МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНТРАНС РОССИИ) ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ) ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» АВИАЦИОННАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ. МЕТЕОРОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ В АЭРОПОРТАХ Методические указания по выполнению лабораторных работ Часть 2 Для студентов ФЛЭ, КФ, ИТФ, ФААП И ЗФ Санкт-Петербург 2014 2 Одобрено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом Университета ГА Ш87(03) Авиационная метеорология. Метеорология и экология в аэропортах: Методические указания по выполнению лабораторных работ, часть 2, СПб ГУ ГА, Санкт-Петербург, 2014. Издаются в соответствии с программами учебных дисциплин «Авиационная метеорология», «Метеорология и экология в аэропортах». Представлены методические указания к выполнению лабораторных работ по изучению методов радиозондирования атмосферы и измерения нижней границы облаков на аэродромах ГА. Предназначены для студентов ФЛЭ, ФААП и ЗФ специализаций ЛЭГВС, УВД, АНОП, ОРТОП, ОрАД и др. Составители: Д.Н.Арзаманов, канд.техн.наук, доц. С.В.Дробышевский, ст.преп. В.М.Саенко, канд.техн.наук. Рецензент: Л.Ю.Белоусова, к.г.н., проф. © СПб ГУ ГА, 2014 3 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Целью метеорологического обеспечения гражданской авиации является обеспечение безопасности, регулярности и эффективности полетов путем предоставления воздушного экипажам движения метеорологической воздушных и информации, судов, другим органам авиационным необходимой для обслуживания пользователям выполнения их функциональных обязанностей. Метеорологическая информация, предназначенная для авиационных пользователей, должна быть своевременной, максимально краткой и легко интерпретируемой. На аэродромах ГА для получения данных о фактическом состоянии погоды проводятся метеорологические, аэрологические и радиолокационные метеонаблюдения, а также используется информация с метеорологических искусственных спутников Земли (МИСЗ), бортовая погода. Метеонаблюдения на аэродромах ГА должны производиться на пунктах, расположенных и оборудованных таким образом, чтобы обеспечивать предоставление данных, характерных для участков летного поля, где осуществляется взлет и посадка воздушных судов. Состав и размещение метеорологических приборов и оборудования должны соответствовать Нормам годности к эксплуатации гражданских аэродромов (НГЭА) и дополнений к ним. Объем, сроки и места производства метеорологических наблюдений на аэродромах ГА, а также доведение их результатов до потребителей регламентируется Наставлением по метеорологическому обеспечению полетов в ГА (НМО ГА -95). Для производства наблюдений на аэродромах создаются следующие пункты наблюдений: основной (ОПН), вспомогательный (ВПН) и дополнительный (ДПН). На аэродромах, оборудованных системами посадки, ОПН располагается вблизи стартово-диспетчерского пункта (СДП) того курса, с которого наиболее 4 часто производится взлет и посадка ВС. В аэропортах, не оборудованных системами посадки, ОПН располагается у командно-диспетчерского пункта. На ОПН размещается метеорологическая площадка. Стандартный размер метеорологической площадки (26x26) кв. м. Она оборудуется на открытом месте, вдали от водоемов (не менее 100 м), лесных массивов и зданий (на расстоянии не менее десятикратной их высоты) и ограждается металлической сеткой. Устройство площадки, ее размеры, размещение и ориентировка должны соответствовать Наставлению по производству наблюдений на гидрометеостанциях и постах Роскомгидромета, выпуск 3, часть 1. Сообщения о метеонаблюдениях выпускаются в виде сводок для передачи открытым текстом в целях их использования местными потребителями и в кодовой форме METAR для распространения за пределы аэродрома. Сводки, предназначенные для передачи на диспетчерские пункты, сообщаются открытым текстом в структуре кода METAR, а в органы, обеспечивающие формирование текстов ATIS и VOLMET (для ВС, находящихся в воздухе), в развернуто-словесном варианте METAR. Проведение лабораторных занятий предусматривает предварительное ознакомление студентов с метеорологической аппаратурой и приборами, используемыми для метеорологических измерений на АМСГ аэродромов ГА, правилами их эксплуатации, методами измерения и обработкой полученных данных. Для этого перед выполнением лабораторной работы необходимо заранее самостоятельно по учебным пособиям и рекомендованной литературе изучить теоретические положения по теме, а также устройство приборов, цель и порядок выполнения работ. На лабораторном занятии студенту требуется: – ответить на контрольные вопросы преподавателя по оценке готовности к занятию и знания условий техники безопасности при выполнении лабораторной работы; 5 – произвести требуемые измерения и выполнить необходимые расчеты; – составить отчет по лабораторной работе. Отчет по работе представляется в письменном виде в тетради. Отчет состоит из: – краткого описания устройства приборов, принципов измерения метеоэлементов, применяемых датчиков, поправок, вводимых в измерения (их физического смысла), точности измерений; – результатов измерений и необходимых расчетов, оформленных в виде таблиц или графиков, а также анализа полученных данных. Отчет о выполненной работе представляется преподавателю индивидуально. К экзамену по учебной дисциплине допускаются студенты, получившие «зачет» по всем лабораторным работам. При контрольном опросе и приеме зачетов (защите лабораторной работы) могут использоваться персональные компьютеры и автоматизированные обучающие системы. 6 Лабораторная работа 4 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЫ Время: 4-8 ч. Цель работы: ознакомиться с методами исследования свободной атмосферы, их ограничениями и возможностями, порядком обработки полученной информации о метеорологических элементах. Порядок выполнения: 1. Изучить краткие теоретические сведения о методах исследования атмосферы и получения метеорологической информации. 2. Изучить сущность шаропилотного теодолитного метода определения характеристик ветра на высотах, методику обработки первичных шаропилотных данных с использованием аэрологического планшета и расчетных формул. В отчете сделать краткое описание метода. 3. Подробно ознакомиться с метеорологическими радиотехническими комплексами зондирования атмосферы и функциональным назначением отдельных блоков радиозонда. В отчете представить краткую информацию по радиолокационным метеорологическим станциям и радиозондам. 4. В соответствие с вариантами первичных данных шаропилотных наблюдений определить ветровые характеристики. Полученные результаты представить в виде таблицы. 5. Определить значения характеристик ветра для уровней 200, 300, 500, 700, 1000, 1200, 1500 и 2000 м. 6. Определить термический ветер (DТ , Т ) в слое 1500-2000м. 7. Произвести расчет эквивалентного ветра при условии, что воздушная скорость самолета V равна 200 км/ч, а путевой угол 80° для высот 1000, 1500, 2000 м. Оборудование и материалы: инженерный калькулятор. радиозонд, аэрологический планшет, 7 Форма отчёта: краткое описание шаропилотного метода и метода радиозондирования и результаты обработки исходных данных на планшете и по расчетным формулам. Литература: 1- Осипов Ю.Г., Герасимова Н.В., Дядюра А.В. Устройство и принцип действия аэрологической информационно-измерительной системы «Улыбка». Учебное пособие по дисциплине Методы зондирования окружающей среды.СПб; РГГМУ, 2009 – 60с; 2- Павлов Н.Ф. Аэрология, радиометеорология и техника безопасности.Ленинград: Гидрометеоиздат, 1980 – 432с; 3- А. С. Азаров, А. А. Иванов, А. В. Кочин, В. И. Сизов, В. В. Чистюхин Основные принципы построения и алгоритмы работы аэрологического радолокатора МАРЛ-А; 4- Радиозонды малогабаритные МРЗ-3АК1: Руководство по эксплуатации / ШЛИГ.405543.002 РЭ / ОАО «Радий»; 5- www.meteorf.ru - (Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет)); 6- www.cao-rhms.ru – (ФГБУ Центральная аэрологическая обсерватория); 7- www.radiy.ru – (ОАО «Радий»). Пояснения к расчётам: Исходные данные выбираются исходя из порядкового номера студента по списку (табл. 2). Порядок обработки данных шаропилотных наблюдений и формулы для производства расчётов представлены в теоретическом материале. Рассмотрим подробнее порядок расчета параметров ветра для различных моментов отсчета. a) Для первой точки. Вначале рассчитываем горизонтальную проекцию шара-пилота в первый момент отсчёта, по формуле: 8 t1 tg1 . L1 H1 ctg 1 (1) Так как, после выпуска, шар-пилот перемещается по ветру, то направление проекции шара-пилота совпадает с направлением ветра и поэтому метеорологическое направления ветра рассчитывается по следующей формуле: в1 1 180 . (2) Скорость ветра определяется по формуле: в1 L1 L L 1 1 t t1 t0 t1 (3) b) Для второй и последующих точек порядок расчета становится немного сложнее. Связано это с тем, что направление проекции перемещения шарапилота не совпадает с направлением ветра, как это было в первом случае. Вначале рассчитываем горизонтальную проекцию шара-пилота в i-й момент времени (где i= 2-10), по формуле: Li H i ctg i Затем рассчитывается ti tg i . радиальная Lr (4) и тангенциальная L , составляющие проекции вектора ветра на проекцию перемещения шара-пилота в i-й момент времени. Lr i Li Li 1 cos( i i 1 ) , (5) L i Li sin(i i 1 ) . (6) Далее определяется угол отклонения проекции перемещения шарапилота от направления проекции ветра i . i arctg L i Lri . Параметры ветра определяются по формулам: (7) 9 180, если Li Li-1 вi i i , i i , если Li Li-1 L2 i L2r i Lвi вi t ti ti 1 (8) . (9) Все полученные расчётные значения сводятся в таблицу с исходными данными (табл. 1). Более подробное объяснение приведено в теоретическом материале. Таблица 1 Сводная таблица с исходными данными и результатами расчётов Номер отсчета Угол Ветер горизон- верти- i i t, мин тальный, кальный, 1 0,5 48,5 46,4 2 1,0 58,5 33,5 3 1,5 64,5 33,5 4 2,0 70,2 29,5 5 2,5 74,5 28 6 3 75,5 26,5 7 4 80,5 25,2 8 5 82,5 25,1 9 6 88 28,3 10 7 91,5 29 Н, м H iср , м направление, скорость, вi вi Таблица 2 Варианты исходных данных 30 48,5 46,4 74,5 58,5 28 40 66 58,5 257,5 38 311 32,5 46 25 358 56 89 40 88,5 27 60 58,5 33,5 78,6 61 20 30 76 44 264,5 30 311 28 50 21 4 39,5 100 39 92 26 90 64,5 33,5 87 49,5 15 26 79 41,5 273,5 25,5 319 24,5 51 20,5 17,5 28,5 107 33 96 25 120 70,2 29,5 87 42 16 25 79 40 277,5 24,5 327 21 58,5 20 23 23,5 111 28 105 22 150 74,5 28 88 37 18 25 78 40 277 23,5 331 19 65 19 24 21 112 26 112 20 180 75,5 26,5 90,5 34,5 19 24 79 39,5 280 23 332 18 69 19 24 20 112,5 24,5 113 18,5 240 80,5 25,2 94,5 33 20 23 80 37 287,5 23 335 17 72 20 23 19 109,5 23 117 17 300 82,5 25,1 102,5 32 20,5 22 81 35 292 25 338,5 16 74 19 22,5 18 106 22 118,5 16 360 88 28,3 109 30 20,5 20 82 33,5 294 26 342 16 76 19 21 18 102,5 21,5 119 15,5 420 91,5 29 111,5 28 21 19,5 85 32,5 293 26 345 16 79 19 20,5 18 100 21 119 15 10 отсчёта, сек Время см Длина окружности, 229 вертикальный Подъёмная сила, г 152 горизонтальный см Длина окружности, 196 вертикальный Подъёмная сила, г см 196 горизонтальный Длина окружности, 222 вертикальный Подъёмная сила, г 135 горизонтальный см Длина окружности, 220 вертикальный Подъёмная сила, г 195 горизонтальный см Длина окружности, 231 вертикальный Подъёмная сила, г см 203 горизонтальный Длина окружности, 230 вертикальный Подъёмная сила, г 105 горизонтальный см Длина окружности, 210 9 вертикальный Подъёмная сила, г 158 8 горизонтальный см Длина окружности, 193 7 вертикальный Подъёмная сила, г 104 6 горизонтальный Длина окружности, 224 5 вертикальный Подъёмная сила, г см 183 4 горизонтальный 204 3 вертикальный 119 2 горизонтальный Угол Длина окружности, оболочки 1 Подъёмная сила, г Параметры 0 см Вариант 11 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Основные методы аэрологических измерений Аэрологические наблюдения производятся с целью измерения параметров ветра, температуры, влажности воздуха и атмосферного давления вне приземного слоя до высот 40 км. Определение параметров ветра представляет собой одну из главных задач аэрологических измерений. Для измерения скорости и направления ветра в свободной атмосфере могут быть использованы два метода. Первый метод заключается в наблюдении с земной поверхности за перемещением объектов, свободно увлекаемых воздушными потоками и перемещающихся со скоростями этих потоков. Сущность второго метода состоит в измерении давления воздушного потока на неподвижное тело. Если первый метод предполагает использование выпускаемых в свободный полет средств, вес которых меньше веса воздуха, то при втором методе измерительные приборы должны подниматься в свободную атмосферу с помощью носителей, скорость перемещения которых в атмосфере отличается от скорости воздушных потоков. При использовании первого метода объектами наблюдений, перемещающимися со скоростями воздушных потоков, могут объекты как естественного, так и искусственного происхождения. Естественными объектами могут являться отдельные облака, расположенные на различных высотах, метеорные следы, остающиеся в атмосфере после сгорания метеоров. Следует заметить, что первая информация о наличии и параметрах струйных течений на определенных высотах была получена именно посредством наблюдений за движением атмосферных образований и метеорных следов на различных высотах. Получение информации о ветре в свободной атмосфере, основанное только на использовании естественных объектов, носит случайный характер, так как они образуются в атмосфере эпизодически и не на всех 12 высотах. Этого, оказывается, недостаточно, так как сведения о ветре необходимы по всей толщине атмосферы. Для получения информации о ветре во всей толще атмосферы или по крайней мере в ее значительной нижней части необходимо использовать такие искусственные объекты, которые бы перемещались не только в горизонтальном, но и в вертикальном направлении. Такими объектами являются шары-пилоты, радиопилоты, радиозонды, свободные аэростаты (автоматические и поднимающиеся в атмосферу вместе с людьми), самолёты, а также метеорологические ракеты. Таким образом, в комплексе аэрологических наблюдений различают: ветровое зондирование с помощью выпуска шаров-пилотов, комплексное температурно-ветровое радиозондирование, самолётное зондирование, выпуск аэростатов и трансзондов. Верхние слои атмосферы зондируются с помощью ракет и спутников. Аэростатное зондирование. Аэростатом называется летательный аппарат, плавающий в атмосфере благодаря подъемной силе заключенного в оболочке газа. Подъемная сила аэростата создается за счет аэростатического принципа, основанного на законе Архимеда. Для создания подъемной силы оболочку наполняют газом, удельный вес которого меньше удельного веса воздуха. По способу управления в полете аэростаты делятся на управляемые (дирижабли), неуправляемые (свободные аэростаты с экипажем или без него) и привязные. Для целей исследования атмосферы использовались свободные и привязные аэростаты. Свободные аэростаты с герметически закрытой гондолой для экипажа, предназначенные стратостатами. На для принципе полетов в стратосферу, аэростата основаны так называются называемые метеорологические баллоны, выпускаемые в полет без экипажа и оснащенные автоматическими приборами (или без них). В процессе проведения аэростатного зондирования может быть получена информация о характеристиках поля ветра, температуре, притоках тепла в 13 атмосферу, радиационных потоках, характеристиках турбулентности и типах макропроцессов. Самолётное зондирование. Измерение метеорологических элементов и других параметров атмосферы с помощью измерительных приборов, установленных на самолетах (вертолетах), а также наблюдение атмосферных процессов с борта самолета называется самолетным зондированием. Самолетное зондирование может проводиться регулярно в любое время суток и по желаемым траекториям. Одной из важных особенностей современного самолетного зондирования является возможность подъема на борту большого числа сложных приборов, независимо от их габаритов и весовых характеристик. Это обстоятельство делает возможным проведение комплексных исследований атмосферы. В процессе самолетного зондирования практически отсутствует влияние на результаты измерений преобразователей набегающим информационных метеоэлементов воздушным вследствие потоком, свойств измерительных хорошей их обусловленным вентиляции значительной горизонтальной скоростью самолета. В то же время кинетическая энергия воздушного потока приводит к нагреванию чувствительных элементов, что следует учитывать при обработке результатов измерений. Важной особенностью самолетного зондирования является его оперативность, так как при наличии радиотехнических средств связи самолета с землей основные результаты измерений могут быть переданы с борта еще непосредственно в процессе полета. В ряде случаев при необходимости оперативной обработки получаемой метеорологической информации на борту самолета-зондировщика может устанавливаться ЭВМ, которая обрабатывает получаемую информацию практически в реальном масштабе времени. Возможности самолетного зондирования атмосферы значительно расширились в связи с появлением современных технических средств регистрации измерительной информации с помощью запоминающих устройств. 14 Одним из основных достоинств самолетного зондирования является возможность нахождения на борту самолета в течение всего времени полета опытных бортаэрологов, в функции которых входит обеспечение работоспособности бортовых аэрологических приборов, непосредственное участие в проведении измерений и наблюдение за рядом метеорологических процессов и характеристик, которые в настоящее время еще недостаточно поддаются количественным измерениям. К ним следует отнести нижние и верхние границы облачных слоев, характер их поверхности, плотность и микроструктуру облаков, степень атмосферной турбулентности, условия обледенения самолетов и др. В настоящее время Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды РФ проводит работы по созданию на базе серийного самолёта ЯК-42Д летающей метеорологической лаборатории нового поколения для изучения тонкой структуры атмосферы (рис. 1). Рис. 1. Самолёт Як-42Д, базовый летательный аппарат для создания самолёта-лаборатории нового поколения. На борту самолёта-лаборатории ЯК-42Д будет установлена современная аппаратура для измерения температуры, давления и влажности воздуха, ветра, 15 турбулентности, исследования микрофизической структуры облаков и осадков, изучения газового и аэрозольного состава атмосферы, излучения в атмосфере, атмосферного электричества, радиолокационных характеристик облаков и рельефа местности, подстилающей радиационных поверхности, и теплофизических радиоактивного загрязнения характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Ракетное зондирование. Метеорологической ракетой называется ракета с установленными на ней измерительными приборами, предназначенная для исследования верхних слоев атмосферы. Запуск первой ракеты с целью измерения различных метеорологических характеристик был осуществлен 11 апреля 1937г., но регулярное зондирование атмосферы с помощью специализированных типов ракет началось лишь в 50-х годах. За этот период в нашей стране сменилось несколько типов метеорологических ракет: МР-1, М100, МР-12, ММР-06 (рис. 2). Были созданы и так называемые геофизические ракеты В-2А, В-5В, «Вертикаль-1», «Вертикаль-5» и некоторые другие. Для осуществления зондирования атмосферы с помощью метеорологических ракет используются системы ракетного зондирования. Система ракетного зондирования состоит из собственно метеорологической ракеты и наземного ракетного измерительного комплекса, под которым понимается совокупность наземных радиотехнических средств, предназначенных как для получения радиотелеметрической информации о параметрах атмосферы, так и для измерения координат ракеты в момент измерений. В связи со спецификой решаемых задач метеорологические ракеты должны соответствовать определенным требованиям: 1. Конструкция ракеты должна обеспечивать доставку измерительных приборов на заданную высоту, при этом она должна выдерживать определенный уровень перегрузок. 16 2. Для передачи результатов измерений на наземный измерительный комплекс в состав бортовой аппаратуры, помимо непосредственной аппаратуры измерений, должна входить бортовая радиотелеметрическая аппаратура, а также бортовая аппаратура радиолокационных траекторных измерений. В ряде случаев целесообразнее вместо передачи результатов измерений на землю по радиоканалу записывать их на запоминающее устройство на борту ракеты. В этом случае возникает сложная задача сохранения контейнера с результатами измерений. Рис. 2. Метеорологические ракеты. Цифрами обозначены: 1-головная часть с научной аппаратурой; 2- парашют; 3бак окислителя; 4- бак горючего; 5- камера ЖРД; 6- камера ТРД с пороховым зарядом; 7- стабилизатор. 17 3. На метеорологической ракете вся измерительная и другая аппаратура должна располагаться в том месте, где возможный температурный перегрев наименьший. Дело в том, что в процессе полета на поверхности ракеты развивается такая высокая температура, что измерительные приборы, размещенные внутри корпуса ракеты, без тепловой изоляции могут получить повреждения. При движении ракеты на активном участке траектории она должна быть определенным образом стабилизирована в пространстве. На пассивном участке траектории, когда производятся происходит спуск приборного измерения параметров атмосферы, контейнера должен и быть стабилизирован приборный контейнер. 4. Важным условием успешного функционирования метеорологической ракеты является система спасения, обеспечивающая сохранность контейнера с аппаратурой. Система спасения метеорологических ракет обычно представляет собой один или несколько парашютов и устройств, обеспечивающих необходимое гашение скорости, демпфирование удара и отцепление парашюта в момент приземления, а также необходимую степень плавучести в случае приводнения. При полете ракеты в разреженной атмосфере корпус и полость ракеты выделяют адсорбированный воздух, в результате чего вокруг ракеты образуется «собственная атмосфера». Для исключения влияния «газования» ракеты приборы, измеряющие давление, температуру и состав атмосферы, как правило, выносятся в переднюю часть ракеты, на ее шпиль, где влияние газовыделения не столь существенно. Аппаратура наземного измерительного ракетного комплекса должна обеспечивать прием по радиоканалу результатов измерения параметров атмосферы, передаваемых с борта метеорологической ракеты, и измерение координат приборного контейнера в моменты проведения измерений. При этом получение измерительной информации и проведение измерений координат 18 приборного контейнера в моменты измерений должны быть строго синхронизированы. Наземный измерительный комплекс должен обладать эффективной системой регистрации получаемой телеметрической информации и результатов измерения координат. В декабре 2011 года Росгидрометом успешно проведены летные испытания ракетного метеорологического комплекса МР-30 нового поколения с уникальными возможностями, существенно превышающими возможности метеорологической ракеты МР-20 (разработка конца прошлого столетия) по высоте полета и массе полезной измерительной аппаратуры. Высота подъема метеорологической ракеты МР-30 составила 304 км при массе полезного груза (измерительная аппаратура и исследовательское оборудование) около 150 кг. После завершения серии опытных (исследовательских) испытаний, ракета МР30 будет использоваться в системе Росгидромета для оперативного мониторинга состоянии верхней атмосферы на регулярной основе. Данные будут поступать в Росгидромет в режиме «online». Организация регулярных пусков ракет в разных географических районах России даст возможность оценивать физические свойства верхней атмосферы и моделировать ее динамические характеристики. Однако для метеорологического обеспечения ГА наибольшее применение находит шаропилотный теодолитный способ определения параметров ветра до высот 2-3 км и способ комплексного температурно-ветрового радиозондирования, позволяющий получать значения метеорологических элементов до высот 30-40 км. 19 Тема1. Шаропилотный теодолитный метод определения характеристик ветра на высотах В реальных условиях для получения информации о ветре чаще всего пользуются шарами-пилотами, радиопилотами и радиозондами. Определение скорости и направления ветра с помощью шаров-пилотов основано на измерении координат шара, выпущенного в свободный полет в атмосферу, за определенный интервал времени. Для обеспечения измерения на различных высотах шар-пилот наполняют легким газом (водород, гелий). Такой шар-пилот, обладая подъемной силой, одновременно с увлечением его воздушным потоком поднимается вверх, последовательно проходя слои атмосферы. За перемещением шара-пилота с Земли следят с помощью оптических угломерных приборов (аэрологических теодолитов). При однопунктных измерениях в свободный полет выпускается шар-пилот с известной вертикальной скоростью (известной подъемной силой), которую считают постоянной во времени (по высоте). По временным интервалам между измерениями координат шара-пилота и по известной вертикальной скорости могут быть рассчитаны средняя скорость ветра и его направление в слое атмосферы, толщина которого определяется вертикальной скоростью и временем между смежными отсчетами. Радиопилотный способ измерения скорости и направления ветра заключается в том, что к выпускаемому в свободный полет шару, наполненному легким газом, подвешивается радиопередатчик с источником питания, излучающий радиосигналы. Совокупность шара и радиопередающего устройства называется радиопилотом. На пункте выпуска за перемещением радиопилота следят с помощью радиотеодолита, представляющего собой радиотехническое устройство, предназначенное для определения угловых координат источника радиосигналов в горизонтальной и вертикальной 20 плоскостях. Методика радиопилотного измерения ветра такая же, как и шаропилотного. В связи с развитием радиолокационных методов измерений координат объектов появилась возможность отказаться от использования подвешиваемых к шару радиопередатчиков. Их заменили пассивным отражателем высокочастотной энергии, излучаемой наземной радиолокационной станцией. В качестве отражателей в этом случае используют идеально проводящие большие сферы или уголковые отражатели. Основным достоинством радиопилотного способа измерения скорости и направления ветра по сравнению с шаропилотным является его независимость от времени суток и метеорологических условий, а недостатком - необходимость использования относительно сложной радиотехнической аппаратуры. Подготовка шара-пилота Шар-пилот представляет собой резиновую оболочку, наполненную водородом. Шаропилотные оболочки рассчитаны на работу в любых метеорологических условиях, в диапазоне температур от +40 до -60°С. Они изготовляются из хлоропренового латекса, допускающего значительное растяжение (в 6 - 8 раз), и различаются по величине диаметра в ненаполненном состоянии (рис. 3). Рис. 3. Шаропилотная оболочка в ненаполненном состоянии 21 Шаропилотные оболочки имеют условную нумерацию: №10, №20, №30, при этом их начальные диаметры равны 10, 20 и 30см. Разрывные диаметры соответственно составляют 75, 130 и 175см. Они наполняются водородом так, чтобы их вертикальная скорость составляла порядка 120-140 м/мин, при этом диаметр шара примерно равен 55-60 см. Оболочки имеют различный цвет. Выбор номера и цвета проводится в зависимости от облачности и метеорологических условий. Светлые шары хорошо видны на фоне голубого неба, черные - на облачном. Оболочка №10 применяется при слабом ветре и низкой облачности, №20 употребляется при облачности среднего яруса и сильном ветре, №30 при малооблачной погоде. Шаропилотные оболочки наполняют техническим водородом, который доставляется на авиационные метеостанции в стальных баллонах объемом 3040 л. Для наполнения шаров-пилотов применяется также водород, добываемый непосредственно, на месте с помощью газогенератора. После наполнения шаропилотной оболочки производят измерения длины окружности и подъемной силы. Измерение длины окружности производится с помощью ленты, которая накладывается по большому кругу шара. Свободная подъемная сила шара определяется подвешиванием шаропилотных разновесов. Два этих параметра необходимы для определения вертикальной скорости шарапилота . Производство шаропилотных наблюдений Наблюдения за перемещением шара-пилота производятся при помощи специального аэрологического теодолита АШТ. Он предназначен для определения угловых координат и шаров-пилотов, выпускаемых в свободный полет. Перед выпуском шара-пилота труба теодолита направляется в сторону, куда полетит шар. В момент выпуска включается секундомер, а через 10-15 с наводят зрительную трубу на шар. Поймав шар в поле зрения, наблюдатель 22 манипулирует микрометренными винтами теодолита, добиваясь того, чтобы изображение шара находилось в центре поля зрения. В момент отсчета наблюдатель прекращает вращение винтов и записывает значения угловых координат и . В течение первых трех минут отсчеты производятся через 30 с, а затем через 1 мин. Если шар начинает входить в облако ("туманиться"), это фиксируется наблюдателем, отмечается также время, когда шар скрывается. Погрешности шapoпилотного теодолитного метода сравнительно невелики, если он применяется до малых высот в равнинных условиях при умеренном ветре, но в сильно пересеченной местности его использовать нельзя. Следует также учитывать и то, что возможности применения аэрологического теодолита при слежении за шаром-пилотом в основном ограничиваются высотами до 2000-3000 м. Порядок обработки данных шаропилотных наблюдений Задача обработки шаропилотных наблюдений заключается в определении скорости и направления ветра на различных высотах, а также средних значений параметров ветра в слое от земли до необходимых высот по горизонтальным проекциям шара-пилота. A H С α L B Ю Рис. 4. Положение шара-пилота в пространстве 23 Для нанесения каждой проекции шара в данный момент времени необходимо знать его азимут и горизонтальное удаление. Азимут шара отсчитывается непосредственно по горизонтальному кругу теодолита при наведении на шар. Горизонтальное удаление вычисляется по высоте шара и вертикальному углу, отсчитанному по теодолиту. На рис. 4 точка О – положение наблюдателя, линия ЮС представляет отрезок географического меридиана, А – положение шара – пилота в пространстве, В – проекция положения шара на горизонтальную плоскость, α – горизонтальный угол, – вертикальный угол. Из рис. 4 также видно, что, зная высоту шара Н (линия АВ), можно найти горизонтальное удаление L (линия ОВ) по формуле: Li Hi ctgi ti ctgi ti tg i , (10), где: – вертикальная скорость шара – пилота, ti – интервал времени от момента запуска шара до измерения его положения в пространстве. По известным горизонтальным удалениям и азимутам шара – пилота наносятся проекции шара на горизонтальную плоскость, соответствующие моментам отсчёта углов. A3 A2 A4 A1 С L1 0 H1 B1 H3 H2 H4 B2 L2 B3 L3 L4 Ю B4 Рис. 5. Положение шара - пилота в пространстве в моменты последовательных отсчётов 24 По отрезкам, соединяющим каждую пару соседних (по времени) проекций шара, можно судить о направлении и скорости ветра в слое воздуха, пройденном шаром за время между двумя последовательными отсчётами (рис. 5). В целом, обработка данных зондирования атмосферы шаром - пилотом производится в следующем порядке: 1. Определяют вертикальную скорость шара – пилота; 2. Вычисляют высоты шара – пилота для моментов отсчётов и высоты середин слоёв над поверхностью земли; 3. Наносят проекции шара на круг планшета АМП или А – 30; 4. Определяют скорости и направления ветра между проекциями шарапилота; 5. Вычисляют скорости и направления ветра для стандартных уровней; 6. Вычисляют средние значения направления и скорости ветра в слое от земли до стандартных высот. Определение вертикальной скорости шара – пилота Эластичная оболочка, наполненная газом легче воздуха, поднимается вверх, однако на скорость её движения действуют различные силы, определяемые как размерами оболочки и свойствами газа, так и атмосферными условиями. По закону Архимеда, всякое тело, погруженное в воздух, теряет в весе столько, сколько весит объём воздуха, вытесненного этим телом. Следовательно, наполненная лёгким газом (водородом или гелием) оболочка будет находиться под действием некоторой выталкивающей силы. Если бы оболочка не имела веса, эта сила была бы равна разности между весом вытесненного шаром воздуха и весом водорода (гелия). Эта разность называется полной подъёмной силой шара. Если обозначить объём шара через V, удельный вес (плотность) воздуха 25 через ρвозд и удельный вес водорода (гелия) ρH, а полную подъёмную силу через Е, то: E возд V H V . (11) Однако на самом деле оболочка имеет вес. Обозначим вес оболочки через В. Разность между полной подъёмной силой Е и весом В называется свободной подъёмной силой шара. Обозначим её через А, тогда: А Е В. (12) Свободная подъёмная сила А придаёт шару ускорение, благодаря которому выпущенный в свободный полёт шар стремится вверх. Но, как только шар начинает подъём, на него начинает действовать другая сила - сопротивление воздуха F, - направленная вниз. Сопротивление воздуха F возрастает до тех пор, пока не станет равным А. Н A A A w5 F5=A w4 F4 w3 A F3 A w2 F2 w1=0 F1=0 ЗЕМЛЯ Рис. 6. Изменение силы сопротивления F по мере подъёма шара – пилота На рис. 6 показано изменение соотношения F и А по мере движения шара вверх. Пока А больше F, шар будет подниматься с ускорением. Когда F становится равным А, движение шара вверх продолжается с постоянной вертикальной скоростью = const. Постоянство вертикальной скорости - 26 основное допущение метода шаропилотных наблюдений. Сопротивление воздуха зависит от размеров шара, состояния атмосферы, плотности воздуха и вертикальной скорости: F k возд с 2 2 , где k – коэффициент сопротивления (13) воздуха, зависящий от турбулентности атмосферы, с – длина окружности шара. Так как F = A = const, то: A k возд с 2 2 , (14) откуда: A k возд с 2 1 A . k c возд (15) Эту формулу можно упростить умножив числитель и знаменатель на возд0 ( возд0 – плотность воздуха при некоторых стандартных условиях р = 760 1 мм рт. ст., t = 20ºС) и обозначив через a a k возд0 . Тогда: A возд0 . c возд (16) С помощью формулы (16), зная длину окружности шара и подъёмную силу А, можно определить , а коэффициент а и отношение возд0 можно возд вычислить заранее для среднего распределения плотности воздуха с высотой. На практике таблицы рассчитаны по следующей формуле: a где – вертикальная скорость в [ A , c (17) м ], А – свободная подъёмная сила в с [г], с – длина окружности шара в сантиметрах, a - числовой коэффициент имеющий значения которые представлены в табл. 3. 27 Таблица 3 Значения безразмерного коэффициента а А, г ≤140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 ≥240 а 16.5 16.8 17.1 17.6 18.1 18.6 18.9 19.2 19.3 19.4 16.6 Вычисление высот шара–пилота для моментов отсчётов и высоты середин слоёв над поверхностью земли Высоты нахождения шара-пилота находятся по формуле: H i ti , где (18) - вертикальная скорость шара-пилота [м/сек]; t i - время от момента выпуска шара [сек]. Высоты середин слоев находятся по формуле: H iср H i 1 где H i H i 1 , 2 (19) H i 1 и H i - высоты нахождения шара-пилота в предыдущий и последующий моменты отсчета [м]. Вычисление скорости и направления ветра для моментов отсчетов Как указывалось выше, обработка результатов шаропилотных измерений сводится к определению горизонтальной проекции пути - шара – пилота. Искомый вектор ветра представляется суммой двух составляющих: радиальной L r , направленной по направлению горизонтального удаления шара L2 , и тангенциальной L , которая перпендикулярна первой (рис. 6) Точки С1 и С2 представляют собой точки проекций двух соседних положений шара – пилота, характеризующихся азимутальными углами 1 , 2 . Через L1 и L2 обозначены длины соответствующих проекций шара - пилота. В результате такого представления и согласно рис. 6 можно записать: 28 C1 С Lв C2 L L1 С φ в Ю L2 Lr 1 2 0 Ю Рис. 7. Проекции шара-пилота на горизонтальную поверхность в последовательные моменты Искомый вектор ветра представляется суммой двух составляющих: радиальной L r , направленной по направлению горизонтального удаления шара L2 , и тангенциальной L , которая перпендикулярна первой (см. рис. 7) Точки С1 и С2 представляют собой точки проекций двух соседних положений шара – пилота, характеризующихся азимутальными углами 1 , 2 . Через L1 и L2 обозначены длины соответствующих проекций шара - пилота. В результате такого представления и согласно рис. 7 можно записать: Lr L2 L1 cos , (20) L L1 sin , (21) L , Lr (22) arctg где 2 1 . Направление ветра определяется по соотношениям: 29 в 2 180 , (23) в 2 , (24) причём формула (23) используется при удалении шара-пилота от места наблюдения, а формула (24) при приближении. Полная скорость ветра вычисляется по формуле: Lв L 1 t 2 t1 sin t 2 t1 , (25) Lв L 1 r t 2 t1 cos t 2 t1 , (26) или: где t2 t1 – интервал времени между отсчётами углов для точек С1 и С2. Найденные таким образом скорость и направление ветра относятся к высоте середины слоя. Вычисления параметров ветра на стандартных высотах и осредненных параметров в слое от земли до стандартных высот На практике, параметры ветра необходимо знать для определенных высотных уровней, отличающихся от полученных при обработке высот середин слоёв. Приведём перечень этих высот: 500, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000м. Эти высоты называются стандартными. Кроме того, при выполнении парашютных прыжков вычисляются данные ветра на высотах 100, 200, 300, 600 и 900м. При вычислении этих параметров допускается с некоторой погрешностью, что изменение ветра пропорционально изменению высоты, поэтому вычисление скорости и направления ветра для стандартных высот производится путём интерполяции между данными для соседних середин слоёв, лежащих выше и ниже определенной стандартной высоты. Определение среднего ветра слоя заключается в вычислении его 30 направления и скорости по данным соответствующего отсчёта шаропилотных измерений (в зависимости от высоты слоя) по формулам: вi i 180 , вi (27) Li ti , (28) где Li - горизонтальное удаление i – го положения шара – пилота, ti – интервал времени от момента запуска шара до i – го отсчёта. Подставив значение Li из формулы (10) в (28), получим: вi ctg i . tg i (29) Использование аэрологического планшета для обработки данных Аэрологический планшет А-30, иногда называемый "кругом Молчанова", состоит из металлического, неподвижного диска, на одной стороне которого отпечатана номограмма, прозрачного целлулоидного круга, имеющего общий центр вращения с неподвижным диском, и подвижкой прозрачной линейки, вращающейся вокруг центра круга (рис. 8). Центр круга принимается за место расположения теодолита. В правой полуокружности неподвижного диска нанесена шкала вертикального угла в градусах, на первой и частично второй четверти нанесены кривые горизонтального удаления шара, а на остальной части диска прямоугольная сетка. Цифры на кривых означает высоты шара в сотнях метров. С левой стороны номограммы нанесена сетка, служащая для определения скорости и направления ветра. Кривые и сетка вычерчены в масштабе, 1 деление сетки (2 мм) соответствует 60 м на местности. По окружности вращающегося целлулоидного круга нанесены градусные деления от 0 до 360°, которые соответствуют отсчетам горизонтальных углов. 31 Зная координаты и высоты подъема шара, на подвижном круге строят горизонтальную проекцию пути шара-пилота. Рис. 8. Аэрологический планшет: 1-винт; 2- подвижный целлулоидный круг; 3- линейка; 4- неподвижный диск Нанесение проекции производится в следующем порядке: a) устанавливается край линейки, проходящий через центр планшета, на деление неподвижного диска, равное отсчету вертикального угла; 32 b) удерживая линейку, подводят к её обрезу деление подвижного круга, равное отсчету горизонтального угла; c) в месте пересечения края линейки с кривой, соответствующей высоте шара в данную минуту, ставят точку и надписывают цифру, равную времени отсчета. При определении скорости и направления ветра для слоев между высотами шара в моменты отсчетов устанавливают подвижный круг так, чтобы точка проекции, соответствующая первому отсчету (слой от земли до высоты первого отсчета), находилась на вертикальном или горизонтальном диаметре. Для определения ветра в последующих слоях устанавливают подвижный круг так, чтобы линии, соединяющие две соседние точки, нанесенные на круге, были бы параллельны линиям сетки. Скорость ветра, [м/с] при обработке через 1 мин равна числу клеток сетки, содержащихся между взятыми точками, при обработке через 2 (3) мин число клеток при оценке скорости следует уменьшить соответственно в 2 (3) раза. Метеорологическое направление ветра отсчитывается с точностью до 1° на подвижном круге против конца диаметра неподвижного диска. Определение направления ветра осуществляется по линии соединяющей две последовательные точки (от последующей к предыдущей) (рис. 9). В итоге обработки данных шаропилотных наблюдений получают средние значения ветровых характеристик в слоях, заключенных между высотами шара в моменты отсчетов угловых координат. Нахождение ветра, для других высот производится путем интерполяции между данными для середин слоев, лежащих выше и ниже данной высоты. При этом, если после интерполирования направление будет иметь величину больше 360°, например 375°, то записывается разность между этой величиной и 360°, т.е. 375-360 =15°. Если направление будет выражено 33 отрицательной величиной, то записывается разность между 360° и абсолютным значением величины угла, например, 5°, записывается 355°. 4 4 3 3 3 3 4 4 Рис. 9. Определение направления ветра на аэрологическом планшете Определение термического ветра на аэрологическом планшете Термический ветер вызывается горизонтальным градиентом температуры в слое воздуха. Это векторное приращение геострофического ветра при переходе от одного уровня до другого, вышележащего. В практике часто возникает необходимость определения термического ветра в различных слоях. Исходными данными служат результаты аэрологических наблюдений над действительным ветром. При этом, начиная с высот 1000 м, можно вместо геострофического ветра брать действительный. Тогда определение термического ветра сводится к простому графическому построению. 34 Для определения термического ветра на аэрологическом планшете производятся следующие последовательные построения (рис. 10): a) к краю линейки, зафиксированной на основном диаметре неподвижного диска, подводится деление подвижного круга, соответствующее значению направления ветра на нижнем уровне слоя, от центра планшета вниз по диаметру подвижного круга откладывается число клеток, равное скорости ветра 1 на нижнем уровне в принятом масштабе и ставится точка 1; b) аналогичным образом на планшете строится точка 2, характеризующая направление и скорость 2 на верхнем уровне слоя; c) для определения термического ветра в слое необходимо повернуть подвижный круг, чтобы линия, соединяющая обе точки, была бы параллельна линиям сетки. 1 1 1 1 2 2 D1 D2 1 1 2 2 Рис. 10. Определение термического ветра на аэрологическом планшете 35 При этом скорость термического ветра Т (в м/с) будет равна числу клеток между точками с учетом масштаба, а его направление, в градусах, отсчитывается на подвижном круге, аналогично ранее представленному методу (см. рис. 9). Определение эквивалентного ветра При планировании и выполнении полетов на воздушных трассах, при навигационных расчетах вместо действительного ветра более удобно использовать эквивалентный ветер U экв , под которым понимается расчетный ветер, направленный вдоль маршрута и оказывающий на величину путевой скорости самолета такое же влияние, как и реальный ветер на маршруте. Эквивалентный ветер связан с модулем вектора путевой скорости W и вектора воздушной скорости V соотношением: U экв W V . Эквивалентный ветер - это не вектор, (30) а скалярная величина. Положительная величина U экв соответствует попутному реальному ветру ( W V ) (рис. 11,а), а отрицательная величина встречному ветру ( W V ) (рис. 11,б). а б Рис. 11. Навигационный треугольник скоростей: а – случай попутно-бокового ветра; б – случай встречного бокового ветра. 36 Формула для расчета эквивалентного ветра получена из навигационного треугольника скоростей U экв cos 2 2 V sin 2 , (31) где - скорость ветра; - угол ветра; V - воздушная скорость самолета. Угол ветра вычисляется как 180 , (32) где - направление навигационного ветра; - путевой угол. Контрольные вопросы к теме 1 1. С какой целью производятся аэрологические наблюдения, их разновидности? 2. Какие приборы и оборудование расположены на территории аэрологической станции? 3. В чем заключается сущность шаропилотного теодолитного метода определения характеристик ветра на высотах? 4. Как определяется вертикальная скорость шара-пилота? 5. Каковы недостатки шаропилотного теодолитного метода наблюдений? 6. В чем состоит принцип обработки данных шаропилотных наблюдений? 7. Как определяется термический ветер на аэрологическом планшете? 8. Что такое эквивалентный ветер, как он рассчитывается? 9. В чём заключается основное допущение шаропилотного метода? 10. Перечислите порядок обработки данных шаропилотных наблюдений при использовании круга Молчанова. 37 Тема 2: Радиозондирование атмосферы Разновидностью радиопилотного способа является комплексный способ, сущность которого состоит в том, что измерение скорости и направления ветра производится в комплексе с радиотелеметрическими измерениями метеорологических элементов свободной атмосферы (температуры, влажности и давления). При проведении радиозондирования атмосферы к наполненному легким газом шару подвешивается радиотелеметрический элементов, и прибор, радиозонд, содержащий радиопередающее представляющий датчики устройство. собой метеорологических Результаты измерений по радиоканалу передаются на наземный пункт. Наземная аппаратура системы радиозондирования осуществляет прием информации и одновременно определяет координаты радиозонда в момент измерений радиотеодолитным или радиолокационным способом. Результаты измерений координат радиозонда используются для получения данных о высоте и ветре. В настоящее время в разных странах мира используются различные системы радиозондирования атмосферы, различающиеся по назначению, принципу действия, способу применения, конструкции и т.п. Системы радиозондирования предназначены для дистанционного измерения метеорологических элементов свободной атмосферы и представляют собой совокупность радиотелеметрической и радиолокационной (радиопеленгационной) систем. Радиотелеметрическая система служит для измерения метеорологических элементов и передачи результатов измерений по радиоканалу, а назначением радиолокационной (радиопеленгационной) системы является определение координат измерительного прибора в момент измерений. Измерение метеорологических элементов атмосферы и передача результатов осуществляется с помощью радиозонда. 38 Радиопеленгационный метеорологический комплекс 1Б44 «Улыбка» Радиопеленгационный метеорологический комплекс 1Б44 предназначен для температурно-влажностно-ветрового зондирования атмосферы при помощи радиозондов МРЗ-2, МРЗ-3, МРЗ-6 с целью обеспечения метеорологическими данными и получения метеорологической информации в виде аэрологических телеграмм КН-03, КН-04, СЛОЙ, ШТОРМ, ПРИЗЕМНЫЙ СЛОЙ. Комплекс обеспечивает: — предполетную проверку радиозонда и подготовку его к выпуску; — автоматическое сопровождение радиозонда в полете; — прием и обработку координатно-телеметрической информации; — вычисление метеорологических параметров; — расчет аэрологических телеграмм. Осуществляется индикация начальной и текущей информации на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ) телевизионного типа, регистрация ее на алфавитно-цифровом печатающем устройстве (АЦПУ) и выдача аэрологических телеграмм на телетайп; обеспечивается автоматический функциональный контроль и допусковый контроль параметров аппаратуры. В комплексе применен принцип радиолокационного измерения координат радиозонда. При этом измерение координат и передача телеметрической информации осуществляется по одному совмещенному радиоканалу. Для измерения дальности до радиозонда используется излучение сверхгенеративного приемопередатчика, работающего в режиме активного ответа. Питание изделия: от трехфазной сети частотой 50 Гц и линейного напряжения 3 фазы 220 В 400 Гц через преобразовательный агрегат ВПЛ-30 или ПСЧ-15. Уменьшение минимальной дальности действия достигнуто введением многоступенчатого переключения уровня излучаемой мощности передатчика и применением потенциалотрона в качестве быстродействующего антенного 39 переключателя. Основные технические характеристики комплекса приведены в табл. 4. Таблица 4 Основные технические характеристики 1Б44 Наименование характеристики Значение Основные характеристики Высота комплексного зондирования, км 40 Дальность автосопровождения радиозондов, км 300 Минимальная дальность начала автосопровождения ра- не более 75 диозондов, м Диапазон несущих частот передатчиков, МГц 1770 - 1795 Диаметр параболоида антенны, м 1,8 Диапазон измеряемых и вычисляемых метеорологических параметров температура воздуха, °С +50 - 90 относительная влажность, % 15 ~ 100 атмосферное давление, гПа 1100 – 2 скорость действительного и среднего ветра, м/с 0-150 направление действительного и среднего ветра, ° 0-360 Показатели надежности среднее значение времени восстановления 60 работоспособности аппаратуры, мин вероятность безотказной работы в течение 4 ч 0,964 Обработка результатов зондирование производится с использованием специализированной электронно-вычислительной машины (ЭВМ) А-15А. ЭВМ в составе изделия 1Б44 обеспечивает все вычислительные функции автоматического управления, индикации и контроля. Все системы комплекса максимально автоматизированы: подстройка частоты гетеродина, подстройка 40 частоты передатчика, сопровождение по дальности и угловым координатам и т.д. Автоматизация изделия 1Б44 позволяет ускорить обработку данных радиозондирования и сократить штат аэрологической станции. Разработанный для изделия 1Б44 радиозонд МРЗ выполнен на микросхемах, за счет чего уменьшены его масса и габариты, а также снижено электропотребление. Эти мероприятия обеспечивают экономию дефицитного материала при изготовлении батарей радиозондов и повышают безопасность полетов авиации в районах выпусков радиозондов. В изделии 1Б44 отсутствует режим сопровождения пассивных мишеней (уголковых отражателей). Это позволило снизить мощность передатчика, так как он работает только с активной мишенью. Функции СВЧ генератора и малошумящего параметрического усилителя сверхвысокой частоты (СВЧ) выполнены с помощью специального электроннолучевого прибора - потенциалотрона, который выполняет одновременно роль передатчика и малошумящего СВЧ усилителя. Для передачи телеметрического сигнала применена частотная модуляция (взамен амплитудной в радиозонде МАРЗ). Применение частотной модуляции для передачи телеметрического сигнала, нормирование энергетических характеристик радиозонда МРЗ-ЗА повысило точность параметров, определяемых системами угловой автоматики и дальности. Благодаря введению регулировки уровня излучаемой мощности маломощного передатчика и применению потенциалотрона в качестве быстродействующего антенного переключателя уменьшена минимальная дальность действия радиозахвата. Это обеспечивает возможность автосопровождения радиозонда по координатам непосредственно с земли и устраняет потери информации в приземном слое. Снижение мощности СВЧ передатчика позволило уменьшить размеры санитарно-защитной зоны и вредное воздействие излучения РЛС до 40 м. 41 Конструктивно комплекс 1Б44 размещен в специальном кунге и состоит из шкафов и стоек, в которых размещены блоки основной аппаратуры. Комплекс 1Б44 содержит следующие системы: — передающую систему Щ-10; — антенно-фидерную систему (АФС) Щ-20; — приемную систему Щ-30; — систему отображения информации (СОИ) Щ-40; — систему определения координат (СОК) Щ-50; — систему обработки и управления (СОУ) Щ-60; — систему управления антенной (СУА) Щ-70; — систему электропитания Щ-80; — систему автоматического контроля (САК) Щ-90. Структурная схема изделия 1Б44 представлена на рис. 12. привод 3 Щ-20 9 Щ-80 10 6 Щ-10 1 Щ-70 2 Щ-50 4 Щ-30 5 Щ-60 7 Щ-90 8 Щ-40 Рис. 12. Структурная схема изделия 1Б44: 1- система управления антенной; 2- система определения координат; 3- антенно-фидерная система; 4- приёмная система; 5- система обработки и управления; 6- передающая система; 7- система автоматического контроля; 8- система отображения информации; 9- система электропитания; 10вспомогательное и дополнительное оборудование. 42 Радиозонд МРЗ-3АК1 Радиозонд является прибором разового действия и совместно со станцией слежения позволяет определять значения температуры и влажности, а также скорость и направление ветра на различных высотах. Радиозонд поднимается в атмосферу на оболочке, наполненной водородом. Информация о состоянии температуры и влажности атмосферы содержится в радиотелеметрическом сигнале, представляющем из себя последовательность радиоимпульсов, следующих с частотой суперизации и имеющих частоту заполнения, которая называется несущей. Последовательность суперирующих импульсов является частотно- манипулированным сигналом. В процессе работы частота следования этих импульсов принимает два значения, отличающихся на величину девиации. Эти изменения определяются последовательностью модулирующих видеоимпульсов. Период этих модулирующих импульсов и есть та величина, в которой закодирована информация о метеопараметрах. Информация о различных метеопараметрах разнесена по времени. При этом, во время передачи информации о температуре воздуха, считается, что включен канал температуры, а при передаче информации о влажности – канал влажности. Кроме того предусмотрен калибровочный канал, который называется опорным. Во время следования опорного канала период следования суперирующих импульсов не зависит от величины метеопараметров атмосферы, а определяется величиной высокостабильного резистора, называемого опорным. Для определения станцией слежения параметров ветра предусмотрен ответный сигнал радиозонда. Он позволяет определять координаты нахождения радиозонда в каждый момент времени. По изменению координат определяется скорость и направление ветра в той области пространства, в которой находится радиозонд. Ответный сигнал – это реакция радиозонда на запросный сигнал станции слежения. Запросный сигнал представляет из себя последовательность 43 радиоимпульсов. Ответ радиозонда состоит из первичной и вторичной реакций. Первичная реакция выражается в увеличении длительности того из излучаемых радиоимпульсов, с "зоной чувствительности" которого совпадает пришедший радиозонду запросный сигнал. "Зоной чувствительности" называется отрезок на временной оси в окрестностях переднего фронта радиоимпульса радиозонда, при совпадении с которым запросного сигнала, радиозонд обладает способностью реагировать на запрос. "Вторичная реакция" – это уменьшение по длительности радиоимпульса, следующего сразу за импульсом, который увеличивается по длительности от действия запросного сигнала. Таким образом, ответным сигналом является последовательность из двух радиоимпульсов, первый из которых увеличен, а второй уменьшен по длительности относительно всех остальных импульсов излучаемых радиозондом. Радиозонд выполнен на современной элементной базе и совместно с 1Б44 обеспечивает производство температурно-ветрового радиозондирования атмосферы с автоматической обработкой данных радиозондирования. Радиозонд выпускаются в двух модификациях: - модификация 1782 МГц; - модификация 1680 МГц. Схема электрическая структурная радиозонда содержит следующие узлы (рис. 13): 1) датчик температуры; 2) датчик влажности; 3) опорный резистор; 4) электронный коммутатор (ЭК); 5) измерительный преобразователь (ИП); 6) формирователь импульсов (ФИ); 7) сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП); 8) антенну; 44 9) стабилизатор напряжения и тока; 10) батарею. Датчик температуры и датчик влажности осуществляют первичное преобразование информации соответственно о температуре и влажности окружающего воздуха соответственно в электрическое сопротивление и напряжение. Опорный резистор Датчик температуры Датчик влажности ЭК ИП ФИ Батарея СПП ГСИ Антенна Стабилизатор напряжения и тока СВЧ-АГ Рис. 13. Схема электрическая структурная радиозонда ЭК предназначен для поочередного подключения к ИП опорного резистора, датчика температуры или датчика влажности. Кроме того, ЭК осуществляет переключение длительности выходных импульсов 45 формирователя импульсов и исключает канал влажности при отключении датчика влажности. ИП последовательно во времени осуществляет преобразование электрического сопротивления датчика температуры и напряжения датчика влажности в период следования импульсов T, Tu большой скважности. Для уменьшения погрешности преобразования от изменения влияющих величин (например, температуры внутри радиоблока, напряжения питания батареи и т.д.) предусмотрен режим калибровки, во время которого ко входу ИП подключается только опорный резистор и ИП вырабатывает импульсы T оп. Выходным параметром ИП, содержащим информацию о преобразуемом сопротивлении датчика температуры и напряжении датчика влажности, является Y-параметр (отношение периодов следования импульсов опорного канала и канала метеоинформации): Yθ Tоп Tоп или Yu , Tu Tθ (33) где Топ – период следования импульсов ИП в опорном канале, мкс; T – период следования импульсов ИП в температурном канале, мкс; Tu – период следования импульсов ИП в канале влажности, мкс. Вычисление Y-параметра производится на станции слежения. ФИ служит для увеличения длительности импульсов, передаваемых по радиоканалу, что позволяет сузить спектр сообщения и тем самым повысить помехоустойчивость телеметрии, а также для введения признака канала в передаваемое сообщение путем импульсов формирователя, подключения длительности осуществляемого ЭК выходных одновременно с переключением каналов метеоинформации и опорного. СПП состоит из СВЧ-АГ, совмещающего высокочувствительного приемника запросных функции генератора, радиоимпульсов станции слежения и активного ответчика по каналу дальности и генератора суперирующих импульсов (ГСИ). 46 ГСИ вырабатывает прямоугольные импульсы скважностью около 2,0 с частотой следования 800 кГц. Импульсы, вырабатываемые ГСИ, обеспечивают работу СВЧ-АГ в сверхрегенеративном режиме. Антенна формирует диаграмму направленности и служит для приема запросных радиоимпульсов станции слежения и излучения СВЧ колебаний, содержащих телеметрическую информацию и вырабатываемый СПП ответный сигнал по дальности. Стабилизатор напряжения и тока обеспечивает элементы схемы радиозонда необходимыми стабилизированными напряжениями питания. Питание радиозонда осуществляется от источника напряжения встроенного в крышку. Конструктивно радиозонд включает в себя следующие составные части: 1) датчик температуры; 2) датчик влажности; 3) радиоблок; 4) батарею; 5) корпус; 6) крышку; 7) держатель и шнуры для обвязки и подвешивания радиозонда. Функциональные узлы радиоблока смонтированы в основном на печатной плате, установленной внутри замкнутого цилиндрического стакана, который совместно с излучающим вибратором и емкостной шайбой образуют антенну радиозонда. Модуль СВЧ крепится к дну стакана. На вывод СВЧ энергии модуля неподвижно установлена тонкостенная втулка, внутри которой расположен излучающий вибратор антенны, снаружи – емкостная шайба. Антенна представляет собой активный четвертьволновой несимметричный вибратор, электрическим противовесом которого служит стакан. 47 В крышке стакана имеются пазы, через которые проходят разъемы для подключения датчика влажности и температуры, батареи и вывода контрольных гнезд. Корпус, закрываемый крышкой, служит для размещения в нем радиоблока и батареи, защищает их от механических повреждений и атмосферных осадков во время полета, а также обеспечивает необходимый тепловой режим внутри изделия. Корпус и крышка имеют пазы для однозначного соединения между собой. Крепление крышки к корпусу осуществляется при помощи киперной ленты. Чувствительным элементом датчика температуры является терморезистор типа ММТ-1. Выводы терморезистора соединены с металлической рамкой, состоящей из двух электрически изолированных кронштейнов, заканчивающиеся проводами с двухконтактной вилкой. Датчик покрыт светоотражающей эмалью, защищающей чувствительный элемент от нагрева в условиях воздействия прямых солнечных лучей. В качестве чувствительного элемента датчика влажности используется полупроводниковый емкостный датчик HIH-4000-001 фирмы Honeywell. Датчик установлен на плату, в которой сделан паз с фиксаторами для крепления на держателе. Поверх платы установлен колпачок защищающий чувствительный элемент от прямых осадков и нагрева в условиях воздействия прямых солнечных лучей. От датчика отходят три провода, заканчивающиеся пятиконтактной вилкой, 4-ый и 5-ый выводы которой закорочены. Состояние и перспективы модернизации аэрологической сети в РФ Аэрологическая сеть РФ в настоящее время состоит из 127 (включая 18 законсервированных) аэрологических станций (АЭ). К концу прошлого века сеть в основном была оборудована аэрологическим радиолокатором АВК-1 и его модификациями. В единичных экземплярах были представлены системы предыдущего поколения. 48 На рубеже века на аэрологической сети был реализован проект модернизации АВК путём разработки и внедрения программно-аппаратного комплекса аэрологический - процессор ЭОЛ (АП «ЭОЛ») и автоматизированного рабочего места Аэролога (АРМ Аэролога). Эти меры были проведены с целью продления ресурса системы на 8-10 лет за счет внедрения новой вычислительной техники и модернизации передающего устройства (с 1998 г. по 2006 г.на аэрологической сети было установлено 52 АП «ЭОЛ»). Реализация данного проекта положила начало постепенному переходу сети на технические средства следующего поколения. В рамках Проекта «Модернизация учреждений и организаций и техническое перевооружение Росгидромета» аэрологической сети новыми электролизерами. Была предусмотрена выполнялось аэрологическими поставка оборудование комплексами комплексов от и двух производителей, УПП «Вектор», поставлял комплекс «Вектор-М», а СЭМЗ комплекс «МАРЛ-А». Поставка комплексов МАРЛ-А происходила в соответствии с плановыми показателями Проекта, поставка «Вектор-М» постоянно задерживалась и плановые показатели так и не были достигнуты. Краткие характеристики аэрологических комплексов приведены в табл. 5. Показатели выполнения плана радиозондирования новыми комплексами также отличаются. На большинстве АЭ комплексы АВК (в том числе и модернизированные) не демонтированы и используются совместно с новыми комплексами в целях резервирования и контроля до полного ввода АРВК в эксплуатацию. Поэтому процент выполнения плана новыми АРВК не равен 100. На АЭ, где установлены новые АРВК, доля выполнения плана комплексами МАРЛ-А равна примерно 90%, «Вектор-М» - 50%. По данным мониторинга, на конец июля 2009 года из 23-х МАРЛ-А регулярное зондирование ведется на 21 АЭ, в то время как из 13-ти «Вектор-М» только на 6-ти ведется регулярное зондирование. Показатели качества данных 49 радиозондирования МАРЛ-А на АЭ стабильны во времени и близки с показателями АВК, показатели качества «Вектор-М» существенно хуже. Таблица 5 Характеристики аэрологических комплексов различных производителей № Характеристика 1 Тип системы 2 3 4 Период разработки, гг. Масса, кг Потребляемая мощность (кВт) Электропитание 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Система бесперебойного питания Требуемая площадь помещения, кв. м Тип оборудования, изготовитель АВК-1 AIR-3ART-20 УПП RT2 Vaisala, “Вектор” AIR inc, Финляндия Россия США Радиолокаци Радиотеодо Радиотеодо онная литная литная 1975-1985 1982-1986 1991-1993 3300 170 113 10 0,1 0,3 ~220 В, 3 фазы нет - сканирование по углу места МАРЛ-А МИЭТ, СЭМЗ Россия Радиолокаци онная 1991-1997 150 0,3 1998-2001 150 0,2 ~220 В ~220 В ~220 В ~220 В есть есть есть есть 6 6 6 неизвестно 2000 1680 2000 1680 0,15 0,15 нет 0,1 0,1 нет 30 0,1 0,1 нет да да да пассивная АР АФАР АФАР 45, здание по 6 спец. проекту Наработка на отказ, час 150 неизвестно Рабочая частота, МГц 1790 1680 Среднеквадратические Ошибки измерения: - дальности, м 45 - угла места, град. 0,18 0,15 - азимута, град. 0,18 0,2 Наличие есть нет электровакуумных приборов Сохраняемость нет да первичных данных зондирования Характеристики антенной системы: - тип зеркальная пассивная АР - сканирование по азимуту МАРЛ-Т МИЭТ, СЭМЗ Россия Радиотеодолитная электромехан электромех электромех электронное ическое аническое аническое + электромеха ническое электромехан электромех электромех электронное ическое аническое аническое электронное + электромеха ническое электронное 50 Станции МАРЛ-Т и МАРЛ-А отличаются принципиально новым подходом к конструированию подобных комплексов. Это выражается в построении станции в виде одноблочной конструкции с максимальным упрощением механических и сборочных работ при производстве и исключением из производственного системы цикла работ по изготовлению точной механики для сопровождения радиозонда. Использование современных микроэлектронных и цифровых технологий и тщательно продуманные конструктивные решения позволили создать полностью автоматизированную и не требующую технического обслуживания высококвалифицированным персоналом систему радиозондирования, способную работать в любых климатических условиях. Контрольные вопросы к теме 2 1. В чем заключается назначение и принцип радиозондирования атмосферы? 2. Какие системы зондирования существуют на аэрологической сети РФ? 3. Из каких блоков состоит радиозонд МРЗ? 4. Из каких основных систем состоит радиолокационный метеорологический комплекс «Улыбка»? 5. Что включает в себя система радиозондирования атмосферы? 6. Какой принцип измерения координат применен в комплексе «Улыбка»? 7. Какие функции выполняет электронный коммутатор радиозонда? 8. Какие радиозонда? функции выполняет измерительный преобразователь 51 Лабораторная работа 5 ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ОБЛАКОВ НА АЭРОДРОМАХ ГА Время: 2 - 4 ч. Цель работы: изучить приборы и методику измерения высоты нижней границы облаков. Перед выполнением работы необходимо: • изучить приборы для измерения и регистрации высоты нижней границы облаков: - импульсно-световой измеритель высоты облаков (ИВО-1М); - регистратор высоты облаков (РВО); - датчик высоты нижней границы облаков (ДВО); - датчик облаков лазерный (ДОЛ); - дистанционная приставка (ДВ 1М); - шаропилотный метод определения нижней границы облаков. Порядок выполнения: 1. Сделать краткое описание шаропилотного метода определения высоты нижней границы облаков. 2. Кратко описать приборы для измерения и регистрации высоты нижней границы облаков, в частности требования к точности измерения и установке датчиков приборов на аэродромах ГА. 3. Изучить порядок измерения высоты нижней границы облаков импульсно- световым измерителем (ИВО-1М). 4. Произвести несколько измерений высоты нижней границы облаков с использованием аппаратуры (ИВО-ДВ 1М). 5. Используя международный синоптический код КН-01, представить результаты наблюдений за облаками (количество, форма, высота нижней границы) символами в соответствии со схемой наноски метеоданных на приземные карты погоды. 52 Оборудование: Приборы измерения и регистрации высоты нижней границы облаков. Содержание отчета: 1. Краткое описание методов и приборов измерения высоты нижней границы облаков. 2. Результаты измерений высоты нижней границы облаков ИВО-ДВ 1М. 3. Представление результатов наблюдений за облаками (в структуре кода КН-01). Литература: 1. Баранов A.M., Лещенко Г.П., Белоусова Л.Ю. Авиационная метеорология и метеорологическое обеспечение полетов. -М.: Транспорт, 1993. 2. Астапенко П.Д., Баранов A.M., Шварев И.М. Авиационная метеорология. -М.: Транспорт, 1985. 3. Капустин А.В., Сторожук Н.Л. Технические средства гидрометеорологической службы. -СПб., 2005. 4. Наставление по метеорологическому обеспечению ГА (НМО ГА - 95). -М.: Гидрометеоиздат, 1995. 5. Нормы годности к эксплуатации гражданских аэродромов (НГЭА). М.: Транспорт, 1992. 6. Правила эксплуатации метеорологического оборудования аэродромов гражданской авиации (ПЭМОАГА). -М.: 2009. 53 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Общая характеристика Низкая облачность и ограниченная видимость являются основными метеорологическими факторами, которые определяют безопасность взлета и посадки воздушных судов, а также полетов на малых высотах по правилам визуальных полетов. Важной характеристикой облачности является ее количество, т.е. степень покрытия неба облаками. На метеорологических станциях техник-метеоролог визуально определяет количество облаков в октантах, при этом 8 октантов означает, что небо полностью закрыто облаками, 4 - небо закрыто облаками на 50% и т.д. Наблюдатель определяет общее количество и форму облаков всех ярусов и отдельно облаков нижнего яруса, а также высоту нижней границы облаков, которая оценивается как расстояние в метрах от земной поверхности до нижнего основания облаков. Высокая пространственно-временная изменчивость высоты нижней границы облаков, особенно низких, определяет повышенные требования к выбору места установки приборов для измерения высоты облаков. На аэродромах ГА для получения надежной информации о высоте облаков проводятся регулярные наблюдения через получасовые промежутки времени. При высоте облаков выше минимума аэродрома на 100 м и прогнозе нижней границы облаков 200 м и менее следует проводить дополнительные наблюдения за нижней границей облаков. Наряду с этим, наблюдения за высотой облаков проводятся при обеспечении взлетов и посадок ВС на аэродроме. Метеоинформация о количестве oблaкoв, форме облачности (кучеводождевая и мощно-кучевая), нижней границе самых низких облаков на аэродроме включается в сводки METAR передаваемые за пределы аэродрома, местные сводки и радиовещательные сводки ATIS и VOLMET передаваемые ВС в полете. 54 Наблюдения за количеством, формой и высотой нижней границы облаков на аэродромах ГА должны быть характерными для зон взлета, посадки и ближнего приводного радиомаяка (БПРМ). Особое значение это имеет для аэродромов с несколькими ВПП. Чтобы не мешать взлету и посадке ВС, приборы измерения нижней границы облаков должны находиться за пределами полос безопасности и располагаться так, чтобы присутствие ВС и их перемещение по аэродрому не приводило бы к искажению измерения высоты облаков. Как правило, высота облаков на аэродромах ГА измеряется инструментально. Визуальное определение допускается только в случаях отсутствия приборов, а также при неполной облачности, когда над точкой наблюдений есть просветы и определить высоту облаков не представляется возможным. Для визуальной оценки высоты облаков требуется большой опыт. При этом надо знать средние высоты форм облаков. Кроме этого, необходимо: – знать высоту всех близко расположенных от пункта наблюдений высоких предметов и строений и определять по степени их закрытия высоту нижней границы облаков; – учитывать соотношение высоты облаков и горизонтальной видимости у земли в условиях атмосферных явлений. Методы и приборы для определения высоты нижней границы облаков Для определения высоты нижней границы облаков (ВНГО) на аэродромах используют визуальные, инструментально-визуальные и инструментальные методы. Для инструментальных измерений ВНГО используются: – импульсно-световой измеритель высоты облаков (ИВО-1М); – регистраторы высоты облаков (РВО-2, РВО-2М, РВО-3); – датчик высоты нижней границы облаков (ДВО-2); – лазерные измерители высоты облаков (ДОЛ); 55 – метеорологические радиолокаторы (MPЛ). К инструментально-визуальным методам определения ВНГО относится шаропилотный метод. Определение ВНГО шаропилотным методом Метод применяется при количестве облачности более 4 октантов. Оценка высоты облаков заключается в определении времени между выпуском шарапилота и моментом, когда шар-пилот начинает «туманиться» при входе в нижнюю структуру облачности. При этом, высота нижней границы облаков (Н) определяется по формуле: H = W∙t, (34) где W - вертикальная скорость подъема шара-пилота, t - время от момента выпуска шара до его входа в облачность. Вертикальная скорость шара-пилота, наполненного водородом, составляет не более 100 м/мин и определяется перед выпуском по методике, представленной в лабораторной работе № 4 настоящих методических указаний (Методы радиозондирования атмосферы). В зависимости от высоты облаков применяются шары-пилоты различных размеров. Чем выше облака и сильнее ветер, тем больший размер должен иметь шар-пилот. Шаропилотный метод определения высоты облаков имеет ряд недостатков. В частности, техник-метеоролог не может точно определить место, над которым определена высота облаков, из-за сноса ветром шарапилота. Наряду с этим, восходящие и нисходящие потоки в подоблачном слое могут существенно изменять вертикальную скорость шара-пилота. Кроме этого, каждый наблюдатель имеет присущую только ему остроту зрения и определяет момент входа шара-пилота в облако, опираясь на собственные ощущения. 56 Все это приводит к существенным погрешностям в определении высоты облаков шаропилотным методом. До высоты 500 м они составляют ±0,2 Н, от 600 до 1000 м ±0,13 Н, от 1000 до 2000 м ±0,1 Н. Импульсно-световой измеритель высоты облаков Наземный импульсный световой измеритель высоты нижней границы облаков (ИВО-1М) определяет ВНГО над местом установки прибора в любое время года и суток. В комплект прибора входит: – передатчик световых импульсов; – приемник световых импульсов; – пульт управления; – катушка с кабелем. Внешний вид блоков ИВО-1М представлен на рис. 14. Рис. 14. Внешний вид блоков ИВО-1М 57 Принцип действия прибора основан на измерении времени прохождения световым импульсом расстояния от передатчика до нижней границы облаков и обратно до приемника. Передатчик посылает световые импульсы, создаваемые импульсной газоразрядной лампой вертикально к облаку. Приемник преобразует отраженный от облака световой импульс в электрический сигнал, усиливает его и передает в пульт управления прибора. В приемнике импульсов находится фотоусилитель, состоящий из фотоэлектронного умножителя и лампового усилителя. Время между моментом излучения импульса от передатчика и моментом поступления импульса в приемник измеряется на экране электронно-лучевой трубки пульта управления. При этом расстояние от начала развертки до середины переднего фронта отраженного импульса пропорционально высоте облаков. Передатчик и приемник помещены в металлический кожух с дистанционно открывающимися крышками. Передатчик и приемник смонтированы на кардановых подвесах, обеспечивающих их самоюстировку и могут быть установлены на ножках или специальных опорах. В передатчике в фокусе зеркала расположена импульсная газозарядная лампа, в приемнике - диафрагма, закрывающая фотокатод фотоэлектронного умножителя. Монтаж пульта выполнен в два яруса. В нижнем ярусе расположены трансформаторы, дроссель высокого напряжения, высоковольтные фильтровые конденсаторы. В верхнем ярусе находятся схемы развертки, калибровки усилителя, электронно-лучевая трубка и др. На передней панели пульта расположены органы управления (рис. 15). Аппаратуру ИВО-1М устанавливают у стартово-диспетчерских пунктов (СДП) и у БПРМ на выбранных площадках на удалениях не далее 70 м от края BПП. Передатчик устанавливается на расстоянии 8-10 м от приемника. 58 Рис. 15. Внешний вид пульта управления ИВО-1М Порядок измерения высоты нижней границы облаков: 1. На пульте управления (рис. 15) включить питание прибора. Левым тумблером открыть крышки излучателя и приемника, при этом должна загореться сигнальная лампочка. 2. После прогрева аппаратуры через 2-3 минуты установить достаточную яркость луча, не допуская расфокусировки луча. Ручку «АРУ-РРУ» установить в положение «АРУ». 3. Нажать ручку потенциометра и одновременно поворачивать ее до того момента, когда вертикальная риска на экране электронно-лучевой трубки пройдет через середину переднего фронта импульса эхо-сигнала на этом же экране. После совмещения середины переднего фронта импульса с вертикальной риской отпустить ручку потенциометра и произвести отсчет высоты облаков на светящейся кольцевой шкале индикатора. При этом 59 время одного измерения (потенциометр в нажатом состоянии) не должно превышать 10 секунд. Повторное измерение следует производить не ранее чем через 10 секунд, поскольку при непрерывном использовании источника световых импульсов резко сокращается срок его использования. При измерении ВНГО необходимо иметь в виду, что при плохой прозрачности атмосферы на экране электронно-лучевой трубки в начале развертки появляется местный сигнал, который, как правило, имеет передний фронт меньшей крутизны, чем сигнал от хорошо выраженной границы облаков. В этих случаях следует переходить на ручную регулировку усиления (РРУ), чтобы рабочий сигнал имел оптимальную амплитуду. Иногда при двухслойной облачности возможно появление двух сигналов. В условиях тумана, метели, сильных осадков оценка вертикальной видимости, то есть высоты, с которой пилот на посадке начинает различать наземные ориентиры, при использовании ИВО-1М значительно осложняется. Основные технические характеристики ИВО-1М: Диапазоны измерений - (50-2000 м). Погрешности измерений высоты облаков, в диапазоне: – (50-150 м) составляют ± (0,1Н+5м); – (150-500 м) составляют ± (0,07Н+10 м); – (500-1500 м) составляют ± (0,05Н+15 м). Время одного измерения не более 4-5 секунд. Срок службы импульсной газоразряженой лампы 10 часов. Дистанционность управления аппаратурой до 50 м. Регистратор высоты облаков РВО-2 (РВО-2М) Регистратор высоты облаков РВО-2 осуществляет измерение и регистрацию ВНГО над местом установки прибора в любое время года и суток. В комплект прибора входит: 60 – передатчик и приёмник световых импульсов частотой 20 Гц; – пульт управления (основной или выносной); – регистратор; – катушка с кабелем. Внешний вид прибора РВО-2 представлен на рис. 16. Рис. 16. Внешний вид блоков РВО-2 Принцип действия прибора такой же, как и ИВО-1М, но РВО оснащен звуковой и световой сигнализацией, которая автоматически включается при появлении облаков, имеющих высоты близкие к минимуму аэродрома. Кроме того в РВО-2 защитные стекла передатчика и приемника обогреваются. Регистратор РВО-2 предназначен для автоматической регистрации ВНГО на ленте самопишущего прибора в соответствии с программой, заданной часовым механизмом, который обеспечивает регистрацию ВНГО с периодичностью 60, 30, 15 и 3 минуты. Выносной пульт предназначен для управления РВО-2 на расстоянии до 8 км и регистрации ВНГО на ленте самопишущего прибора. Установка и эксплуатация аппаратуры РВО-2 производится в той же последовательности и при соблюдении тех же правил, которые предусмотрены для ИВО-1М. 61 Аппаратура РВО-2М отличается от РВО-2 конструкцией приемника и передатчика, где отсутствуют крышки, а защитные стекла установлены наклонно под углом 10° и увеличена мощность их обогрева. Основные технические характеристики РВО-2 (РВО-2М): Диапазон измерений - (50-2000 м). Диапазон регистрации - (50-1000 м). Погрешности измерений высоты облаков соответствуют ИВО-1М. Дистанционность при измерении и регистрации с выносного пульта управления составляет 8 км. Регистратор высоты облаков РВО-3 РВО-3 является наиболее современной модификацией РВО-2, который позволяет: – измерять в автоматическом режиме ВНГО облаков одного или двух слоев облачности одновременно в нескольких (до пяти) точках аэродрома; – работать в сложных метеоусловиях; – выводить на экран дисплея форму отраженного сигнала. Принцип измерения ВНГО у РВО-3 такой же, как и у ИВО-1М и РВО-2. Внешний вид передатчика и приемника РВО-3 представлен на рис. 17. В приборе применяется компьютерная обработка отраженного от облаков сигнала, который усиливается и преобразуется в цифровой вид. Полученный цифровой профиль сигнала передается на пульт управления, а результаты измерения отображаются на дисплее. Основные технические характеристики РВО-3: – Диапазон измерения - (30-1500 м); – Дистанционность с выносного пульта управления составляет до 10 км; – Погрешности измерений ВНГО в целом близки к ИВО-1М и РВО-2. 62 Рис.17. Внешний вид прибора РВО-3 Датчик высоты нижней границы облаков ДВО-2 ДВО-2 во многом аналогичен аппаратуре РВО-2, РВО-3, однако может использоваться как автономно, так и в комплексах автоматизированных аэродромных метеостанций (КРАМС, АМИС, АМИИС и др.) с дистанционным управлением до 8 км. Диапазон измерения от 15 до 2000 м. Погрешности измерения ВНГО составляют в диапазоне от 15 до 150 м ± 10 м, в диапазоне от 150 до 2000 м ± 7% от показаний прибора. В ДВО-2 производится цифровая индикация результатов измерения. На дистанционном пульте управления ДВО-2 обеспечивается выдача информации в цифровом коде для последующей ее передачи в управляющее устройство автоматизированной аэродромной метеостанции. ДВО-2 обеспечивает автоматическую обработку результатов измерения ВНГО, определяя среднее значение по 8 измерениям. При этом производится логическая обработка данных с исключением кратковременного (1-5 секунд) пропадания отраженных от облаков сигналов в случаях разрыва в облаках, и 63 выдается сигнал отсутствия облаков, если из 15 измерений не набирается 8 значащих. ДВО-2 также исключает кратковременные ложные сигналы отражения («местники») при практическом отсутствии облаков или наличии облаков выше диапазона измерений. Дистанционная приставка ДВ-1 (ДВ-1М) ДВ-1 (ДВ-1М) предназначена для дистанционного управления аппаратурой ИВО-1М, РВО-2, РВО-3, ДВО-2 на расстояниях до 8-10 км. Внешний вид блоков дистанционной приставки представлен на рис. 18. В комплект ДВ-1 входит пульт дистанционный, измерительный блок, калибратор, стабилизатор напряжения, а также плата с разъемами и проводами. Принцип действия дистанционной приставки основан на преобразовании в напряжение постоянного тока, пропорциональное ВНГО, интервала времени между моментом запуска светового импульса с передатчика ИВО (РВО, ДВО) и моментом поступления в приемник отраженного от облака сигнала. Рис. 18. Внешний вид приставки ДВ-1М 64 Пороговое устройство приставки вместе с предварительным усилением приемника ИВО (РВО, ДВО) представляет собой фильтр, предназначенный для выделения импульса отраженного сигнала из помех и временной фиксации этого сигнала по положению середины переднего фронта импульса, что соответствует методике измерения ВНГО. Блок преобразования дистанционной приставки служит для трансформации временного интервала между импульсами передатчика и приемника в напряжение постоянного тока с последующей передачей данных по проводной линии связи. Блок логической обработки предназначен для управления релейным блоком в целях блокирования измерительного выхода и выдачи сигнала запрета. Релейный блок служит для дистанционного управления аппаратурой, он содержит группу реле, дублирующих работу органов управления аппаратурой ИВО (ДВО), а также реле времени. Реле времени автоматически выключает импульсный источник передатчика примерно через 10 секунд после начала измерения, если не поступила команда на блокирование измерительного выхода от блока логической обработки. Измерительный блок приставки размещается там же, где находится пульт управления ИВО (РВО, ДВО) от приемника и передатчика. Дистанционный пульт приставки ДВ-1 (ДВ-1М) может находиться на расстоянии до 5 км от основного пульта управления. Диапазон измерений ДВ-1 (ДВ-1М) составляет от 50 до 1000 м. Датчик облаков лазерный (ДОЛ) В настоящее время для замены технически устаревших измерителей ВНГО модификаций ИВО-1М, РВО, ДВО, использующих в качестве источников световых импульсов газоразрядные лампы, все более широкое применение в 65 сети аэродромных метеостанций получает датчик облаков лазерный (ДОЛ) на основе использования импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой, а также современных электронных и компьютерных технологий. ДОЛ предназначен для непрерывного измерения и регистрации ВНГО (в том числе одновременно нескольких облачных слоев), а также высоты вертикальной видимости. Диапазоны измерения ВНГО практически от земли до высоты 3000 м. Пределы допускаемой погрешности от 10 до 100 м ±10 м, от 100 до 3000 м ± (0,05Н+5). Темп обновления информации 15 секунд. Дистанционность измерений 8 км. Принцип действия ДОЛ основан на измерении характеристики обратно рассеянного зондирующего импульса в атмосфере при прохождении им исследуемого участка трассы и цифровой обработке огибающей эхо-сигнала с целью получения информации о профиле оптической плотности атмосферы в вертикальном направлении для последующей оценки высоты облачных слоев. ДОЛ обеспечивает: – измерение профиля оптической плотности атмосферы и получение информации о количестве, высоте облачных слоев, их пространственной протяженности; – измерение ВНГО при наличии дымки, тумана и осадков; – устойчивость прибора к воздействию радиоизлучения; – возможность измерения мгновенных значений ВНГО; – передачу информации в цифровом коде; – сопряжение аппаратуры с аэродромными информационно- измерительными комплексами. К преимуществам ДОЛ в сравнении с другими приборами измерения ВНГО следует отнести: – расширенный диапазон измерения; – возможность работы под углами 90°, 45° и 0° к горизонту; 66 – алгоритм защиты от ложных показаний при наличии осадков и разрывов в нижнем слое облачности; – алгоритм определения пространственной протяженности облачных слоев; – встроенную систему градозащиты и защиты от переохлаждений в сети. Наряду с этим, программное обеспечение ДОЛ позволяет производить округление измеренных данных с дискретностью до 1 м. ДОЛ позволяет получать мгновенные и статистические значения измеренных величин. При чистом небе производится контроль наличия облаков с периодом 30 секунд. При образовании инея, выпадении снега автоматически включается обогрев защитных стекол.
