяющим антенную стойку и блок БОУ.
В состав блока БОУ входят модули приемопередающего тракта.
Модуль преобразования частоты МПЧ предназначен для двойного
преобразования по частоте и усиления входного сигнала радиозонда, формирования напряжения управления усилением блока МШУ, при этом выполняются следующие функции:
•первое преобразование сигнала с несущей частоты радиозонда 1680
±10 МГц на первую промежуточную частоту fпч1=280 ±10 МГц, усиление и
фильтрация сигнала на промежуточной частоте fпч1;
•второе преобразование сигнала с первой промежуточной частоты 280
±10 МГц на вторую промежуточную частоту fпч2=60 ±0.1 МГц, предварительная фильтрация сигнала на второй промежуточной частоте fпч2;
• формирование напряжения управления усилением блока БМШУ;
•автоматическая перестройка частоты первого гетеродина по команде,
поступающей от модуля МПП или МУПП для точной настройки на несущую
частоту сигнала радиозонда.
•органы оперативного управления, расположенные на передней панели:
— частотой первого гетеродина в ручном режиме R71 – «Частота»;
— усилением блока БМШУ в ручном режиме R72 – «Усиление МШУ»;
— переключатель режима Ручная регулировка частоты – Автоматическая регулировка частоты S1 – «РРЧ–АРЧ»;
— переключатель режима Ручное управление усиления – Автоматическое
управление усиления блока БМШУ S2 – «РРУ–АРУ»;
— гнездо контроля напряжения управления усилением блока БМШУ.
Модуль усиления промежуточной частоты – МУПЧ
предназначен:
• для усиления сигнала радиозонда;
• для выделения телеметрического сигнала радиозонда путем детектирования по амплитуде усиленного сигнала частотой 60 ±0.5 МГц с помощью диода Шоттки с нулевым уровнем смещения;
•для дальнейшего усиления видеосигнала на частоте 800 ±25 кГц;
•для поддержания системой АРУ среднего уровня выходного сигнала
частотой 800 ±25 кГц на значении 1,5 ±0,15 В, глубина регулировки
усиления составляет не менее 90 дБ при сохранении формы амплитудно-частотной характеристики;
•для формирования напряжения контроля уровня усиления МУПЧ (сигнал
RSSI) с целью дальнейшего измерения выходного напряжения АРУ
усилителя при работе системы автоподстройки частоты приёмного
тракта в модуле МАПЧ (МПП) или МУПП.
Электропитание модуля МУПЧ осуществляется от источника постоянного тока с двухполярным напряжением +15 ±0,25 В и –15±0,25 В.
На переднюю панель модуля МУПЧ выведены органы ручной регулировки коэффициента усиления приемной системы – резистор R37 «Усиление» и
тумблер SA
1: режим «РРУ – ручная регулировка усиления» (горит индикаторных систем «ближнего» режима и «дальнего» режима формируются на одних элементах и параллельно поступают на pin-диоды
соответствующих блоков. При необходимости можно отключить управление
блока ФКБК этими сигналами, удалив перемычки в Х3 в модуле МСНХ.
Разъем Х4 предназначен на перспективу для питания четырех отдельных радиопередающих блоков. В данной конструкции питающие напряжения далее
к узлам не поступают.
Интегральные стабилизаторы напряжения обеспечивают местную стабилизацию питающих напряжений и дополнительную фильтрацию внешних
помех по цепям питания.
Модуль усиления сверхвысокой частоты МСВЧ предназначен :
•для усиления и фильтрации сигнала радиозонда, поступающего на блок
БОУ из блока ПРД с выхода блока малошумящего усилителя (МШУ) в
полосе частот 20 ± 0,5 МГц.
•для разделения усиленного и отфильтрованного сигнала радиозонда на
два канала, для его дальнейшего усиления: основной канал усиления
(модуль МПЧ 1), для дальнейшего выделения информации о дальности
и телеметрии и на измерительный канал (модуль МПЧ 2), для определения спектра сигнала радиозонда и, соответственно, несущей частоты радиозонда, для подстройки управляемого гетеродина модуля МПЧ 1 восновном канале.
Электропитание модуля МСВЧ осуществляется от источника постоянного тока с напряжением +15 ±0,25 В.
Интегральный стабилизатор напряжения обеспечивают местную стабилизацию питающих напряжений и дополнительную фильтрацию внешних
помех по цепям питания.
Блок обработки и управления (БОУ)
Блок обработки и управления – БОУ обеспечивает:
— измерение угловых координат радиозонда (угол места и азимут);
— измерение наклонной дальности радиозонда;
— сбор метеоинформации по каналу телеметрии, ее первичную обработку;
— прием команд и данных от АРМ оператора (далее по тексту АРМ) и
передача на АРМ, измеренных значений параметров радиозонда и системы в
целом для дальнейшей обработки и принятия решения по управлению
системой по интерфейсу RS 232;
— управление антенной и приемопередающей системами в режиме
ручного (по командам оператора АРМ) и автоматического сопровождения
радиозонда;
— контроль функционирования системы и самопроверку блока с ис
-пользованием эталонных тестовых сигналов.
Все эти задачи решаются отдельными функционально и конструктив
но законченными модулями, соединенными через устройство коммутации
(кросс-плата) и размещенными в одном корпусе.
В состав БОУ входят:
Модуль измерения дальности – МИД предназначен для автоматического измерения наклонной дальности до радиозонда и выдачи результатов измерения на АРМ
Модуль измерения углов – МИУ предназначен для измерения углов
отклонения по азимуту и углу места антенной системы относительно исходного состояния и выдачи результатов измерения на АРМ;
Модуль следящего привода МСП предназначен для определения
углов рассогласования радиозонда относительно луча и управления координатными шаговыми двигателями (азимут и угол места), обеспечивающими
вращение антенной системы.
Модуль может работать как в дистанционном
режиме, обмениваясь сигналами измерения и управления с АРМ, так и в
местном, обеспечивая автономный контур управления координатной системой.
Модуль телеметрии – МТЛМ предназначен для выделения из входного сигнала от радиозонда опорной метеочастоты, частот с информацией о
температуре, влажности и давлении, измерения выделенных частот и выдачи
результатов измерения на АРМ.
Модуль управления приемопередатчиком – МПП предназначен
для формирования сигналов управления приемопередающей системой, обеспечивающих формирование сигнала переключение «Ближняя» – «Дальняя»
зоны, переход из режима АРУ в режим РРУ и обратно, в режиме РРУ формирование уровня управляющего напряжения и перестройку частоты гетеродина приемника на значение, при котором спектр принимаемого сигнала попадает в середину полосы пропускания УПЧ.
Модуль автоматической подстройки частоты МАПЧ предназначен для определения мощности сигнала радиозонда в канале автоподстройки
частоты.
Модуль управления приемопередатчиком – МУПП совмещает функции модулей МПП и МАПЧ. На кросс-плате установлены разъемы для подключения всех модулей, входящих в состав БОУ, разъемов и кабелей для связи с блоком питания,
антенной системой и АРМ.
Модули МИД, МИУ, МПП, МСП, МТЛМ, МУПП входящие в состав
БОУ, имеют режимы самотестирования, переход в которые осуществляется
по командам с АРМ.
Конструктивно все модули выполнены в виде печатных плат в стандарте МЭК 297-3 (размер 3U) с разъемным соединителем типа DIN41612.
Каждая плата имеет строго определенное место установки — разъёмный соединитель, направляющие.
Примечание – Дополнительной защиты от неправильной установки
модулей конструкцией не предусмотрено, так как это не вызывает неустранимых неисправностей в блоке и системе в целом.
Обмен информацией между АРМ и модулями БОУ осуществляется
по последовательному мультиплексному каналу. Для организации мульти
плексного канала у управляющей ПЭВМ используются разъем COM порта
(RS232C 25-pin D-Shell Connector) и разъем LPT Centronics. Выбор модуля
для обмена с АРМ осуществляется по фиксированной кодовой комбинации
(адресу модуля), выдаваемой из АРМ по интерфейсу Centronics. Каждый мо
дуль БОУ имеет свой уникальный адрес, который используется для
активизации приемопередатчиков выбранного субблока. Обмен информацией с адресованным модулем осуществляется в последовательном виде по интерфейсу
RS232C. Весь информационный обмен любого модуля с системой осуществляется через разъемный соединитель (X1 у каждой платы и соответствующую ответную часть кросс-платы).
Информационный обмен АРМ с модуля и выдача команд управления по интерфейсу RS-232C обеспечивается только при подаче на разъем
X1 кода выбора модуля.
Блок источников питания – БИП предназначен для электропитания
азимутального и угломестного приводов антенного поста, а также всех радиоэлектронных модулей и узлов изделия АРВК «Вектор-М».
В состав блока (вторичных) источников питания входят:
1 Шесть модулей вторичного электропитания.
2 Один модуль фильтра.
3 Восемь световых индикаторов.
4 Девять гнёзд.
5 Три переключателя.
6 Два предохранителя.
Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора
предназначено для ручного и автоматического управления узлами и блоками изделия «Вектор-М», окончательного сбора, обработки и отображения поступающей координатной и телеметрической информации, выдачи стандартных аэрологических телеграмм. Персонал комплекса «Вектор-М» при помощи АРМ оператора производит радиозондирование атмосферы, и обеспечивает техническое обслуживание самого комплекса.
В состав АРМ входит управляющая ЭВМ, монитор 17”, клавиатура,
«мышь», печатающее устройство (принтер) и источник бесперебойного питания (по условиям договора).
ЭВМ, работающая под управлением программного обеспечения
АРМа, выполняет следующие функции:
•автоматический и ручной контроль функционирования при включении изделия;
•настройку и предполетную проверку радиозонда;
•автоматическое и ручное наведение и сопровождение радиозонда, находящегося в свободном полете;
•определение и отображение относительных координат (азимута,
угла места и наклонной дальности) и полетного времени радиозонда;
•обработку в реальном масштабе времени и отображение телеметрической информации от радиозонда о температуре и влажности в точке нахождения радиозонда;
•сохранение данных об относительных координатах радиозонда и
параметрах телеметрической информации, привязанных к полетному времени, в виде файла-протокола на дисковых накопителях управляющей ЭВМ;
•формирование и выдачу на принтер или в линии связи стандартных аэрологических телеграмм.
Печатающее устройство предназначено для фиксации на бумаге протоколов измерения координатных и метеорологических параметров.
В состав программного обеспечения АРМА входит операционная система, управляющая программа АРВК «Вектор-М» и аэрологический процессор «Эол».
Операционная система обеспечивает работу всех остальных программ
и удобство взаимодействия оператора с изделием, а также содержит средства
диагностики и настройки аппаратного обеспечения АРМА.
Управляющая программа является основным элементом программного обеспечения, организует взаимодействие всех компонентов изделия
«Вектор-М» и выполнение его основных функций. Также в ней содержатся
средства диагностики и настройки изделия.
Аэрологический процессор «Эол» служит для обработки координатно-телеметрической информации и выдачи аэрологических телеграмм.
Страницы 1 2