Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Устройство радиолокатора МАРЛ-А 17
1.1. Общие сведения о радиолокаторе МАРЛ-А 17
1.2. Принцип работы и алгоритмы применяемые для обработки получаемых данных 28
1.3. Анализ активной фазированной антенной решетки применяемой в МАРЛ-А 31
1.4. Выводы к главе 1 49
Глава 2. Метод и алгоритмы повышения точности и достоверности измерений координат комплексами на базе АФАР . 51
2.1. Признак определения главного лепестка 51
2.2. Алгоритмы повышения точности измерения углов и метод многолучевого измерения 56
2.3. Выводы к Главе 2 71
Глава 3. Проведение автоматического поиска радиозондов ком плексами радиозондирования на базе АФАР 72
3.1. Особенности проведения автоматического поиска радиозондов. 73
3.2. Алгоритмы и метод автоматического поиска для определения положения радиозонда в пространстве 74
3.3. Выводы к Главе 3 85
Глава 4. Алгоритм коррекции диаграммы направленности и пеленгационных характеристик АФАР 87
4.1. Влияние начального фазового распределения и фазовых ошибок на АФАР 87
4.2. Алгоритм установки начального фазового распределения 89
4.3. Выводы к Главе 4 96
Глава 5. Программное обеспечение для управления МАРЛ-А 97
5.1. Программа управления АФАР 97
5.2. Структурная схема программы управления комплексом . 98
5.3. Интерфейс взаимосвязи между модулями 104
5.4. Реализация удаленного доступа 104
5.5. Выводы к Главе 5 105
Заключение 106
Литература
- Принцип работы и алгоритмы применяемые для обработки получаемых данных
- Алгоритмы повышения точности измерения углов и метод многолучевого измерения
- Алгоритмы и метод автоматического поиска для определения положения радиозонда в пространстве
- Алгоритм установки начального фазового распределения
Введение к работе
Актуальность работы.
Одной из наиболее важных систем получения информации о состоянии атмосферы является система аэрологического радиозондирования. Система представляет собой сеть аэрологических станций, оборудованных комплексами радиозондирования, позволяющих производить измерения параметров атмосферы (температуры, влажности) с определением координат местонахождения радиозонда (наклонной дальности или высоты, угла места и азимута) и расчета по ним скорости и направления ветра. Измерения температуры и влажности производятся радиозондом, оборудованным соответствующими датчиками, находящемся в полете. Положение радиозонда в пространстве во время полета определяется с помощью радиолокатора.
На протяжении ряда лет Центральная аэрологическая обсерватория, в сотрудничестве с различными организациями, ведет разработку новых систем радиозондирования для нужд метеорологических служб России. Необходимость в разработке и производстве этих средств на современной элементной базе и принципах обработки сигналов была определена Федеральной целевой программой "Развитие системы гидрометеорологического обеспечения Российской Федерации в 1994-1996 годах и на период до 2000 года", утвержденной Постановлением Правительства РФ от 03.03.1995 г.
Опытный образец первого радиолокационного комплекса на основе активной фазированной антенной решетки(АФАР), разработанного по этой программе при активном участии ГУ „ЦАО", был создан в 2000 году и получил название МАРЛ-А.
В ходе эксплуатации первых серийных образцов, поставленных на аэрологическую сеть в 2001г., были выявлены причины, приводящие к невозможности использования комплексов МАРЛ-А для получения качественных дан-
ных радиозондирования:
Точность сопровождения радиозондов на установленных комплексах, из-за дискретности переключения фазовращателей АФАР, составила более 0,3. Согласно техническим условиям на комплекс радиозондирования, утвержденными Росгидрометом, среднеквадратичные значения ошибок измерения углов должны составлять не более 0,1. Для проведения качественного радиозондирования необходимо было разработать новые алгоритмы и методы измерений координат с уменьшенным влиянием дискретности фазовращателей на точность измерения углов.
При эксплуатации на некоторых аэрологических станциях, невозможность захвата радиозонда с начала выпуска, связанная с закрытием места выпуска постройками и деревьями, приводила к постоянным срывам радиозондирования и потере данных приземного слоя. Для исключения таких ситуаций, а также для поиска радиозонда при его потере, необходимо было разработать методы и алгоритмы проведения автоматического поиска в начале сопровождения.
Технологические разбросы при производстве АФАР приводили к формированию искаженной диаграммы, ухудшению дискриминационных характеристик, к некачественному сопровождению с постоянными потерями радиозонда и получением недостоверных результатов радиозондирования. Некоторые аэрологические станции по этой причине прекратили использовать новый комплекс. Для устранения ошибок настройки АФАР необходимо было программно реализовать алгоритмы настройки и контроля диаграммы направленности и пеленгационных характеристик комплекса МАРЛ-А с возможностью применения этих методов на уже установленных комплексах без их демонтажа и возврата на за-
вод-производитель.
Аэрологический комплекс МАРЛ-А является программно-аппаратным комплексом. Для управления и обработки данных радиозондирования используются, установленный на АФАР управляющий и на рабочем месте обрабатывающий, компьютеры со специализированным программным обеспечением. Все поставленные задачи сводились к разработке методов и алгоритмов и их внедрению в программное обеспечение. Программное обеспечение должно обеспечивать работу комплекса при использовании различных операционных систем, позволять проведение удаленной диагностики и контроля процесса проведения радиозондирования.
Актуальность работы обусловлена необходимостью приведения технических характеристик комплекса радиозондирования МАРЛ-А к характеристикам, требуемым для проведения качественного зондирования атмосферы.
Объект исследования.
Объектом исследования являются радиолокационные комплексы зондирования атмосферы.
Предмет исследования.
Предметом исследования является АФАР, используемая в комплексах радиозондирования атмосферы МАРЛ-А.
Цель и задачи диссертационной работы.
В данной работе поставлены следующие цели и задачи исследования:
Целью работы являлось повышение точности измерения угловых координат и получение достоверных данных при сопровождении радиозондов радиолокационными комплексами, использующих АФАР.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать новый метод и алгоритмы, повышающие точность и достоверность измерения угловых координат комплексами радиолокационного зондирования.
Разработать метод и алгоритмы автоматического проведения выпусков в сложных метеоусловиях, условиях ограниченной видимости места выпуска и для поиска радиозонда в случае потери.
Реализовать в программном обеспечении алгоритм для формирования неискаженной диаграммы направленности и пеленгационных характеристик АФАР, используемой в радиолокаторе МАРЛ-А, позволяющий устранить срывы сопровождения при проведении зондирования атмосферы.
Разработать программное обеспечение, работающее под различными операционными системами и позволяющее использовать разработанные алгоритмы как на уже установленных на аэрологической сети, так и на вновь производимых комплексах радиозондирования МАРЛ-А.
Научная новизна.
В рамках диссертационной работы, впервые, для радиолокационных комплексов радиозондирования атмосферы:
Разработан и обоснован метод многолучевого измерения, позволяющий повысить точность измерения угловых координат радиолокационными комплексами радиозондирования до 0,05 за счет проведения серии последовательных изменений положения луча на заданное отклонение. Достигнутая точность позволяет повысить качество данных, получаемых при использовании радиолокационных комплексов для зондирования атмосферы.
Разработан метод и алгоритмы для проведения автоматического поиска радиозонда радиолокационными комплексами с малоразмерными АФАР,
позволившие исключить случаи потери важной информация о состоянии приземного слоя атмосферы.
Разработано универсальное программное обеспечение реализующее новые алгоритмы, способное работать под разными операционными системами, легко адаптируемое под новое оборудование, а также позволяющее, впервые в практике на аэрологической сети Росгидромета, проводить удаленный контроль проведения радиозондирования в масштабе реального времени.
Достоверность работы. Достоверность работы подтверждается результатами математического моделирования и практического использования результатов работы в комплексах МАРЛ-А на аэрологической сети Росгидромета, а также контролем получаемых данных системой мониторинга качества аэрологических наблюдений.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
Предложенный метод многолучевого измерения и алгоритм измерения пеленгационных ошибок позволяет повысить точность измерения углов при проведении радиозондирования атмосферы. Признак определения главного лепестка позволяет избежать сопровождения радиозонда боковыми лепестками. Предложенные способы проведения автоматического поиска позволяют проводить радиозондирование без потери данных в приземном слое от 0 до 1000 м от поверхности земли в сложных метеоусловиях и при ограниченной видимости радиозонда на месте выпуска. Алгоритмы настройки диаграммы направленности и пеленгационных характеристик и описанные в работе способы проверки работоспособности АФАР позволили устранить ошибки при производстве комплекса радиозондирования МАРЛ-А, а также исправить эти недостатки на уже установленных радиолокаторах. Разработанные методы и алгоритмы были успешно внедрены в производство и эксплуатацию комплексов радиозондирования МАРЛ-А, внесены в конструкторскую документацию РСНЕ.416311.011, и позволили провести успешное переоснащение аэрологиче-
ской сети Росгидромета данными радиолокаторами. В настоящее время произведено и установлено на аэрологическую сеть Росгидромета 49 комплексов МАРЛ-А, еще 2 комплекса эксплуатируются на Байконуре, 2 в странах СНГ. Все комплексы произведены и эксплуатируются с использованием разработанных в данной работе методов и алгоритмов.
Разработанные методы и алгоритмы легли в основу курса по аэрологическому радиолокатору МАРЛ-А, читаемому в Московском гидрометеорологическом техникуме. Информация о методах и алгоритмах комплекса МАРЛ-А также используется в курсе „Аэрология", читаемого в МГУ. Разработанные методы и алгоритмы применимы как к существующим, так и вновь разрабатываемым радиолокационным комплексам с малоразмерными АФАР.
Выносимые на защиту основные результаты и положения.
На защиту выносятся разработанные и апробированные:
Метод и алгоритм измерения углов комплексом радиолокационного зондирования по серии последовательных измерений положения радиозонда. Признак определения захвата радиозонда по отношению диаграмм направленности с различной шириной диаграммы направленности.
Метод и алгоритм автоматического проведения выпусков в условиях ограниченной видимости места выпуска.
Программное обеспечение управления комплексом МАРЛ-А реализующее алгоритмы повышения точности измерения координат и автоматического поиска, использующее модульную структуру с обменом данными по TCP/IP протоколам, способное работать на различных операционных системах и позволяющее проводить удаленный контроль проведения радиозондирования.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на семинарах, заседаниях ученого совета ГУ ЦАО, на XLVI научной конференции МФТИ - г. Долгопрудный, 2003г, на конференции „Проблемные вопросы открытия и эксплуатации трасс запусков космических аппаратов, баллистического и метеорологического обеспечения запусков ракет-носителей", г.Москва, ЦЭНКИ, представлялись на международных выставках METEOREX-2008, г. Санкт-Петербург, 2008г и METEOREX-2010, г. Хельсинки, 2010г. Все результаты работы применены для модернизации установленных комплексов МАРЛ-А на аэрологической сети Росгидромета а также используются заводом при производстве радиолокатора. Все установленные на аэрологической сети Росгидромета комплексы МАРЛ-А используют результаты данной работы.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах. Из них 3 статьи опубликованы в научно-технических журналах РФ из перечня ВАК Минобразования.
Личный вклад автора.
Представленные алгоритмы и методы были разработаны автором совместно с научным руководителем. Лично автором все алгоритмы были реализованы в программном обеспечении, используемом на АРВК МАРЛ-А. Испытания и отработка алгоритмов проводилась автором на комплексах МАРЛ-А, установленных на аэрологических станциях Долгопрудный, Туапсе, Ростов-на-Дону.
Структура и объем диссертации.
Принцип работы и алгоритмы применяемые для обработки получаемых данных
После суммирования в АСФ, сигнал приходит на блок сумматора-манипулятора(АСМ). АСМ суммирует сигналы с восьми АСФ и создавая дополнительную задержку, формирует переключаемые диаграммы направленности для создания равносигнальной зоны. Для формирования равно-сигнальной зоны создается круговое вращение диаграммы направленности с помощью квандратного сканирования. Сканирование реализовано следующим образом, каждые две малые подрешетки образуют большую под-решетку, таким образом антенна делится по двум осям, вертикальной и горизонтальной, на 4 больших подрешетки. Две соседние большие подрешетки создают половину полотна антенны. В канал прохождения сигнала в каждой половине решетки, по очереди, вносится фазовая задержка равная 7г/2. В каждый момент времени переключения фазовой задержки, диаграмма направленности АФАР отклоняется на половину ширины диаграммы направленности в разные стороны по направлениям главных осей. При этом диаграммы направленности АФАР периодически занимает одно из четырех положений: луч отклоняется вверх, влево, вниз, вправо и т.д. Полученные диаграммы 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. Когда радиозонд находится в центре равносигнальной зоны, глубина модуляции, а соответственно и ошибка пеленга равны нулю. Квадрантное сканирование реализованное в комплексе показано на рис. 1.3. Фазовые сдвиги 0, тг/2, реализуются с помощью фазовращателей ФВ1-ФВ4 (рис. 1.3), управляемых двоичными числами. ФВ1
Измерение угловых координат радиозонда с использованием квадрантного сканирования. Управляющему числу щ — 0 соответствует сдвиг фазы ф{ — 0, если щ = 1 то фі = 7г/2. Из этих управляющих чисел формируются опорные напряжения, поступающие на два фазовых детектора. На другие входы фазовых детекторов подается огибающая принятого сигнала с выхода приемника (на частоте сканирования), 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 радиозонда по азимуту и углу места.
После формирования диаграмм, сигнал с блока АСМ поступает на приемопередатчик(ПП). Демодуляция сигнала осуществляется по принципу супергетеродинного приемника с преобразованием сигнала с частоты 1680 МГц на промежуточную частоту 200 МГц. После преобразования, сигнал с частотой 200 МГц подается на логарифмический приемник, где выделяется сигнал в виде ЧМ-модулированных видеоимпульсов с несущей частотой 800 кГц. В этом сигнале содержится информация об уровне принимаемого сигнала, пеленгационных ошибках, телеметрическая информация и ответный сигнал радиозонда по дальности на запрос радиолокатора. По амплитуде сигнала и по импульсам переключения коммутатора в АСМ, детектором иеленгационной ошибки определяется отклонение радиозонда от центра равносигнальной зоны. Пеленгационные ошибки и уровень сигнала поступают в бортовой компьютер радиолокатора, расположенный в блоке обработки.
Для формирования диаграммы направленности под заданным углом используются соотношения геометрической оптики. При начальных зна 24 чениях фазы каждого элемента равных нулю, диаграмма направленности решетки будет направленна перпендикулярно плоскости антенны и иметь вид показанный на рис. 1.4. Расчет необходимого распределения
В радиолокаторе МАРЛ-А предусмотрены возможности как ручного так и автоматического управления антенной. При ручном управлении все параметры выводятся на экран компьютера оператора и оператор управляет угловыми перемещениями луча вручную. При автоматическом управлении программа управления АФАР, реализованная в компьютере, но полученным ошибкам и имея текущее направление диаграммы направленности, рассчитывает необходимые вертикальный и горизонтальный углы. Затем программа, в соответствии с полученными значениями углов, по формулам (1.4), рассчитывает требуемое фазовое распределение, и управляя фазовращателями, создает диаграмму направленности по заданным углам.
Операция считывания пеленгационных ошибок и создания фазового распределения повторяется постоянно в цикле и таким образом производится захват и удержание радиозонда.
Управление лучом по вертикальной (угломестной) координате производится только электронным образом, формируя соответствующее фазовое распределение с помощью программы на бортовом компьютере. Управление по горизонтальной(азимутальной) координате производится не только электронным образом, но и механическим. Электронное управление по азимуту ограничено в пределах ±30. Для поворота антенны более чем на 30 используется механический способ управления антенной. АФАР расположена на опорно-поворотном устройстве, позволяющим вращать антенну на 360 в любом направлении. Управление поворотом производится компьютером обработки информации с помощью широтно-импульсного контроллера, позволяющего менять скорость вращения антенной решетки в широких пределах. Контроллер расположен на пульте оператора и имеет возможность ручного и автоматического управления. Необходимость изменения скорости поворота антенны обусловлена различными условиями проведения радиозондирования. В ближней зоне и при проведении автоматического поиска радиозонда необходимо иметь быструю скорость углового поворота решетки, так как угловые перемещения радиозонда в полете вблизи антенны достаточно велики и могут достигать 60/с. В дальней зоне, когда радиозонд находится на достаточном удалении от радиолокатора, необходимость в быстрых угловых перемещениях отсутствует и скорость механического поворота антенны, для исключения скачков в сопровождении, наоборот должна быть как можно меньше.
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.
Алгоритмы повышения точности измерения углов и метод многолучевого измерения
По построенным зависимостям видно, что новый алгоритм измерения углов дает точность почти в 4 раза лучше, чем предыдущий алгоритм и практически в 2 раза лучше, чем АВК-1. При сравнении с АВК-1 надо также учитывать, что испытания проводились при проведении спаренного выпуска, при одновременном сопровождении двумя системами, АВК-1 и МАРЛ-А, двух радиозондов, подвешенных на одну оболочку. Так как радиозонд, сопровождаемый комплексом МАРЛ-А, подвешен на 10 метров ниже, а при полете радиозонды совершают колебательные движения, которые увеличивают отклонение по углам, то можно сказать, что ошибка сопровождения у МАРЛ-А с новым алгоритмом но сравнению с АВК-1 значительно меньше.
Таким образом, результаты испытаний показали, что система измерения углов, использующая данный алгоритм, повышает точность измерения для радиолокатора МАРЛ-А примерно в 4 раза по отношению к иредыду 71
В результате теоретических и экспериментальных исследований и анализа текущих алгоритмов, были разработаны и реализованы алгоритмы повышения точности и достоверности измерения координат в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А. Разработан алгоритм измерения углов, позволяющий получить точность измерений выше, чем в существующих отечественных системах радиозондирования атмосферы. Были проведены испытания, которые показали, что точность измерения системы улучшилась. В настоящее время происходит внедрение нового алгоритма измерения углов на уже установленные и поставляемые комплексы радиозондирования атмосферы МАРЛ-А. Результаты второй главы опубликованы в работах [36], [37]. Глава З
Основная проблема при проведении радиозондирования в таких случаях - это вероятность захвата боковым лепестком или даже потеря радиозонда в начале выпуска.
Для успешного проведения радиозондирования комплексом радиозондирования атмосферы МАРЛ-А в таких ситуациях, была реализована возможность автоматического захвата и сопровождения радиозонда с использованием алгоритма автоматического поиска [38]. 3.1. Особенности проведения автоматического поиска радиозондов.
Одна из основных проблем при выпусках радиозондов - это отсутствие прямой видимости радиозонда и наличие дополнительных радиопомех с различных направлений. Такие ситуации возможны при проведении аэрологических выпусков со станций, находящихся в крупных населенных пунктах. На этих станциях, как правило, присутствуют помехи от базовых станций сотовых операторов, а площадка для выпуска радиозонда находится на расстоянии около 200м и закрыта строениями.
Рассмотрим ситуации, которые могут возникнуть при проведении автоматического поиска. Будем считать, что команда к началу автоматического поиска может быть дана оператором только с клавиатуры управляющего компьютера. Тогда возможны три варианта начала проведения автематического поиска:
1. Включение автоматического поиска в момент пуска радиозонда. Тогда, за исключением, может быть, первой точки, все точки являются однозначными отсчетами положений радиозонда.
2. Включение автоматического поиска с задержкой после начала выпуска радиозонда. Все измеренные значения также действительны, но часть значений утеряна. При таком варианте возникает необходимость восстановления пропущенных данных с помощью аппроксимации начального участка траектории.
3. Включение автоматического поиска до выпуска радиозонда. Это наиболее сложный вариант, так как необходимые предполетные процедуры (проверка радиозонда, привязывание к оболочке) занимают дополнительное время. Во время подготовительных работ радиозонд может находиться в помещении или за радионепрозрачным препятствием (к примеру дверь газогенераторной станции) 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, которые могут 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 производится с использованием механического вращения антенны по азимуту и одновременном сканированием угла места электронным лучом.
Реализация алгоритмов в АРВК МАРЛ-А существенно затрудняется ограничениями вычислительной мощности и возможностями передачи данных бортового компьютера комплекса. При проектировании комплекса для компьютера был выбран контроллер, обеспечивающий работу в широком диапазоне температур, при этом больших требований к быстродействию не предъявлялось. Компьютер выполнен на базе промышленного контроллера фирмы "Octagon", работающем на процессоре 1386, иод управлением операционной системы MS-DOS. Процессор контроллера способен перестраивать фазовое распределение АФАР с целью создания необходимой диаграммы направленности, но быстродействия для решения других задач у него недостаточно, соответственно существенным недостатком такого компьютера являются его невысокая производительность.
Особенность первого реализованного в комплексе МАРЛ-А алгоритма автоматического поиска состоит 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 диаграммы 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 360. Таким образом, скорость получения данных за оборот антенны составляет 1020 измерений или с учетом скорости вращения равной 60 в секунду - 170 измерений в секунду. Для вычисления положения необходимо наличие информации об азимуте, угле-места и уровне сигнала. Общий пакет данных, передаваемых с бортового компьютера равен 100 битам. Для передачи всех измерений на компьютер управления необходима пропускная способность 170 100 = 17000бит/сек. Пропускная способность канала передачи данных с бортового на управляющий компьютер составляет 19200бит/сек. При этом процессор контроллера должен успеть обработать и передать такой поток данных с требуемой скоростью, но времени на обработку практически не остается. Таким образом, передача каждого измеренного значения уровня сигнала, при заданных углах для диаграммы направленности, не может быть реализована из-за низкой скорости обработки и передачи данных на нижний компьютер.
Алгоритмы и метод автоматического поиска для определения положения радиозонда в пространстве
Вид сформированной диаграммы направленности АФАР можно получить путем изменения углов направления луча в пространстве по обеим координатам с требуемым гаагом, и измерением уровня принимаемого сигнала. По полученной диаграмме можно определить нахождение максимума, рис. 1.4.
При известном положении источника сигнала и полученном при измерениях положении максимума диаграммы направленности, можно определить фазовую задержку, которую необходимо добавить к элементу для устранения ошибки фазирования и формирования диаграммы направленности в требуемом направлении. Необходимая фазовая задержка определяется следующим образом:
Для пары соседних излучателей, величина изменения угла при изменении фазы на один разряд фазовращателя А, вычисляется по формуле:
d / = arctg- —-, (4.6)
где d - расстояние между проекциями излучателей. При расстоянии по оси X между проекциями двух соседних излучателей, равном d = 143 мм, изменение фазы на один разряд фазовращателя Аф = 22, 5, приведет к изменению направления максимума диаграммы на 4,47. Таким образом, для коррекции начального фазового распределения пары излучателей требуется направить оптическую ось АФАР на источник сигнала и изменяя вертикальный и горизонтальный углы, измерить уровень сигнала в заданном секторе сканирования. По зависимости уровня сигнала от направления луча полученной диаграммы направленности, определяется положение максимума. Разница между полученным максимумом и истинным направлением на источник сигнала дф, подставляется в выражение: где Аф(п) - начальная фаза для одного из пары излучателей относительного второго излучателя. Округленное до целого число п — Аф(п)/Аф даст начальное значение для фазовращателя элемента. Проведя таким образом последовательную настройку всех возможных соседних пар излучателей относительно изначально выбранного излучателя, можно найти начальное фазовое распределение для всей решетки. Алгоритм настройки записывается следующим образом:
Для возможности исследования формы диаграммы направленности и поиска начального фазового распределения было создано специальное программное обеспечение. Из-за особенностей управления включением излучателей, минимальное количество включенных излучателей равно двум, и эта пара должна принадлежать одной ППУ. При этом настройку фазового распределения необходимо проводить согласно вышеприведенному алгоритму. Для нахождения фазового распределения двух соседних ППУ в зависимости от изменения угла, необходимо воспользоваться выражением (4.7). При этом, расстояние между излучателями для вертикальной пары будет равно d = 178мм, для горизонтальной пары - d — 286мм. При настройке фазового распределения нескольких ППУ необходимо учитывать, что менять фазовое распределение необходимо для элементов одной ППУ на одинаковую величину. При выборе одного из элементов решетки за нулевой и настройки относительно него всех ППУ, полученное распределение фаз сформирует необходимую диаграмму направленности всей решетки.
Для исключения ошибки при настройке фазового распределения, перед проведением настройки диаграммы, полотно антенны необходимо выставить в направлении источника излучения по азимуту с точностью не хуже 5. Если этого не сделать, то диаграмма всей решетки будет иметь наклон относительно геометрической оси антенны, при этом изменится чув-ствительность антенны.
Описание созданного программного обеспечения и последовательность действий при ручной настройке приведены в Приложении 1. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для коррекции диаграммы направленности приняты производителем комплекса МАРЛ-А как составная часть руководящего документа комплекса и проведении ремонтных и наладочных работ.
Указанная процедура коррекции диаграммы направленности имеет один недостаток, для проведения настройки необходима большая затрата времени и высокая квалификация специалистов проводящих настройку. Учитывая, что из-за конструктивных особенностей комплекса передача данных положения угла, уровня сигнала и пеленгационных ошибок осуществляется со скоростью 20 раз в секунду, то для получения диаграммы направленности одного модуля ППУ, измеренной с шагом 1, при ширине измерения диаграммы равной 30, требуется 45 сек. Для построения всей диаграммы необходимо настроить 32 ППУ в отдельности и затем попарно. Таким образом для настройки диаграммы необходимо затратить минимум 48 минут при условии проведения работы квалифицированным специалистом.
Для упрощения корректировки диаграммы и создания возможности автоматической проверки и регулировки комплекса МАРЛ-А, на основе предыдущего алгоритма, предложен метод и алгоритм автоматической настройки начального распределения фаз для формирования необходимой диаграммы направленности. Алгоритм основан на том, что для необходимого числа включенных элементов можно найти отклонение максимума диаграммы направленности от требуемого направления, затем по формулам 4.7 рассчитать необходимое начальное фазовое распределение. При расчете необходимо учитывать, что основной лепесток диаграммы устанавливается с некоторой ошибкой. Таким образом, при полностью исправной АФАР, можно найти такое положение фазовых сдвигов, при которых расхождение между максимумами рассчитанной и полученной диаграмм направленности будет минимальным. При снятии диаграммы направленности, для уменьшения времени необходимого на все измерения, снимается не вся диаграмма, а только ее сечения по главным осям. Для выявления неисправных элементов, перед процедурой настройки проводится полная диагностика решетки с выдачей информации о неисправных элементах.
Алгоритм установки начального фазового распределения
Модуль обмена информации с бортовым компьютером получает данные от компьютера, расположенного на радиолокаторе, проводит контроль полученных данных и передает данные в графический интерфейс. При необходимости управления радиолокатором, модуль получает данные с интерфейса, производит кодирование в пакет для передачи, и передает данные в бортовой компьютер. Для устранения ошибок передачи между компьютерами используется алгоритм передачи с проверкой контрольной суммы пакета.
Модуль управления двигателем
Модуль управления двигателем производит кодирование команд для механического поворота радиолокатора и контроль выполнения команд. Управление двигателем реализовано на преобразователе частоты Mitsubishi FR-S500 с управлением с помощью компьютера по последовательному порту. Для управления механическим поворотом антенной решетки МАРЛ-А используется два режима работы преобразователя - возможность быстрого и медленного вращения двигателя. Быстрое вращение, со скоростью 1/6 об/сек, используется в ближней зоне при быстрых перемещениях радиозонда в пространстве относительно радиолокатора. Быстрое вращение включается всегда, когда значение электронного угла составляет 6 и более. В дальней зоне, при небольших угловых перемещениях скорость механического перемещения антенны составляет 1/600 об/сек, что позволяет плавно управлять перемещением антенны при сопровождении радиозонда на больших расстояниях. Включение механического перемещения на быструю и медленную скорость зависит от значения электронного угла азимута. Алгоритм работы модуля управления механическим движением антенны следующий:
Для обработки телеметрии, в разработанном программном обеспечении, использована возможность проведения аналого-цифрового преобразования сигнала звуковой картой персонального компьютера. Это позволило упростить конструкцию комплекса и дало возможность использовать стандартные персональные компьютеры для рабочего места оператора. Использование звуковой карты позволило также улучшить ранее используемый алгоритм обработки телеметрической информации, описанный в [24], повысить скорость считывания и достоверность получаемой телеметрической информации. В модуле используется способ измерения частоты, реализованный на помехозащищенном корреляционном методе описанном в [8]. Метод был оптимизирован для возможности измерения частоты в более широком диапазоне и увеличения скорости измерения частоты. Оптимизированный алгоритм позволяет измерять частоты следующие с изменением до 8 раз в секунду и позволяет обрабатывать сигналы с радиозондов, совместимыми с МРЗ-3, а также с радиозондов РФ-95, использующих датчики фирмы Vaisala RS80. Измерения, получаемые с радиозонда МРЗ-3 данным алгоритмом, имеют точность не хуже 0,1, что позволяет использовать в измерениях датчики измерения температуры, имеющие повышенные точностные характеристики по сравнению с терморезисторами ММТ-1. Разработанный модуль телеметрии, благодаря использованию встроенных в персональный компьютер аппаратных средств, возможно использовать во всех современных системах радиозондирования, использующих радиозон 104
ды совместимые с МРЗ-3 и управляемые компьютерами с операционными системами MS Windows. В настоящий момент, данный модуль используют системы радиозондирования МАРЛ-А, Вектор-М и АВК-1, использующие компьютеры под управлением операционной системой Windows ХР.
Для связи между модулями и графическим интерфейсом используется протокол обмена данными реализованный на сетевых протоколах TCP/IP. Использование сетевых протоколов обусловлено возможностью создать программное обеспечение, работающее на различных операционных системах. Данное программное обеспечение было опробовано на операционных системах MS Windows, Linux, FreeBSD.
Использование сетевых протоколов для обмена информацией между модулями позволяет применять удаленное управление комплексом радиозондирования. Удаленное управление реализуется следующим образом:
Все модули, кроме графического интерфейса, запускаются на выполнение на компьютере управления радиолокатором, графический интерфейс запускается на любом компьютере, имеющем сетевое соединение с компьютером управления.
Запуск графического интерфейса производится с указанием IP адреса управляющего компьютера радиолокатора. Интерфейс автоматически подключается к модулям и таким образом появляется возможность удаленного управления радиолокатором и проведения выпуска радиозонда.
В главе приведено описание архитектуры программного обеспечения в котором были реализованы предложенные и разработанные в данной работе алгоритмы управления радиолокационным комплексом МАРЛ-А. Разработанная модульная структура программного обеспечения позволила упростить внедрение новых разрабатываемых модулей, дала возможность модернизировать и добавлять необходимые модули, не затрагивая другие компоненты программного обеспечения. Разработанное программное обеспечение дало возможность удаленного управления радиолокатором и контролем проведения выпусков радиозондов. Данная технология дает возможность создания удаленных рабочих мест операторов. К примеру, удаленное управление вводится на аэрологической станции
