Загальні відомості.

Системи радіозондування призначені для дистанційного вимірювання метеорологічних елементів вільної атмосфери і являють собою сукупність радіотелеметричної і радіолокаційної (радіопеленгаційної) систем. Радіотелеметрична система служить для вимірювання метеорологічних елементів і передачі результатів вимірювань на відстані за допомогою радіохвиль, а призначенням радіолокаційної (радіопеленгаційної) системи є визначення координат вимірювального приладу в момент вимірювань. Вимірювання метеорологічних елементів атмосфери і передача результатів здійснюється за допомогою радіозонду, який являє собою сукупність відповідних вимірювальних перетворювачів і радіопередавача.

Положення радіозонду в просторі визначається трьома координатами, які залежать від використаної системи координат. Так, якщо використовується циліндрична система, то такими координатами є кут в горизонтальній площині (азимутальний кут) , кут у вертикальній площині (кут місця) і висота . При використанні сферичної системи координатами є: азимутальний кут , кут місця і похила дальність .

Розрізняють два типи систем радіозондування: радіопеленгаційні (радіотеодоліти) і радіолокаційні (радіолокаційні метеорологічні станції).

В радіотеодолітах вимірюються тільки кутові координати радіозондів, при цьому азимут і кут місця визначаються, як правило, методом порівняння (рівносигнальної зони), а третя координата – висота - обчислюється за виміряним тиском. Прикладом системи радіозондування на основі радіо теодоліту є система «Малахіт», в якій зондування здійснюється радіозондом типу А-22 спільно з радіопередавачем ПРБ-1,5, А-36 і А-43. В процесі експлуатації радіо теодоліт «Малахіт» був перетворений в радіолокаційну метеорологічну станцію шляхом введення до його складу дальномірної приставки.

В системах зондування на основі радіолокаційної станції використовується сферична система координат, і всі три координати вимірюються радіолокаційним способом: кутові координати (азимут і кут місця ) – методом порівняння (рівносигнальної зони), а дальність – імпульсним методом з активним формуванням відповідного сигналу.

Радіозонд, призначений для використання в такі системі, в принципі повинен містити два радіопередавача і один радіоприймач: один передавач - для передачі радіотелеметричної інформації, приймач – для прийому імпульсних сигналів запиту, другий радіопередавач - для випромінення сигналів на прийняті запитні сигнали. В сучасних радіолокаційних системах зондування роль передавача радіотелеметричного каналу, приймача сигналів запиту і передавача сигналів відповіді виконує один пристрій – над регенеративний прийомопередавач. За цим принципом улаштовані такі системи зондування, як «Малахіт» з дальномірною приставкою, що працює спільно з радіозондом типу А-22 і над регенеративним прийомопередавачем типу А-35-1П, «Метеор» («Метеорит»), який працює з радіозондом типу РКЗ-2, і «Метеорит-2», який працює з радіозондом типу РКЗ-5.

14.2 Принцип побудови систем радіозондування.

Система зондування «Метеор» («Метеорит») належить до другого покоління радіозондувальних комплексів, які прийшли на зміну комплексу «Малахіт». У цьому комплексі врахований досвід проектування і експлуатації радіозондувального комплексу першого покоління. В порівнянні з комплексом «Малахіт» система «Метеор» володіє більш високими точностями вимірювання кутових координат радіозондів, що обумовлено переходом в більш короткохвильовий діапазон хвиль (дециметровий, при довжині хвилі близько 17 см), великою максимальною дальністю дії за рахунок збільшення потужності передавача і збільшення чутливості прийомного пристрою, а також за рахунок збільшення направлених властивостей антенної системи. Крім того, в даній системі повністю автоматизований процес вимірювання координат радіозонду і супроводження радіозонду за кутовими координатами і дальністю, а також процес реєстрації радіотелеметричної і радіолокаційної інформації.

Потрібно вказати, що комплекс «Метеор» відрізняється також від комплексу «Малахіт» високим ступенем автоматизації керування. Дана система зондування випускалася промисловістю в двох варіантах: рухливому («Метеор») і стаціонарному («Метеорит»), які конструктивно один від одного не відрізнялися. Система може працювати в двох режимах: в режимі радіозонду і в режимі кутового відбивача. В режимі радіозонду комплекс працює як система комплексного температурно-вітрового зондування. В режимі кутового відбивача комплекс працює як система радіо вітрових вимірювань шляхом простежування змін поточних координат кутового відбивача, прикріпленого до оболонки.

Система «Метеор» («Метеоит») має такі технічні характеристики:

· діапазон частот - 1770 – 1795 МГц, що відповідає довжині хвилі близько 17 см;

· дальність автоматичного супроводження радіозонду з реєстрацією даних 150 км;

· дальність супроводження відбивача – приблизно 25 км;

· середня помилка визначення кутів в режимі автоматичного супроводження 7,2 м;

· середня помилка визначення дальності радіозонду в режимі автоматичного супроводження 40 м;

· точність реєстрації даних за кутовими координатами 3,6´;

· точність реєстрації даних за дальністю 10 м;

· точність реєстрації даних за частотою вимірювального сигналу радіозонду 1 Гц;

· напруга живильної мережі 220/380 В;

· споживча потужність 13,5 кВА.

Система «Метеор» може живитися від промислової мережі через перетворювальний агрегат 218 С, а за відсутністю промислової мережі – від власної дизельної електростанції типу ЕСД-20-ВЛ/230/Ч/400. Система «Метеор» («Метеорит») працює спільно з радіозондом типу РКЗ-2.

Радіозонд РКЗ-2. Радіозонд типу РКЗ-2 є однією з останніх модифікацій радіозондів даного типу, призначених для використання з радіозондувальним комплексом «Метеор» («Метеорит)». Він являє собою аерологічний вимірювальний радіотелеметричний прилад з часовим розділенням каналів і частотно-імпульсним кодуванням вимірювальної інформації. Радіозонд складається з вимірювальних перетворювачів температури і вологості, пристрою, що кодує, (у вигляді вимірювального генератору), часового механізму, над регенеративного прийомопередавача з переривчастою генерацією, генератора допоміжної напруги суперізації, а також високо стабільного резистора-еталона.

Вимірювальна інформація про значення температури і вологості повітря передається у вигляді низькочастотних пауз несучої високої частоти, частота проходження яких визначається значеннями вимірюваних метеорологічних елементів. Сигнали радіозонду використовуються для визначення його кутових координат і автоматичного супроводження радіозонда за кутовими координатами. Вимірювання кутових координат і супроводження радіозонду за кутовими координатами робиться методом рівносигнальної зони з конічним розгортанням. Вимірювання дальності до радіозонду здійснюється імпульсним методом з використанням активної відповіді. Відповідний сигнал випромінюється над регенеративним прийомопередавачем за отриманням запитного імпульсу від наземного радіозондувального комплексу.

Як вимірювальний перетворювач температури використовується напівпровідниковий терморезистор, вимірювальним перетворювачем вологості є плівковий перетворювач. Тиск в радіозонді РКЗ-2 не вимірюється. З метою усунення похибок вимірювань, обумовлених зміною параметрів елементів зонду в процесі польоту, до складу вимірювального генератора увімкнено високостабільний еталонний опір, який виконує роль еталонного вимірювального перетворювача. Принцип використання еталонного резистора для усунення похибок вимірювань, обумовлених зміною в часі параметрів радіозонду і джерела живлення, полягає в наступному.

В процесі польоту радіозонду внаслідок зміни параметрів зовнішнього середовища буде змінюватися частота проходження імпульсів пристрою, що кодує. Якщо одночасно з передачею вимірювальних сигналів передавати і еталонні сигнали, то очевидно, що зміна в часі параметрів радіозонду буде однаково позначатися як на результатах передачі вимірювальних сигналів, так і на результатах передачі еталонних сигналів. Якщо на прийомній стороні при обробці результатів вимірювань брати не абсолютне значення частоти проходження, що несе вимірювальну інформацію, а відношення частот проходження вимірюваного метеорологічного елементу і еталонного резистора, то виниклі похибки вимірювань, обумовлені впливом нестабільності апаратури, взаємно компенсують один одного.

Пристроєм, що кодує, радіозонда, або вимірювальним генератором, служить генератор від’ємних імпульсів із змінною частотою проходження імпульсів, яка залежить від значення опору, підключеного до сітки генератора. Переключенням вимірювальних перетворювачів і еталонного резистора на сітку лампи генератора імпульсів керує часовий механізм, роль якого виконує бароперемикач. Бароперемикач являє собою перемикач, рухливий контакт якого зв’язаний з рухливим центром мембранного перетворювача тиску. При зміні тиску під час піднімання радіозонду стрілка бароперемикача переміщується за контактною шкалою, послідовно займаючи положення на контактах або в проміжках між ними (рис.14.1). При цьому може бути три випадки.

1. Стрілка бароперемикача знаходиться в проміжку між контактами (на непровідній ділянці шкали). У цьому випадку до сітки лампи вимірювального генератора підключені послідовно з’єднані еталонний резистор і резистор первинного вимірювального перетворювача температури. Частота повторення вихідних імпульсів пристрою, який кодує, (вимірювального генератора імпульсів) буде визначатися зміною опору терморезистора.

2. Стрілка бароперемикача знаходиться на контакті вологості. У цьому режимі до сітки вимірювального генератора послідовно з еталонним резистором виявляється підключеним опором реостату вузла вологості і частота повторення від’ємних імпульсів вимірювального генератора буде визначатися зміною опору реостата вологості.

3. Якщо стрілка бароперемикача знаходиться на верхньому контакті, то терморезистор закорочується і до сітки вимірювального генератора виявляється підключений тільки еталонний резистор. У цьому випадку вимірювальний генератор буде вироблювати послідовність від’ємних імпульсів, частота проходження яких буде визначатися тільки опором еталонного резистора.

Від’ємні імпульси з виходу вимірювального генератора керують роботою надрегенеративного каскаду прийомопередавача. Вони, надходячи до керуючої сітки лампи генератора, переривають на час своєї тривалості (від 50 до 300 мксек) генерацію передавача, утворюючи паузи у випромінені. На прийомній стороні за частотою пауз і судять про значення виміряного параметру.   Рис.14.1 До пояснення принципу роботи бароперемикача радіозонду РКЗ-2.  

Надрегенеративний каскад прийомопередавача керується спеціальним модулятором, який виконує роль генератора допоміжної напруги частотою 800 кГц. Незважаючи на те, що в радіозонді РКЗ-2 тиск не вимірюється, за необхідності інформація про нього може бути отримана в результаті аналізу роботи бароперемикача за положенням його стріли, для чого бароперемикач заздалегідь тарується. На базі радіозонду РКЗ-2 виконаний передавач відповідач А-28, який містить тільки надрегенеративний блок, який використовується для радіовітрових вимірювань.

Система зондування «Метеорит-2» є на цей час основною базовою системою, призначеною для радіозондування атмосфери за допомогою радіозонду РКЗ-5, так і для здійснення ракетного зондування за допомогою метеорологічних ракет типу ММР-06. В ракетному варіанті комплекс має найменування «Метеорит-2Р». Для забезпечення такого використання системи «Метеорит-2» в ній передбачені заходи, які приводять до збільшення швидкодії автоматики, в першу чергу каналу автоматичного супроводження радіозонду за кутовими координатами. Така вимога обумовлена тим, що в процесі ракетного зондування автоматичне супроводження ракети за кутовими координатами необхідно починати зразу після сходу ракети зі стартової установки, незважаючи на те, що вимірювання будуть проводитися тільки на низхідній ділянці траєкторії. На висхідній ділянці траєкторії, особливо на її активній ділянці, ракета рухається з великими кутовими швидкостями відносно наземної станції і для впевненого супроводження ракети апаратура повинна володіти відповідною швидкодією.

Система «Метеорит-2» володіє великою дальністю супроводження радіозонду, що досягається підвищенням потенціалу станції: за рахунок застосування антенної системи з великими направленими властивостями; за рахунок застосування в приймальному пристрої підсилювача високої частоти, що привело до підвищення чутливості приймача; за рахунок підвищення тривалості пауз вимірювального генератора радіозонду, що дозволило скоротити смугу пропускання приймача і ще більше підвищити його підсилення.

Система «Метеорит-2» на відміну від системи «Метеор» має виносний пульт керування, призначений для візуального наведення антенної системи на радіозонд перед випуском і на початковій ділянці траєкторії з наступним автоматичним супроводженням за кутовими координатами. Необхідність введення такого пульту обумовлена тим, що на ділянці траєкторії польоту безпосередньо після випуску, особливо якщо випуск зонда проводився з навітряної сторони відносно точки розташування станції, радіозонд проходить з великими кутовими швидкостями і швидкодії системи автоматичного супроводження за кутовими координатами недостатньо для того, щоб здійснювати в такому режимі автоматичне супроводження радіозонду за кутовими координатами. З цією метою на початковій ділянці траєкторії зонду робиться його ручне супроводження (візуальне), а при досягненні зондом допустимих кутових швидкостей переміщення відносно антени станції робиться передача з ручного супроводження на автоматичне.

Система «Метеорит-2» має в своєму складі два передавача: малопотужний (1 кВт) і передавач великої потужності (200 кВт). Малопотужний передавач використовується при підготовці радіозонду до випуску і в перші моменти часу після випуску, коли діаграма направленості антенної системи лежить майже горизонтально.

В процесі проведення радіозондування передавачі працюють по черзі: при супроводженні радіозонду при малих кутах місця (до 6°) – передавач малої потужності, а при супроводженні радіозонду при великих вертикальних кутах - передавач великої потужності. Перехід від передавача малої потужності до передавача великої потужності здійснюється автоматично при досягненні антенною відповідного кутового положення.

Основні технічні характеристики системи «Метеорит-2» такі:

· діапазон частот 1772,5-1792,6 МГц, що відповідає довжині хвилі близько 17 см;

· імпульсна потужність передавачів: малопотужного 1 кВт, великої потужності – 200 кВт;

· тривалість випромінених імпульсів запиту 1,5 ± 0,3 мксек;

· частота повторення запитних імпульсів 416 Гц;

· діаметр відбивача антенної системи 2,5 м;

· ширина діаграми направленості (5 ± 1)°;

· чутливість приймача Вт;

· дальність автоматичного супроводження радіозонду з реєстрацією даних 250 км;

· дальність автоматичного супроводження стандартного кутового відбивача з стороною основи 500 мм – 50 км;

· межу обертання параболічної антени: за азимутом – необмежено, за кутом місця – від 0 до 90°;

· середня помилка визначення кутових координат 7,2′;

· серединна помилка визначення дальності 20 м при супроводженні радіозонду до 50 км і 40 м при супроводженні радіозонду до 150 км;

· серединна помилка визначення дальності кутового відбивача 25 м;

· точність реєстрації кутових координат 3,6′;

· точність реєстрації дальності 10 м;

· точність реєстрації частоти метеоелементів 1 Гц;

· споживча потужність 9 кВ·А при напрузі живлення 220 В.

Особливості радіозонду РКЗ-5. Радіозонд РКЗ-5 призначений для роботи з системою радіозондування «Метеорит-2». За своїм принципом побудови він практично не відрізняється від радіозонду типу РКЗ-2, при цьому значні відміни полягають в такому. В радіозонді РКЗ-5 на відміну від радіозонда РКЗ-2 годинниковий механізм виконаний у вигляді перемикача, що приводиться до руху мікроелектродвигуном. Перемикач являє собою круглу пластину, виконану з ізоляційного матеріалу, по зовнішній окружності якого розташовані нерухомі контакти, з’єднані з відповідними первинними вимірювальними перетворювачами. Рухливий контакт з’єднаний з ланцюгом сітки лампи вимірювального генератору.

Необхідність введення механічного перемикача замість бароперемикача обумовлена тим, що в ряді випадків радіозонд, попадаючи в зони струминних течій, зазнає значних горизонтальних зміщень без істотного вертикального підйому, внаслідок чого при такому переміщенні не відбувається переключення вимірювальних ланцюгів, тому що не відбувається помітної зміни тиску.

Другою відмінністю радіозонда РКЗ-5 від радіозонда РКЗ-2 є велика тривалість від’ємних імпульсів вимірювального генератора, а отже, і пауз у випромінені надрегенеративного прийомопередавача. Відомо, що збільшення тривалості імпульсних сигналів приводить до звуження спектру, що дозволяє застосовувати підсилювачі з меншою смугою пропускання, а отже, і з великим коефіцієнтом підсилення. В кінцевому рахунку це приводить до збільшення потенціалу системи ы до збільшення максимальної дальності дії системи радіозондування.

Джерела живлення радіозондів. Живлення анодних, розжарю вальних і вимірювальних ланцюгів радіозондів і над регенеративних прийомопередавачів, а також мікроелектродвигунів часових механізмів здійснюється від водоналивних хімічних джерел струму. Ємність цих джерел розрахована таким чином, щоб забезпечити роботу приладів як при підготовці до польоту, так і під час польоту. При порівняно тривалому часі розряду на розрахункове навантаження (2-2,5 год) ці джерела мають незначні габарити і масу, а також задовільні експлуатаційні характеристики. Вказані джерела струму забезпечують необхідні напруги після їх попередньої заливки водою і формування на навантажувальних опорах.

Для живлення радіозонду А-22 з прийомопередавачем А-35-1П використовується батарея 80-ПМХ-2ч, до комплекту якої входять дві батареї: анодна і розжарю вальна. Анодна батарея містить три секції по 27 елементів в кожній. Розжарю вальна секція складається з трьох послідовно з’єднаних секцій. Окремий елемент складається з магнієвого катоду з хлористого свинцю і діафрагми з алігніну. Під час розряду хімічна реакція протікає з великою кількістю споживчої води. Необхідна для реакції вода накопичується діафрагмою елемента при заливанні батареї. З двох сторін на елементи наноситься паста з з поліхлорвінілу і дибутілфтолату. Паста запікається і утворює тверду масу, яка закріплює, ізолює і фіксує елементи в секції. Батареї зібрані в один блок і поміщені в картонний футляр, викладений зсередини теплоізоляційними пластинами.

Для живлення радіозондів типу РКЗ використовується батарея типу 200-ПМХМ-2ч, яка складається з трьох секцій: анодної і двох розжарювальних. Як електроди в батареї використані магній і хлорна мідь, до складу якої добавлено по 5 % графіту і сажі. В іншому вона конструктивно така ж, як і батарея 80-ПМХС-2ч. У водоналивних батарей після формування протягом перших 10-20 хв роботи напруга продовжує зростати. Останній час (до 100 хв) напруга залишається порівняно постійною: за 2 год роботи при зміні температури навколишнього середовища від +20 до -70ºС зміна напруги складає не більше 6-7 %. В процесі роботи водоналивні батареї виділяють значну кількість тепла, що підвищує морозостійкість і створює порівняно стабільний «мікроклімат» всередині кожуха радіозонда.

Дата добавления: 2015-10-13