Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А

Повышение точности измерения углов в системе радиозондирования атмосферы МАРЛ-А Кочин Александр Васильевич Дубовецкий Андрей Зигмундович

В настоящее время для проведения аэрологического радиозондирования атмосферы по России вводятся в эксплуатацию аэрологические комплексы нового поколения отечественного производства МАРЛ-А. Система разработана для замены устаревшей техники и поэтапного переоснащения аэрологической сети новыми современными средствами радиозондирования. Комплекс представляет собой передовую разработку российских специалистов в области радиолокации и аэрологии, построенную на принципах использования активной фазированной антенной решетки и позволяет проводить радиозондирование атмосферы с высоким разрешением по высоте. [1]

Одной из важных характеристик для проведения радиозондирования атмосферы является точность измерения углов, от которой зависит точность вычисления высоты положения радиозонда. Зависимость высоты от измеренных углов приводится в. В комплексе МАРЛ-А существуют факторы, ухудшающие точность сопровождения по углам. Ниже рассматриваются причины вызывающие такое ухудшение и приведен алгоритм, позволяющий повысить точность измерения углов данным радиолокатором.

Комплекс МАРЛ-А в качестве антенны использует активную фазированную антенную решетку (АФАР). Активная фазированная антенная решетка содержит 64 приемо-передающих модуля и такое же количество сдвоенных дипольных излучателей. Пассивная часть антенны (сумматоры-делители, фазовращатели и излучатели) являются общими для передающей и приемной частей АФАР. Напряжение возбуждения АФАР разветвляется с помощью сумматоров-делителей на 64 канала, в которых напряжения фазируются и поступают через переключатели «прием-передача» в передающие части модулей. Управление лучом АФАР в вертикальной плоскости осуществляется путем формирования нужного фазового распределения поля в раскрыве антенны с помощью программы на микро-ЭВМ. Программные ячейки для управления фазой 4-битные, таким образом, изменение фазы для одного излучателя происходит с шагом в 360/16=22,5°. Измерение угловых координат выполняется методом квадрантного сканирования. При этом диаграмма направленности (ДН) АФАР периодически занимает одно из четырех положений: луч отклоняется на половину ширины ДН вверх, влево, вниз, вправо и т. д. Указанные ДН пересекаются вдоль равносигнальной линии (РСЛ). Смещение зонда от РСЛ приводит к амплитудной модуляции принятого сигнала с частотой сканирования. Глубина модуляции пропорциональна текущей угловой ошибке, а фаза модуляции соответствует направлению смещения зонда от РСЛ. Промодулированный сигнал с приемника подается на детекторы. На выходах 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. [2]

Алгоритм измерения угловых координат можно представить следующим образом:

луч АФАР наводится на цель, фазовое распределение углов рассчитывается по формулам:

для угла места:

(1)

для азимута:

(2)

где — фазы для — х элементов решетки,

 — расчетный угол места и азимут, , — координаты элемента решетки,

— функция параметра сигнала.

Подробнее о расчете фазового распределения описано в [1], [4]:

по отклонению луча от РСЛ на вход компьютера поступает оцифрованная ошибка;

положение луча корректируется с учетом этой ошибки.

Далее алгоритм повторяется до тех пор, пока ошибка не становится равной нулю и таким образом вычисляется действительное положение луча.

Описанный выше алгоритм показал хорошие результаты при эксплуатации комплекса МАРЛ-А, но ошибки сопровождения по углу места в некоторых случаях достигали 0,2 градуса. Основная причина это то, что управление фазовым распределением АФАР происходит дискретно с шагом управления фазой каждого излучателя равной 22,5 градуса. Соответственно управление лучом происходит также дискретно. В работе показана связь между погрешностями в распределении фазы и смещением главного луча диаграммы.

Рис. 1. Величина дискрета при положении угла 0° к нормали.

Для АФАР комплекса МАРЛ-А, по формулам (1), (2) и учитывая, что фазовое распределение имеет 16 дискретов для каждого элемента, были построены зависимости величины дискрета смещения луча от значения самого угла. Расчеты показали, что величина дискрета смещения луча не постоянна и зависит от угла между лучом АФАР и нормали к самой решетке.

На рис. 1, 2 приведены зависимости дискрета от смещения угла при различных начальных положениях луча.

Рис. 2. Величина дискрета при положении угла -20° к нормали.

Так как сопровождение радиозонда радиолокатором МАРЛ_А в дальней зоне ведется в пределах электронного угла ±3°, то по графику на рис. 1 можно определить, что в некоторых случаях величина дискрета доходит до 0,4 градуса. Точность измерения угла при таком положении электронного луча АФАР составит половину величины дискрета и может достигать 0.2 градуса. Такая точность измерения угла места, при удалении радиозонда на 60 км., даст ошибку измерения по высоте примерно 200 метров, а это в свою очередь отрицательно скажется на результатах зондирования. Поэтому, после анализа конструктивных особенностей АФАР и комплекса МАРЛ-А в целом, был разработан и реализован алгоритм, позволяющий повысить точность измерения углов.

В основе разработки алгоритма была попытка ввести в расчеты углов наклон пеленгационной характеристики, которая показывает зависимость величины смещения радиозонда от равносигнальной линии, и величину дискрета для каждого угла. При известном наклоне пеленгационной характеристике и заранее известной величине дискрета для каждого угла, можно давать точное положение радиозонда при каждом измеренном значении ошибки. Но наклон пеленгационной характеристики зависит от уровня сигнала приходящего с радиозонда, а этот уровень различен для разных радиозондов и меняется с удалением радиозонда от радиолокатора. На рис. 3 показаны пеленгационные характеристики для угла места, снятые с имитатора радиозонда при большом (сплошная линия) и малом (пунктирная линия) уровнях сигнала. По оси X — отклонение угла в градусах от равносигнальной линии, по оси Y — напряжение ошибки в вольтах.

Рис. 3. Изменение наклона пеленгационной характеристики в зависимости от уровня сигнала.

Ввести величину дискрета в расчет углов также не получается из-за того, что вычисление значения для каждого угла приводит к большим вычислительным затратам, а если использовать таблицу вычисленных значений, то к увеличению используемого объема памяти, а в конкретном исполнении комплекса МАРЛ-А это невозможно. Поэтому был разработан алгоритм, позволяющий измерить наклон пеленгационной характеристики в момент сопровождения радиозонда и свести к минимуму влияние величины дискрета.

Алгоритм заключается в следующем:

· по формулам (1), (2), рассчитывается фазовое распределение для угла предположительного нахождения радиозонда;

· рассчитывается фазовое распределение, дающее изменение текущего, вычисленного значения угла на ±1° и на ±2°;

· угол положения луча АФАР последовательно изменяется на +2°, +1°, 0°, -1°, -2° относительно заданного угла и каждый раз после изменения измеряются угловые ошибки. Так как величина изменения угла известна, а амплитуда ошибки измеряется, то в результате, по 5 точкам, можно построить экстраполированную пеленгационную характеристику вблизи текущего положения угла;

· вычисляется среднее значение ошибки положения радиозонда относительно заданного угла по измеренным значениям ошибок. При этом влияние величины дискрета после вычислений сильно уменьшено за счет нескольких изменений углов (по сути, происходит усреднение положения радиозонда относительно основного направления луча АФАР);

· учитывая заданный угол, усредненную ошибку и измеренный наклон пеленгационной характеристики, вычисляется действительное положение угла.

Алгоритм был реализован и апробирован на рабочем комплексе МАРЛ-А.

Одним из критериев оценки работоспособности аэрологического радиолокатора является сопровождение Солнца по углам и оценка качества сопровождения. Поэтому в качестве одного из испытаний предложенного алгоритма было проведение сопровождения Солнца. На рис. 4 приведен график зависимости ошибки сопровождения Солнца по углу места радиолокатором МАРЛ-А с использованием предыдущего алгоритма измерения углов и на рис. 5 график зависимости ошибки сопровождения Солнца новым алгоритмом.

Рис. 4. Ошибка сопровождения Солнца со старым алгоритмом измерения углов.

По оси X — отложены относительные отсчеты по времени, по оси Y — ошибка сопровождения по углу места в градусах, высчитанная как отклонение от расчетной траектории Солнца.

Рис. 5. Ошибка сопровождения Солнца с новым алгоритмом измерения углов.

По графикам видно, что точность измерения угла места при сопровождении Солнца повысилась.

В качестве испытаний были также проведены сравнительные выпуски радиозондов на АВК-1 и МАРЛ-А при использовании двух разных алгоритмов измерения углов. На рис. 6 приведен сравнительный график для МАРЛ-А с различными алгоритмами и АВК-1. На графике показано среднее абсолютных значений отклонения точек данных от среднего значения траектории в градусах, соответствующих временным данным полета радиозонда от 3200 секунд до 3800 секунд.

Рис. 6. Среднее абсолютных значений отклонения точек данных от среднего значения траектории.

По результатам 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 по 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 предыдущей системе измерения углов и как минимум в 2 раза по отношению к системе измерения применяемой в радиолокаторе АВК-1.

В результате экспериментальных и теоретических исследований и анализа текущих алгоритмов, используемых в комплексе МАРЛ-А, был разработан и реализован 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.

Литература

точность измерение угол аэрологическое радиозондирование

1. Вендик, О. Г. Антенны с электрическим сканированием / О. Г. Вендик, М. Д. Парнес; под ред. Л. Д. Бахраха. — Science Press, 2002 г. — 232с.

2. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 4. Аэрологические наблюдения на станциях. Часть III. Температурно-ветровое зондирование атмосферы. Руководящий документ. РД 52.11.650−2003. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2004 г. — 311с.

3. Основные принципы построения и алгоритмы работы аэрологического радиолокатора МАРЛ-А / А. С. Азаров, А. А. Иванов, А. В. Кочин, В. И. Сизов, В. В. Чистюхин. — электрон. текст. — ЦАО. — Режим доступа: http://www.caometeo.no-ip.org

4. Hansen, R.C. Phased Array Antennas / R.C. Hansen. — John Wiley and Sons, Inc., New York., 2001. — 504 p.