автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Методы, алгоритмы и программное обеспечение использования АФАР в комплексах радиозондирования атмосферы

4839862

Дубовецкий Андрей Зигмундович -

Методы, алгоритмы и программное обеспечение использования АФАР в комплексах радиозондирования атмосферы

05.12.07 - Антенны, СВЧ - устройства и их технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з [¿Ар 2011

Москва - 2011

4839862

Работа выполнена в Государственном учреэ/сдении "Центральная аэрологическая обсерватория". Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Кочин Александр Васильевич', Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор,

Иванов Вячеслав Элизбарович; кандидат физико-математических наук,

Кадыгров Евгений Николаевич-, Ведущая организация: Московский государственный ин-

ститут электронной . техники (технический университет)

Защита состоится ". Ж " 9П11 г. в часов на заседании дис-

сертационного совета Д850.012.01 при ГУП НПЦ "СПУРТ", расположенном по адресу: 121Ц60, г Москва, Зеленоград, 1-ый Западный проезд, д.4-

Автореферат разослан _2011 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ "СПУРТ".

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н, с.н.с

Петров В. Г.

Общая характеристика работы

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 MAPJI-A, 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 MAPJI-A на аэрологической сети Росгидромета а также используются заводом при производстве радиолокатора. Все установленные на аэрологической сети Росгидромета комплексы MAPJI-A 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.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 130 страниц машинописного текста, 30 рисунков.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы. Показана важность аэрологических комплексов радиозондирования для составления прогнозов погоды. Дан обзор существующей сети аэрологического радиозондирования в России. Показана важность разработки комплекса радиозондирования МАРЛ-А, использующего разработанную в Московском государственном институте электронной техники активную фазированную антенную решетку(АФАР). Описаны основные проблемы, возникшие при опытной эксплуатации первых образцов МАРЛ-А. Низкая точность сопровождения, невозможность успешного сопровождения при закрытиях места выпуска, привели к тому, что аэрологические станции с установленными первыми экземплярами МАРЛ-А вынуждены были остановить их эксплуатацию. Описанные проблемы привели к необходимости создания методов и алгоритмов использования разработанной в МИЭТ АФАР для применения в комплексе МАРЛ-А.

Сформулирована цель работы и поставленные задачи, показана научная новизна. Указана практическая ценность методов, алгоритмов и программного обеспечения использования АФАР, разработанных в рамках данной работы, подтверждаемая успешным внедрением в производство, а также на государственную наблюдательную сеть Росгидромета.

Представлено краткое описание структуры работы.

В первой главе приведены общие сведения о радиолокационном комплексе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А, рассмотрено его назначение и устройство. Приведено описание, устройство и принцип работы активной фазированной антенной решетки, используемой в комплексе. Описаны принципы управления диаграммой АФАР и вычисления угловых координат, примененные в первых образцах комплекса. Приведены технические характеристики комплекса, заявляемые производителем.

Рассмотрены принципы работы и алгоритмы, применяемые для обработки получаемых данных. Приведен обзор работ, выполненных в ЦАО и посвященных получению и обработке данных в комплексе MAPJI-A. Проведен анализ АФАР, используемой в комплексе, рассмотрены особенности формирования диаграммы направленности. Приведена оценка точности сопровождения по высоте при заданной ошибке измерения координат. Ошибка измерения угломестной координаты 0,2° приводит на удалениях 200 км к ошибке измерения высоты более 600 м. Выражение для оценка ошибки в направлении луча, возникающей из-за дискретности управления решетки можно представить в виде:

где da - проекция длины линейки излучателей на плоскость перпендикулярную лучу, Дф - шаг квантования. Необходимо иметь ввиду, что при изменении угла наклона луча изменяется проекция длимы линейки. Рассчитанная ошибка в направлении луча, для АФАР MAPJI-A, при отклонениях ±1-5° по азимуту составляет примерно 0,66°, по углу места 0,44°.

Учитывая что угол места, в отличии от азимута, может меняться в широких пределах, от —5° до 95°, ошибка в направлении луча по углу места, при отклонениях 90е относительно опоры радиолокатора или 60° относительно нормали к АФАР, составит:

0,1786м 22,5° М550; (2)

1,513м • соз(60°) 2тг В качестве метода повышения точности измерения рассматривался метод фазовой подставки, заключающегося в создании случайным образом фазовых плоскостей в одном направлении, но из-за вычислительной сложности этот метод невозможно было реализовать на используемом бортовом компыо-

тере АФАР.

Наличие дифракционных максимумов и боковых лепестков в антеннах такого типа влияют на качество проведения радиозондирования атмосферы. Возникающие дифракционные максимумы имеют диаграммы направленности и пеленгационные характеристики аналогичные по характеристикам основному лепестку антенны. Это приводит к тому, что при срыве сопровождения, последующее восстановление может происходить в направлениях, отличающихся от реальных углов, а полученные результаты радиозондирования будут неверными. Для проведения анализа активной фазированной антенной решетки комплекса МАРЛ-А, а также при исследовании методов повышения точности и алгоритмов проведения автоматического поиска на основе данных по АФАР, предоставленных кафедрой МРТУС МИЭТ, была построена математическая модель, реализованная в пакете математического моделирования „ЭсПаЬ". Для используемого в МАРЛ-А способа построения антенной решетки существует шесть дифракционных максимумов, расположенных вокруг основного лепестка и находящихся в пределах ±90° по обеим координатам:

На рис. 1 показан результат моделирования при сканировании по углу места и азимуту. При условии нормального сопровождения радиозонда дифракционные максимумы не влияют на качество сопровождения, но при необходимости поиска радиозонда в пространстве, дифракционные максимумы не позволяют однозначно определить правильное положение цели, так

едиф1 = 0°; /Здиф] = -76,98°;

едиф2 = 0°; /?ц„ф2 = 76,98°;

£диф3 — 66,6°; Дцифз = 38,49°;

£диф4 = 66,6°; /?диф4 = -38,49°;

едиф5 = —66,6°; ДдИф5 = 38,49°;

едиф6 = —66,6°; /?Дйфб =-38,49°;

(3)

Рис. 1. Дифракционные максимумы, возникающие при сканировании луча по азимуту и углу места.

как при сканировании пространства электронным лучом, захват может произойти любым максимумом, что приведет к неправильным измерениям углов положения радиозонда. Информация о точном положении дифракционных максимумов используется в алгоритме проведения автоматического поиска радиозонда в качестве дополнительного критерия определения истинного положения радиозонда.

Выводы по первой главе:

В первой главе приведено описание и устройство комплекса радиозонди-

рования МАРЛ-А, проведен анализ АФАР, используемой в комплексе. Описаны конструктивные особенности АФАР, приводящие к ошибкам в сопровождении радиозонда.

Во второй главе приводится описание и обоснование методов повышения достоверности и точности измерения угловых координат в комплексе МАРЛ-А.

Для исключения ошибок сопровождения радиозонда и получению искаженных данных, вызванных захватом боковым лепестком, предлагается признак определения главного лепестка. Алгоритм основан на различии диаграмм направленности для ближней и дальней зоны сопровождения и не зависит от уровня принимаемого сигнала. Отношение обеих диаграмм будет максимальным только по центру основной диаграммы направленности. Так, как это отношение известно, то проводя периодическое переключение диаграмм направленности и измеряя уровень принимаемого сигнала можно определить находится ли радиозонд в максимуме основной диаграммы.

Использование дискретных фазовращателей приводит к ошибкам в направлении луча и измерении углов. Измерение углов направления луча на радиозонд, реализованное в МАРЛ-А, можно представить следующим выражением:

__, ^^егг /. ч

^зонд! — О'нач Н Г > "■ос

где анач - угол при начальном распределении фаз в направлении радиозонда, аетг - ошибка в направлении, п - количество итераций, кос - коэффициент обратной связи. При достижении значения распределения фаз, близкого половине шагу переключения, распределение изменится, соответственно изменится и угол направления луча. Для направления на радиозонд угол составит:

а3онд2 = Онач + Да - (5)

™ОС

Да - шаг переключения луча. Максимальная ошибка направления на радио-

зонд составит:

^ 'хЗОИД 2

так как ^^ стремится к Да/2 то

¿макс = а3овд2 - Онач = Да--(6)

X (7\

"макс — 2 ' '

Для уменьшения влияния дискретного переключения фазы разработан алгоритм вычисления координат по проведению серии последовательных измерений углов для АФАР комплекса МАРЛ-А. Положение луча для каждого из последовательных переключений составит:

ап = анач + Аа + 6ап, (8)

где ап - положение луча после переключения, Да - ошибка в положении луча обусловленная дискретностью переключения, ¿ап - величина изменения угла. Результирующее положение луча составит:

1 "

п=0

Ошибка в конечном положении луча будет зависеть от количества переключений, величины изменения угла и ошибки в положении луча при каждом изменении. При изменении луча на равные по значению, но противоположные по знаку величины, ошибку можно записать как:

1 *

п=0

Так как ошибка переключения луча неравномерная и может составлять от 0,01° до 0,64°, то можно подобрать значения величины изменения углов последовательного переключения и количество переключений таким образом, что ошибка среднего положения луча будет минимальна.

Для реализации алгоритма была выбрана серия из пяти переключений с величиной переключения равной 1°:

Ошибка направления при переключении на соответствующие углы составит:

C^l = ^пач Д^максо!

а 2 = а„ач + ДаМЗкс+1 + 1°;

аз = cw. + Аамакс,, - 1°; (11)

— Скнач Д^макс+2 ^ i

а 5 — Oiнач "Ь Д^макс-2 ~ j

Результирующий угол:

ai + ct2 + аз + оч + «5

Ошибка направления луча составит:

1 (4 • АаМакс±1|2 ДаЫакс0

(12)

кс = 2 V—5— + ~~г~) • (13)

Учитывая максимальные ошибки переключения, получим что значение максимальной ошибки при таком способе измерений составит:

Алгоритм реализован в программном обеспечении управлении АФАР. Результаты сопровождения радиозондов и Солнца новым алгоритмом (рис. 2) показали что среднеквадратичное отклонение при сопровождении Солнца стало меньше 0,05°, таким образом качество сопровождения значительно улучшилась.

Отличительной особенностью данного метода от метода фазовых подставок в возможности использования его на компьютерах с небольшими вычислительными мощностями. По проведенным оценкам, для п=5 выигрыш в вычислениях составит 2,5 раза.

0 1 0,05

;:о зоо 35С- ¿сю 4

6Р8МЯ, С -*-Ст,э;ый .-лгг.риту

М говуй злгооитм

Рис. 2. Среднеквадратичное отклонение при сопровождении Солнца старым и новым алгоритмами.

Выводы по второй главе:

В результате теоретических и экспериментальных исследований и анализа текущих алгоритмов и методов, 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 с 0,3° до 0,05°.

В третьей главе предложены алгоритмы проведения автоматического поиска радиозонда комплексом МАРЛ-А в начале проведения выпуска, позволяющие исключить срывы сопровождения при выпусках в неблагоприятных погодных условиях или при отсутствии прямой видимости радиозонда радиолокатором.

Рассмотрена возможность применения алгоритма, использующего для автоматического поиска все элементы решетки, создающие узкую диаграмму направленности, проводящий постоянное сканирование пространства по определенной траектории движения луча. Данный алгоритм позволяет быстро и с минимальными потерями данных произвести поиск радиозонда по максимуму сигнала. Но из-за необходимости частого переключения изменения положения луча и ограниченного быстродействия бортового компьютера, полностью учесть информацию о дифракционных максимумах невозможно и появляется вероятность ложного определения положения радиозонда.

Для уверенного поиска радиозонда предложен метод, основанный на возможности реконфигурации АФАР. Формируется диаграмма направленности из малоразмерной решетки из 10 элементов, составляющих две горизонтальные линейки по центру АФАР. Такая конфигурация создает диаграмму направленности шириной по углу места равной 32°, по азимуту 10°. Дифракционные максимумы, имеющие аналогичные диаграммы направленности, используются для получения дополнительной информации о положении радиозонда. При вращении АФАР по азимуту положение радиозонда определяется по нахождению максимума уровня сигнала, количества максимумов и пелен-гационпых ошибок. Для основного луча при вращении по азимуту максимум уровня сигнала будет один, для дифракционных максимумов - два. Так как ширина диаграммы направленности составляет 32°, а дифракционные максимумы отстоят от центра на 66,6°, то для перекрытия всего диапазона по углу места необходимо проводить сканирование по направлениям угла места 0° и 33°. После получения информации по положению максимумов и пеленгаци-онных ошибок строится траектория полета радиозонда. Критерием перехода от малоразмерной решетки к полной является неизменное угловое положение радиозонда в пределах половины ширины диаграммы направленности всей решетки по обоим углам. На рис. 3 и 4 показаны результаты проведения авто-

поиска во время проведения выпуска радиозонда на аэрологической станции Долгопрудная.

20 30 40 50 60 70 80 30 угол-иес1а

Рис. 3. Траектория по углу места при проведении автоматического поиска радиозонда.

Выводы по третьей главе:

Разработаны методы и алгоритмы, использующие информацию о положении дифракционных максимумов, для проведения автоматического поиска радиозонда комплексами МАРЛ-А, позволившие исключить случаи потери важной информация о состоянии приземного слоя атмосферы

В четвертой главе приводится изложение алгоритма автоматической настройки начального фазового распределения фазовой антенной решетки комплекса МАРЛ-А с целью формирования необходимых для качественного сопровождения радиозонда диаграммы направленности и пеленгационных характеристик.

Фазовое распределение ФРеал, создаваемое в решетке, при наличии ненулевого начального распределения Фвач и коммутационных ошибок, записыва-

200 -| 180 -■ 160 -■ 140 -■

0 120

1 100 -■ О)

* 30 -

ВО -

40 -■

20 -

О -■ О

Рис. 4. Траектория по азимуту при проведении автоматического поиска радиозонда, ется следующим образом:

фреал = Фтреб + $нач + ¿Ф, (15)

Фтреб - требуемое распределение, 5Ф - коммутационные фазовые ошибки.

Выражение для диаграммы направленности с учетом начального распределения и коммутационных фазовых ошибок записывается как:

М-1 N-1

= X X , (16)

т=0 п=0

Начальное фазовое распределение, компенсирующее коммутационные фазовые ошибки, можно рассчитать аналитически. Наличие ошибок фазирования по причине технологических разбросов, рассчитать невозможно, и они приводят к искажению диаграммы направленности. При наличии источника сигнала, можно устранить искажения диаграммы направленности по следующему алгоритму:

Для пары излучателей, при известном положении источника сигнала,

100 200 300 400

азиму!

можно найти необходимое начальное фазовое распределение при котором максимум диаграммы будет направлен на источник сигнала. Полученное фазовое распределение скомпенсирует и коммутационные и ошибки вызванные расфазированием АФАР. Проведя последовательную настройку всех элементов таким образом, будет сформировано фазовое распределение всей АФАР, компенсирующее ошибки.

По данному алгоритму разработано программное обеспечение, в настоящее время используемое при производстве, а также при проведении ремонтных и наладочных работ МАРЛ-А.

На рис. 5 показаны пеленгационные характеристики по углу места. Квадратными метками отмечены пеленгационные характеристики нескорректированной АФАР, круглыми скорректированной.

Выводы по четвертой главе:

Разработан алгоритм формирования начального фазового распределения для создания неискаженной диаграммы направленности АФАР. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенный алгоритм. Результаты, полученные в данной главе, позволили наладить настройку АФАР МАРЛ-А при производстве, а также восстановить работу установленных на аэрологической сети радиолокаторов.

Пятая глава посвящена описанию программной реализации предложенных алгоритмов и методов. При разработке комплекса МАРЛ-А программное обеспечение было разделено на две части, программа для бортового компьютера и программа для компьютера обработки. Разработка новых алгоритмов потребовала модификации программы для управления АФАР МАРЛ-А и полного изменения программного обеспечения компьютера обработки данных. В новом программном обеспечении полностью изменена архитектура. Для упрощения реализации алгоритмов предложен метод построения ПО, имеющего модульную структуру и позволяющего при изменении в стандартах об-

5

ю 4 +

к Й 3

а .

о 2

о к к о к а

ев «

53 ч а> К д

Я

<ц

а о а

Ф-.-4 искаженная характеристика , а д скорректированная характеристика

" смоделированная -хзрактериртика-

■

/7 ь

' ' "ТГ~ ж У+

к. 19. _.Т :ч \\ *____V-- '"г,*:* г/

¥ \ м

'1 г Л'Т + -

\ У'" \У4 к4 / / /4

А г' £

/

-15 -10 -5 0 6 10

Угол отклонения луча по азимуту,0

15

Рис. 5. Пеленгационные характеристики.

работки информации с радиозонда легко подключать необходимые программные модули для обработки новых форматов. Таким образом, при изменении алгоритмов обработки нет необходимости модифицировать все программное обеспечение, достаточно изменить программный модуль, отвечающий за работу определенной части комплекса. Приведена структурная схема построения программного обеспечения (рис. 6). ПО состоит из интерфейса управле-

Рис. 6. Структурная схема программного обеспечения.

ния комплексом и четырех модулей, а именно: модуля обработки дальности, модуля обмена информации с бортовым компьютером, модуля управления двигателем комплекса и модуля обработки телеметрии. Даны описания модулей, примененных в реализации данного программного обеспечения. Для связи между модулями и основным интерфейсом используется протокол обмена данными реализованный на сетевых протоколах TCP/IP. Это позволило создать программное обеспечение с возможностью удаленного управления и контроля радиолокатора, а также дало возможность применения данного ПО

на различных операционных системах, включая Windows всех версий и Unix-подобных системах.

Выводы по пятой главе: Разработанное программное обеспечение позволило упростить внедрение новых разрабатываемых модулей, дала возможность модернизировать и добавлять необходимые модули, не затрагивая другие компоненты программного обеспечения. Удаленное управление радиолокатором и контролем проведения выпусков радиозондов дает возможность создания удаленных рабочих мест операторов.

В Заключении приведены результаты, полученные в данной работе:

• Проведены исследования особенностей использования активной фазовой антенной решетки в радиолокаторе MAPJI-A в части создания и корректирования диаграмм направленности и пеленгационных характеристик. Разработано, апробировано и внедрено программное обеспечение, реализующее алгоритм проверки состояния и формирования неискаженной диаграммы направленности для данной АФАР.

• Детально рассмотрены алгоритмы измерения углов, примененные в первых промышленных образцах комплекса МАРЛ-А. Разработаны метод и новые алгоритмы, повышающие точность и достоверность измерения угловых координат. Разработано программное обеспечение, реализующее алгоритмы в комплексе МАРЛ-А. Проведены сравнительные испытания ранее используемого и разработанного алгоритмов измерения углов. Показано, что новый алгоритм измерения углов повышает точность измерения до 0,05°. Проведена проверка разработанного признака определения главного лепестка диаграммы направленности АФАР МАРЛ-А при проведении сопровождения радиозонда. Практические испытания подтвердили эффективность использования разработанных алгоритмов при сопровождении радиозонда.

• Разработаны метод и алгоритмы автоматического проведения выпусков в условиях ограниченной видимости места выпуска и для поиска радиозонда в случае потери при сопровождении. Рассмотрены условия, при которых проведение выпуска радиозонда без автоматического поиска представляется проблематичным. Показано, что точность измерения углов, получаемая при проведении автопоиска, достаточна для получения достоверных данных о положении радиозонда в пространстве.

• Разработана и предложена новая структура программного обеспечения АРВК, позволяющая легко внедрить разработанные в данной работе алгоритмы и методы улучшения характеристик комплекса МАРЛ-А. В соответствии с разработанной структурой создано программное обеспечение для управления и обработки данных АРВК МАРЛ-А. Разработанное программное обеспечение используется на всех аэрологических радиолокаторах МАРЛ-А, выпущенных заводом-производителем.

Результаты работы введены в состав конструкторской документации на комплекс МАРЛ-А РСНЕ.416311.011 в следующем виде:

1. Методы и программное обеспечение настройки и диагностики АФАР МАРЛ-А.

2. Программное обеспечение управления АФАР

3. Программный комплекс управления радиолокатором и создания результатов радиозондирования.

Список публикаций

[1] И. Г. Потемкин, А. В. Кочин, А. 3. Дубовецкий и др. Научное сопровождение промышленного производства и ввода в эксплуатацию нового

аэрологического комплекса МАРЛ-А // ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ УДК 621.396.67.- 2004.

[2] А. 3. Дубовецкий, А. В. Кочин. Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. — 2008. — № 7.

[3] А. 3. Дубовецкий, А. В. Кочин. Автоматический поиск радиозонда при проведении аэрологического радиозондирования атмосферы комплексом МАРЛ-А. // Естественные и технические науки.— 2009.— № 1,— С. 176.

[4] А.П. Кац, А. В. Кочин, А. 3. Дубовецкий. Организация оперативного обеспечения данными радиозондирования для метеорологического обеспечения запусков космических аппаратов // Материалы конференции "Проблемные вопросы открытия и эксплуатации трасс запусков космических аппаратов, баллистического и метеорологического обеспечения пусков ракет-носителей" / ЦЭНКИ. — 2010.

[5] А. В. Кочин, А. 3. Дубовецкий, А.П. Кац. Предложения по измерению параметров турбулентности в районе пусков космических аппаратов // Материалы конференции "Проблемные вопросы открытия и эксплуатации трасс запусков космических аппаратов, баллистического и метеорологического обеспечения пусков ракет-носителей" / ЦЭНКИ. — 2010.

[6] В. Чередин, А.Григорьев, А. Дубовецкий, А. Трещалин. Современные модемы для передачи телемеханических данных // Современные технологии автоматизации.—- 1997,— № 1.— С. 74.

[7] А.П. Трещалин, А.З. Дубовецкий. Устранение межсимвольных искаже-

ний в системах с многоуровневой амплитудно-импульсной модуляцией // Электронный журнал "Исследовано в России", — 2004,— С. 605.

[8] А.П. Трещалин, А.З. Дубовецкий. Новые методы устранения межсимвольных искажений в системах связи // Труды ХЬУ1 научной конференции МФТИ. — 2003.-С. 5.

[9] А.З. Дубовецкий, А.П. Трещалин. Методы восстановления тактовой синхронизации в современных системах передачи данных // Труды Х1ЛТ научной конференции МФТИ. - 2003. - С. 4.

[10] СЭМЗ. Радиолокационный комплекс МАРЛ-А. Руководство по установке и восстановлению работоспособности //

РСНЕ.416311.001РЭ1.

Подписано в печать 11.02.2011. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № ф-029

Отдел автоматизированных полиграфических систем „ФИЗТЕХ-ПОЛИГРАФ" 141700, Моск.обл., г. Долгопрудный, Институтский пер. д.9

Введение

Глава 1. Устройство радиолокатора МАРЛ-А.

1.1. Общие сведения о радиолокаторе МАРЛ-А.

1.2. Принцип работы и алгоритмы применяемые для обработки получаемых данных.

1.3. Анализ активной фазированной антенной решетки применяемой в МАРЛ-А.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. Метод и алгоритмы повышения точности и достоверности измерений координат комплексами на базе АФАР.

2.1. Признак определения главного лепестка.

2.2. Алгоритмы повышения точности измерения углов и метод многолучевого измерения.

2.3. Выводы к Главе 2.

Глава 3. Проведение автоматического поиска радиозондов комплексами радиозондирования на базе АФАР.

3.1. Особенности проведения автоматического поиска радиозондов.

3.2. Алгоритмы и метод автоматического поиска для определения положения радиозонда в пространстве.

3.3. Выводы к Главе 3.

Глава 4. Алгоритм коррекции диаграммы направленности и пеленгационных характеристик АФАР.

4.1. Влияние начального фазового распределения и фазовых ошибок на АФАР.

4.2. Алгоритм установки начального фазового распределения.

4.3. Выводы к Главе 4.

Глава 5. Программное обеспечение для управления MAPJI-A

5.1. Программа управления АФАР.

5.2. Структурная схема программы управления комплексом

5.3. Интерфейс взаимосвязи между модулями

5.4. Реализация удаленного доступа.

5.5. Выводы к Главе 5.

Актуальность работы.

Одной из наиболее важных систем получения информации о состоянии атмосферы для составления прогнозов погоды является система аэрологического радиозондирования. Данная система представляет собой сеть аэрологических станций, оборудованных комплексами радиозондирования, позволяющих производить измерения параметров а тмосферы (температуры, влажности) с определением точных 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, подвешенным к оболочке наполненной водородом или гелием. Положение радиозонда в пространстве во время полета определяется с помощью радиолокатора. Использование аэрологического радиолокатора как средства измерения описано в [1], а вся процедура проведения аэрологических наблюдений подробно описана в [2].

Аэрологическое радиозондирование атмосферы для прогнозирования погоды используется во всем мире. Выпуски производятся с таким расчетом, чтобы все выпущенные радиозонды находились примерно на высоте тропопаузы (около 9 км) в 00 и 12 часов по Гринвичу. При достижении высоты, соответствующей давлению 100 мБ и при достижении максимальной высоты, полученные данные температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра оперативно передаются в системы расчета прогноза погоды. Для создания достоверных прогнозов погоды очень важно обеспечивать достоверность данных, получаемых с помощью аэрологических комплексов радиозондирования атмосферы. Аэрологическая сеть России в настоящее время насчитывает 111 действующих аэрологических станций.

Большая часть станций оснащена комплексами, позволяющими получать данные высокого разрешения. Комплексы аэрологического радиозондирования на текущий момент остаются единственным средством измерения параметров атмосферы, позволяющие получать такие данные.

До 2001 года аэрологическая сеть Росгидомета была оснащена комплексами радиозондирования Метеорит и ABK. С помощью данных радиолокационных комплексов, данные высокого разрешения, необоходимые для более качественной оценки процессов происходящих в атмосфере, получать было невозможно. На комплексе Метеорит данные обрабатывались вручную, на АВК с помощью ЭВМ невысокой производительности. Развитие компьютерных и цифровых технологий позволило произвести модернизацию части установленных на сети комплексов АВК. Установка персональных компьютеров на эти комплексы позволило существенно улучщить качество получаемых данных радиозондирования. Но со временем механические и электрические части радиолокационных комплексов выходили из строя, производство их прекращалось, и замену дорогостоящим частям, в частности мощным СВЧ передатчикам, найти становилось все сложнее. В связи с этим требовалось провести разработку новго радиолокационного комплекса, использующего передовые технологии и технические решения.

На протяжении ряда лет Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО), в сотрудничестве с такими организациями как Московский государственный институт электронной техники(МИЭТ), ведет разработку новых систем радиозондирования для нужд метеорологических служб России . В [3] было отмечено, что 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. Первым образцом такого комплекса радиозондирования, стал разработанный в 1997 г. микроэлектронный аэрологический радиотеодолит МАРЛ-Т, опытный образец которого успешно прошел межведомственные приемочные испытания и был рекомендован для серийного производства. Разработка МАРЛ-Т показала, что на современном этапе развития электроники в России могут быть созданы конкурентоспособные радиолокационные системы, не уступающие зарубежным аналогам, и существенно превосходящие находящиеся в эксплуатации на сети Росгидромета комплексы типа АВК-1, таблица 1.

Таблица 1. Сравнение систем радиозондирования

Характеристика Тип оборудования

АВК-1 УПП Вектор Россия AIR-3A-RT2 AIR inc, США RT-20 Уа1за1а, Финляндия МАРЛ-Т СЭМЗ Россия МАРЛ-А СЭМЗ Россия

1 Тип системы Радиолокационная Радио- теодолитная Радио-теодолитная Радио-теодолитная Радиолокационная

2 Период разработки, годы 1975-1985 1982-1986 1991-1993 1991-1997 1998-2001

3 Масса, кг 3300 170 113 150 150

4 Потребляемая мощность (кВт) 10 0,1 0,3 0,3 0,2

5 Электропитание 220 В, 3 фазы 220 В 220 В 220 В 220 В

6 Система бесперебойного питания нет есть есть есть есть

7 Требуемая площадь помещения, кв. м 45, здание по спец. проекту 6 6 6 6

8 Наработка на отказ, час 150 неизвестно неизвестно 2000 2000

9 Рабочая частота, МГц 1782 1680 1680 1680 1680

10 Среднеквадра-тические ошибки измерения: -дальности, м 45 30

-угла места, 0,18 0,15 0,15 0,1 ОД град.

-азимута, град. 0,18 0,2 0,15 0,1 0,1

11 Наличие электровакуумных приборов есть нет нет нет нет

12 Сохраняемость первичных данных зондирования нет да да да да

13 Характеристики антенной систе- мы:

-тип зеркаль- пассив- пассив- АФАР АФАР ная ная АР ная АР

-сканирование электро- электро- электро- электрон- электронпо азимуту механи- механи- механи- ное + ное + ческое ческое ческое электро- электромехани- механическое ческое

-сканирование электро- электро- электро- электрон- электронпо углу места механи- механи- механи- ное ное ческое ческое ческое

Комплекс МАРЛ-Т был построен по схеме неизлучаещего радиотеодолита и позволял проводить измерения температуры, влажности скорости и направления ветра в атмосфере в зависимости от давления и геопотенциальной высоты, только при наличии на радиозонде датчика давления. В связи с тем, что аэрологическая сеть Российской Федерации оборудована активными радиолокационными комплексами радиозондирования, вычисляющего угловые координаты по излучению радиозонда, а дальность по ответу на запросный сигнал от радиолокатора, на серийно выпускаемых радиозондах датчик давления не устанавливается. Поэтому, для возможности обеспечения работы с серийно выпускаемыми для сети аэрологического зондирования России и стран ближнего зарубежья радиозондами МАРЗ и МРЗ-З, было решено разработать на базе МАРЛ-Т активный радиолокационный комплекс. В 1998 году была начата разработка комплекса радиозондирования, получившего название МАРЛ-А.

Первый рабочий образец комплекса был создан специалистами отдела НТЦР ЦАО и кафедры МРТУС МИЭТ в 2000 году [4], [5]. В основу разработки легла активная фазированная антенная решетка, разработанная специалистами МИЭТ. Опытный образец радиолокатора, после успешных испытаний в ЦАО, был установлен для проведения опытной эксплуатации на аэрологической станции "Ростов-на-Дону". Опытная эксплуатация показала, что комплекс способен проводить измерения с необходимой точностью и может являться заменой для устаревающих комплексов Метеорит и ABK. С 2001 года на аэрологическую сеть Росгидромета, для проведения регулярных наблюдений по разработанном методическим указаниям [6],начались поставки первых серийных образцов разработанного комплекса МАРЛ-А.

Во время эксплуатации первых образцов были выявлены недостатки, которые не позволили использовать комплекс МАРЛ-А для получения качественных данных радиозондирования:

• На первых установленных на сети радиолокаторах МАРЛ-А точность сопровождения радиозондов и проведения сопровождения Солнца при вертикальных углах до 40° составила около 0,2°. При углах более 60° погрешность измерения доходила до 0,5°. Для получения данных в виде стандартных телеграмм в соответствующих кодах TEMP, погрешность сопровождения 0, 2° не приводит к большим ошибкам, но для получения данных радиозондирования высокого разрешения при вертикальных углах до 90° и получения качественной информации в виде кода BUFR, такая точность недостаточна. Более того, не выдерживались технические условия, согласно которым среднеквадратичные значения ошибок измерения углов не должны превышать 0,1°.

Для проведения качественного радиозондирования, получения достоверных данных с повышенной точностью, необходимо было новые алгоритмы и методы измерений координат с уменьшенным влиянием дискретности фазовращателей на точность измерения углов.

• При эксплуатации на некоторых аэрологических станциях возникла проблема с захватом радиозонда с начала выпуска. Проблема связана с взаимным расположением радиолокатора и места выпуска. Такая ситуация возникла, например, на АЭ Долгопрудная. Место выпуска закрыто от радиолокатора деревьями и зданием. Для проведения удачного выпуска необходимо, чтобы радиолокатор начинал автоматическое сопровождение в момент, когда радиозонд, поднимаемый на оболочке, появляется в области видимости радиолокатора, что не всегда возможно. При неудачном начале выпуска, в случае, если зонд не удалось начать сопровождать, его необходимо найти в течении 5 мин, если же радиозонд за это время не найден, то выпуск считается сорванным. Для исключения ситуаций с невозможностью захвата радиозонда с места выпуска, а также для облегчения поиска радиозонда при его потере, требовалась разработка методов и алгоритмов 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 пеленгациопных характеристик комплекса МАРЛ-А с возможностью применения этих методов на уже установленных комплексах без их демонтажа и возврата на завод-производитель.

• Аэрологический комплекс МАРЛ-А является программно-агшаратным комплексом. Для управления и обработки данных радиозондирования используются один управляющий и один обрабатывающий компьютеры со специализированным программным обеспечением. Все поставленные задачи сводились к разработке методов и алгоритмов и их внедрению в программное обеспечение. Программное обеспечение, используемое в первых комплексах МАРЛ-А, было разработано для использования в операционной системе Windows 98 на устаревших средствах разработки программного обеспечения и его перенос на новые операционные системы, а также реализация новых алгоритмов по трудоемкости были сранимы с разработкой нового программного обеспечения. Для успешной реализации разрабатываемых алгоритмов было решено разработать новое программное обеспечение.

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 сеги, 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.

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 аэрологической 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 ХЬУ1 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 МЕТЕСЖЕХ-2008, г. Санкт-Петербург, 2008г и МЕТЕОКЕХ-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.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения,

Результаты работы введены в состав конструкторской документации на комплекс.МАРЛ-А РСНЕ.416311.011 в следующем виде:

1. Методы и программное обеспечение настройки и диагностики АФАР МАРЛ-А.

2. Программное обеспечение управления АФАР

3. Программный комплекс управления радиолокатором и создания результатов радиозондирования.

Заключение

В данной работе рассмотрены методы и алгоритмы использования АФАР в комплексах радиозондирования атмосферы, в частности:

• Рассмотрены алгоритмы и методы измерения углов, нрименямые в радиолокационных комплексах па базе АФАР. Рассмотрен алгоритм измерения угловых координат, примененный для АФАР в первых промышленных образцах комплекса МАРЛ-А. Предложен новый метод многолучевого измерения углов и на его основе реализован в программном обеспечении алгоритм комплекса МАРЛ-А, позволяющий повысить точность измерения углов. Предложен признак определения сопровождения радиозонда главным лепестком, позволяющий повысить достоверность измерения угловых координат. Разработано программное обеспечение реализующее разработанные алгоритмы в комплексе МАРЛ-А. Проведены сравнительные испытания используемого ранее и разработанного алгоритмов измерения углов. Испытания подтвердили что новый алгоритм измерения углов повышает точность измерения до 0, 05°. Проведена проверка разработанного метода определения главного лепестка при проведении сопровождения радиозонда. Практические испытания подтвердили эффективность использования данного метода при поиске и захвате радиозонда. Проведена оценка ошибки, возникающей из-за различия системы координат при измерении механических и электронных углов. Все алгоритмы повышения точности и достоверности измерений углов в комплексе реализованы в программном обеспечении и в настоящее время используются на аэрологической сети Росгидромета.

• Разработаны метод и алгоритмы автоматического проведения выпусков в условиях ограниченной видимости места выпуска и для поиска радиозонда в случае потери при сопровождении. Рассмотрена точность измерения углов, необходимая для получения достоверных данных при проведении автоматического поиска радиозонда. Алгоритмы реализованы в программном обеспечении комплекса МАРЛ-А. Алгоритм по поиску в узкой диаграмме направленности используется на сети при проведении радиозондирования атмосферы.

• Проведены исследования особенностей использования активной фазовой антенной решетки в радиолокаторе МАРЛ-А в части создания и корректирования диаграмм направленности и пеленгационных характеристик. Разработано, апробировано и внедрено программное обеспечение, реализующее алгоритм проверки состояния и формирования неискаженной диаграммы направленности для данной АФАР.

• Разработана и предложена новая структура программного обеспечения АРВК, позволяющая легко внедрить разработанные в данной работе алгоритмы и методы улучшения характеристик комплекса МАРЛ-А. В соответствии с данной структурой создано программное обеспечение для управления и обработки данных АРВК МАРЛ-А. Разработанное программное обеспечение используется на всех аэрологических радиолокаторах МАРЛ-А, выпущенных заводом-производителем.

1. Ахмеев А. В., Дидик Ю. И., Иванов В. Э. Аэрологический радиолокатор как средство измерений // Измерительная техника. 2003. № 6.

2. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, Выпуск 4, Аэрологические наблюдения на станциях, часть III, температурно-ветровое зондирование // РД 52.11.650. 2003.

3. Потемкин И. Г., Кочин А. В., Дубовецкий А. 3. и др. Научное сопровождение промышленного производства и ввода в эксплуатацию нового аэрологического комплекса МАРЛ-А // ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ УДК 621.396.67. 2004.

4. Ivanov A., Kochin A. Phase-array radar at Russian upper-air network // WMO. IOM. 2002. no. 75.

5. Chistuhin V., Ivanov A., Kochin A., Azarov A. The new phase array aero-logical radar-MARL // WMO techn. Conf. on meteorological and envir. Instruments and methods of observation / Beijing, China. 2000.

6. НТЦР ГУ „ЦАО", РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ Временные методические указания по производству радиозондирования атмосферы системой МАРЛ-А — МРЗ-ЗАТ РД 52.11.652-2003. 2003.

7. Азаров М. А., Кочин А. В., Чистюхин В. В. и др. Радиозондирование атмосферы, технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств. Екатеринбург, 2004.

8. Азаров М. А. Обработка сигналов телеметрии и дальности аэрологического зонда // Цифровая обработка сигналов. 2004. № 2.

9. Азаров M. А., Азаров А. С., Кочин А. В. О корреляционном методе обработки телеметрической информации в аэрологических системах радиозондирования // Научный вестник МГТУ ГА. 1999. № 18.

10. Азаров М. А., Азаров А. С., Кочин А. В. О модернизации наземных комплексов аэрологического зондирования // Научный вестник МГТУ ГА. 1999. Т. 18.

11. Бененсон Л. С. Антенные решетки. Методы расчета и проектирования: Обзор зарубежных работ. Москва: Радио и связь, 1966.

12. Baianis С. A. Antenna Theory. John Wiley & Sons, Ltd, 1997. ISBN: 0-471-59268-4.

13. Curry G. R. RadarSystem Performance Modeling. ARTECH HOUSE, 2005. ISBN: 1-58053-816-9.

14. Коростылев А. А., Клюев H. Ф., Мельник Ю. А. Теоретические основы радиолокации. Советское радио, 1978. f

15. Гостюхин В. Л., Гринева К. И., Трусов В. Н. Вопросы проэктирования активных ФАР с использованием ЭВМ. Москва: Радио и связь, 1983.

16. Хансен Р. К. Сканирующие антенные системы свч. Москва: Советское радио, 1966.

17. INRIA. Scilab. The Scilab Consortium On INRIA's site Domaine de Voluceau, Rocquencourt B.P. 105: http://www.scilab.org.

18. Skolnik M. I. RADAR HANDBOOK. McGraw-Hill, 2008. ISBN: 978-0-07-148547-0.

19. Филлипов В. С., Пономарев J1. И., Гринев А. Ю. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Москва: Радио и связь, 1994. ISBN: 5-526-00404-2.

20. Visser Н. J. Array and Phased Array AntennaBasics. TheAtrium, South-ernGate, Chichester, WestSussex P0198SQ, England: John Wiley & Sons, Ltd, 2005. ISBN: 100-470-87117-2(HB).

21. Mailloux R. J. Phased Array Antenna Handbook. ARTECH HOUSE, INC, 2005. ISBN: 1-58053-689-1.

22. Вендик О. Г., Парнес М. Д. АНТЕННЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ. Советское Радио, 2001.

23. Hansen R. С. Phased Array Antennas. John Wiley & Sons, Ltd, 1998. ISBN: 0-471-22421-9.

24. Азаров M. А. Обработка сигналов зондов в системах аэрологического зондирования нового поколения: Кандидатская диссертация / ГУ „ЦАО". 2006.

25. Амитей Н., Галиндо В., By Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. Москва: Мир, 1974.

26. Шишов Ю. А. Управление диаграммой направленности радиолокационных фазированных антенных решеток // Зарубежная радиоэлектроника. 1980. № 4.

27. Самойленко В. И., Шишов Ю. А. Управление фазированными антенными решетками. Москва: Радио и связь, 1983.

28. Аронов Ф. А. Новый способ фазирования многоэлементной антеннойрешетки дискетными фазовращателями // Радиотехника и электроника. 1966. № 7.29. Патент США 3387301. 1968.

29. Новоселов Е. К., Потравка В. Ф., Чернышев В. С., Шпунтов А. И. Повышение точности пеленгации в антенных решетках с дискретным фазированием // Антенны. 1980. № 28.

30. Патент Российской Федерации 2109376. 1998.

31. Патент Российской Федерации 2124807. 1999.

32. Антипов В. Н., Горяинов В. Т., Кулин А. Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. Москва: Радио и связь, 1998. ISBN: 5-256-00019-5.

33. Кузьмин Ю. И., Рудаков В. В. К определению точностных характеристик PJÏC Метеорит-2 по Солнцу // Труды ЦАО. 1985. № 185.

34. Kats A., Grinchenko V. Operational testing of the Russian AVK upper-air radars using tracking of the sun radiation // WMO. IOM. 2006. no. 94.

35. Дубовецкий A. 3., Кочин А. В. Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы MAPJ1-A // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008. № 7.

36. Дубовецкий А. 3., Кочин А. В. Автоматический поиск радиозонда при проведении аэрологического радиозондирования атмосферы комплексом МАРЛ-А. // Естественные и технические науки. 2009. № 1. С. 176.

37. Чередин В., Григорьев А., Дубовецкий А., Трещалин А. Современные модемы для передачи телемеханических данных // Современные технологии автоматизации. 1997. № 1. С. 74.

38. Трещалин А. П., Дубовецкий А. 3. Устранение межсимвольных искажений в системах с многоуровневой амплитудно-импульсной модуляцией // Электронный журнал "Исследовано в России". 2004. С. 605.

39. Трещалин А. П., Дубовецкий А. 3. Новые методы устранения межсимвольных искажений в системах связи // Труды ХЬУ1 научной конференции МФТИ. 2003. С. 5.

40. Дубовецкий А., Трещалин А. Методы восстановления тактовой синхронизации в современных системах передачи данных // Труды ХЬУ1 научной конференции МФТИ. 2003. С. 4.

41. СЭМЗ. Радиолокационный комплекс МАРЛ-А. Руководство по установке и восстановлению работоспособности / /-РСНЕ.416311.001РЭ1.

42. СЭМЗ. Малогабаритный аэрологический радиолокатор MAPJI-A // ПБА2.330.001 РЭ.

43. Stergios S. Advanced Signal Processing Handbook. CRC Press LLC, 2001.

44. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. Москва: Радиотехника, 2004. ISBN: 5-93198-027-9.

45. Gini F, Rangaswamy M. KNOWLEDGE-BASED RADARDETECTION, TRACKING,AND CLASSIFICATION. John Wiley к Sons, Ltd, 2008. ISBN: 978-0-470-14930-0.

46. Патент Российской Федерации 2280264, Многофункциональный радиолокатор. 2006.

47. Патент Российской Федерации 2368916, МОНОИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА СО СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫМ ОТВЕТЧИКОМ. 2006.

48. Гандин Л. С., Лайхтман Д. Л., Матвеев Л. Т., Юдин М. И. Основы динамической метеорологии. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1955.

49. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. Москва: Мир, 1986.

50. Горелик А. Л., Барабаш Ю. Л., Кривошеев О. И., Эпштейн С. С. Селекция и распознавание на основе локационной информации. Радио и связь, 1990. ISBN: 5-256-00721-1.

51. Хвостиков И. А. Очерки по физике земной атмосферы. Ленинград.

52. Kolawole М. О. Radar Systems,Peak Detection and Tracking. Newnes, 2002. ISBN: 0-7506-57731.

53. Акимов П. С., Евстратов Ф. Ф., Захаров С. И. и др. Обнаружение радиосигналов. Радио и связь, 1989. ISBN: 5-256-00198-1.

54. Mahafza В. R. Matlab Simulations for Radar Systems Design. Chapman & Hall, 2004. ISBN: 1-58488-392-8.

55. Mahafza B. R. Radar Systems Analysis and Design Using Matlab. Chapman & Hall, 2000. ISBN: 1-58488-182-8.

56. Makarov S. N. ANTENNA AND EM MODELING WITH MATLAB. JOHN WILEY & SONS, 2002. ISBN: 0-471-21876-6.

57. Mailloux R. J. Electronically Scanned Arrays. Morgan & Claypool, 2007. ISBN: 1598291823.

58. Nathanson F. E., Reilly J. P., Cohen M. N. Radar Design Principles. SCITECH PUBLISHING,INC, 1999. ISBN: 1-891121-09-X.

59. Ротхаммель К. Антенны. Москва: Энергия, 1979.

60. Роде Д: Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. Москва: Советское радио, 1960.

61. Shirman Y. D. Computer Simulation of Aerial Target Radar Scattering, Recognition, Detection, and Tracking. ARTECH HOUSE, INC, 2002. ISBN: 1-58053-172-5.

62. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. Питер, 2002. ISBN: 5-318-00666-3.

63. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. Москва: Радио и связь, 1981.

64. Воскресенский Д. И., Канащенков А. И. Активные фазированные антенные решетки. Радиотехника, 2004. ISBN: 5-93108-045-7.

65. Wehner D. R. High-Resolution Radar. ARTECH HOUSE, INC, 1995. ISBN: 0-89006-727-9.

66. Иванов В. Э., Фридзон М. В., Ессяк С. П. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и использования радиозондовых измерительных средств. Екатеринбург: УрО РАН, 2004.

67. Марфенко О. В. Оценка точности результатов радиозондирования на аэрологической сети Советского Союза // Метеорология и гидрология. 1969. № 3.

68. Решетов В. Д. Требования к точности радиозондирования атмосферы // Труды ЦАО. 1983. № 151.

69. Кречмер М. В. Ошибки определения скорости и направления вегра из-за неточного измерения координат // Труды ЦАО. 1966. № 74.

70. Ермаков В. И., Кузенков А., Юрманов В. Системы зондирования атмосферы. Гидрометеоиздат, 1977.

71. Трифонов Г. П., Плотников Г. А. Система автоматической обработки данных радиозондирования атмосферы на ЕС ЭВМ // Метеорология и гидрология. 1981. № 8.

72. Ефимов А. А. Принципы работы аэрологическогоинформационно-вычислительного комплекса ABK. Гидрометеоиздат, 1989.

73. Лялин К. С., Орешкин В. И., Чиркунова Ж. В. Особенности проектирования цифровых антенных решеток // Электроника. 2008. № 4.

74. Лялин К. С., Орешкин В. И. Вопросы построения цифровых антенных решеток // Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина. 2006.

75. Ратынский М. В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. Радио и связь, 2003.

76. Nickel U. Angular superresolution with phased array radar: a review of algorithms and operational constraints // IEE Proc. 1987. no. 134.

77. Nickel U. Fundamentals of Signal Processing for Phased Array Radar // RTO-EN-SET. 2006. no. 086.

78. Корнеева Т. M. Фазированные антенные решетки // ЭЛЕКТРОНИКА НТВ. 1998. № 5-6.