CC BY
46
УДК 621.96
О ВОЗМОЖНОСТЯХ РАСШИРЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ РАДИОЗОНДИРОВАНИИ АТМОСФЕРЫ
В.В. КАЗИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Лутиным Э.А.
В статье рассматриваются основные проблемы при радиозондировании атмосферы и актуальность развития данного направления, а также предлагаются методы расширения информационной способности канала передачи телеметрической информации при радиозондировании атмосферы.
Ключевые слова: радиозондирование атмосферы, телеметрическая информация, информативность.
Основные проблемы при радиозондировании атмосферы
В настоящее время радиозонды аэрологической сети Росгидромета с помощью датчиков производят измерения только температуры и относительной влажности, при этом давление не измеряется, а вычисляется по барометрической формуле р = р0 ехр[- Mg(к - к0) / КТ], лежащей в
основе барометрического нивелирования - метода определения разности высот Дк между двумя точками по измеряемому в этих точках давлению (р1 и р2). Поскольку атмосферное давление зависит от погоды, интервал времени между измерениями должен быть возможно меньшим, а пункты измерения располагаться не слишком далеко друг от друга. В данном случае будем иметь [1]: к -к0 = В(1 + сС) 1п(р1 /р2), где ^ - средняя температура слоя воздуха между точками измерения; а - температурный коэффициент объёмного расширения воздуха; В - барометрическая постоянная, равная 18400 м. Погрешность при расчётах по этой формуле не превышает 0,1 -0,5% от измеряемой высоты.
В качестве датчиков температуры в сетевых радиозондах используется терморезистор типа ММТ-1, измеряющий температуру с радиационными погрешностями, достигающими 150°С. Для измерения относительной влажности воздуха, как правило, используются устаревшие датчики.
При измерении параметров свободной атмосферы в результаты сетевого радиозондирования вводятся радиационные поправки на температуру, таблицы которых не учитывают собственную температуру термометрического тела, играющую на высотах свыше 22-23 км преобладающую роль в формировании теплового состояния датчика температуры. При измерении влажности поправки не вводятся, хотя систематическая составляющая погрешности датчиков достигает 44 %.
Методы повышения информативности телеметрической информации
Для увеличения информативности радиозонда, в его составе целесообразно применить датчик измерения турбулентности, который будет производить измерения масштаба структурной постоянной турбулентности окружающего воздуха в диапазоне от 5 до 500 м. В среде с масштабом турбулентности от внутреннего масштаба 10 до внешнего масштаба Ь0 структурная функция для показателя преломления в диапазоне 10 < К < Ь0 записывается в виде [ 1 ]
0(К ) = С; К 2 3, где Сп - коэффициент структурной постоянной показателя преломления, характеризующий турбулентность атмосферы. Так, при Сп = 0 - среда однородна, а перемещение всех её точек происходит с одинаковой скоростью. При = 1,2 см, Ь0=10л/ и Сп = 8 • 10-9 м_1/3 имеет место слабая турбулентность, при Сп = 4 • 10-8 м_1/3- средняя, а при 1а = 0,3 см Ь0 = 1 м и Сп = 5 • 10-7 м_1/3 - сильная турбулентность.
Измерение Сп производят путём регистрации распределения температуры среды, которая измеряется в двух точках на расстоянии К, что позволяет вычислить структурную функцию
температуры Qt (К )[Т (X + К) - Т (X )]2 = СТ К23, где СТ - коэффициент структурной постоянной флуктуаций температуры атмосферы.
Коэффициент структурной постоянной показателя преломления можно вычислить по формуле Сп = 78 • 10-6 СТ (к)р(к)/ Т2 (к), где Р(к) - давление в гПа; Т(к) - средняя температура воздуха в Кельвинах на высоте к.
Важное значение в обеспечении безопасности полётов гражданской авиации играют конвективные облака средней мощности «Си соп§.» и «Си шеё», вертикальная протяженность которых составляет от двух до четырёх километров. В одной из стадий развития конвективного облака, когда его верхняя граница достигает уровня естественной кристаллизации капель воды, в нем спонтанно (в результате развития лавинных и лавинно-стримерных процессов между зонами электрических неоднородностей) возникает предгрозовое электромагнитное радиоизлучение (ЭМИ). ЭМИ на этой стадии возникает. Имея информацию о распределении полей водности в облаках, можно прогнозировать дальнейшее изменение облака и степень опасности для следования ВС по трассе, что можно осуществить в течение нескольких секунд методами дистанционного зондирования, не требующими пролёта внутри облака. Этот метод может быть реализован с использованием компьютерной томографии при помощи двух радиотеплолокато-ров с поверхности земли (рис. 1)
Суша Суша, море Море
Рис. 1. Возможные схемы дистанционного зондирования конвективного облака
Для уменьшения количества ошибок при передаче телеметрической информации необходимо использовать канал передачи данных с применением помехозащищенного кодирования. В настоящее время на практике применяется относительно небольшая группа алгебраических помехоустойчивых кодов: Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ), Рида-Соломона (РС) и сверточные коды.
Коды БЧХ составляют один из больших классов линейных кодов, исправляющих ошибки. Коды БЧХ обычно задаются через корни порождающего многочлена g(x) степени п-к. К основным недостаткам можно отнести практическую сложность их применения в системе радиозондирования из-за наличия сложных кодирующих и декодирующих устройств в системе, что вызывается трудоёмкостью вычисления ошибки и коррекции принятого кода. Эти коды обычно используются в системах спутниковой связи с каналами, передающими большие потоки информации, которые отсутствуют в телеметрических системах при радиозондировании атмосферы. Второй недостаток проистекает из того, что вероятность ошибки декодирования сильно зависит от распределения потока ошибок в реальном канале связи. Таким образом, если в первом случае происходит неверное исправление ошибки, то во втором случае тоже будет ошибочное исправление кода. Из-за этого к двоичному набору информации прибавится еще набор байт искаженных символов.
Код Рида-Соломона (РС-код) является одним из частных случаев кода БЧХ [2]. Недостатки РС - кода вытекают из сложности его реализации, сильно зависящей от величины его основания. Для кодов Рида-Соломона вероятность ошибки декодирования при кратности ошибки, равной 5+1 и более, может стать больше требуемой величины вероятности ошибки декодирования.
Сверточные коды относятся к непрерывным рекуррентным кодам, поскольку последовательность информационных символов при кодировании не разбивается на блоки, а операции кодирования и декодирования символов кода происходят непрерывно.
Основной и наиболее существенный недостаток этого кода - высокая чувствительность к пакетным ошибкам. Сверточные коды имеют сложный алгоритм декодирования, который производится по алгоритму Витерби. Алгоритм восстанавливает переданную последовательность согласно критерию максимального правдоподобия, в котором вероятность ошибки декодирования зависит от распределения потока ошибок в реальном канале связи.
Таким образом, для передачи телеметрической информации наиболее подходящим видом помехозащищенного кода является код РС, так как, во-первых, не существует кода, у которого минимальное кодовое расстояние больше, чем у РС-кода, и в то же время РС-коды всегда оказываются короче всех других циклических кодов над тем же алфавитом. Во-вторых, код РС является одним из наиболее мощных кодов, исправляющих многократные пакеты ошибок, а поэтому он применяется в каналах, где пакеты ошибок могут образовываться столь часто, что их уже нельзя исправить другим видом кодирования. Наконец, коды РС имеют меньшую сложность технической реализации по отношению к БЧХ и свёрточным кодам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. Радиозондирование атмосферы. - М.: Изд-во УРО РАН, 2004.
2. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976.
INCREASING OF INFORMATIVENESS OF TELEMETERING INFORMATION DURING RADIO SOUNDING OF ATMOSPHERE
Kazin V.V.
In article describes the basic problems of radio sounding of atmosphere, an urgency of development of this area and methods of increasing of informativeness of this system.
Key words: radio sounding of atmosphere, the telemetering information, informаtiveness.
Сведения об авторе
Казин Виталий Викторович, 1988 г.р., окончил МГТУ ГА (2010), аспирант МГТУ ГА, автор 1 научной работы, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, радиозондирование атмосферы, поляризация радиоволн.
