Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0033

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0033
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
Разработка мобильной системы локального метеорологического контроля на базе группы малых метеорологических радиолокаторов.
Докладчик
Умнов Алексей Львович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение проблемы оперативного дистанционного контроля состояния атмосферы на небольших высотах со сверхвысоким пространственным разрешением. Целью проекта является исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание системы мониторинга, использующей технологии распределенной сенсорной сети, осуществляющей мониторинг параметров локальной погоды и микроклимата заданной территории со сверхвысоким пространственным разрешением с использованием групп малых мобильных метеорологических радиолокаторов, работающих в многопозиционном режиме.
Актуальность и новизна исследования
Тема исследований является актуальной, поскольку в современных условиях перехода к интернету вещей для оптимизации работы любой интеллектуальной метеозависимой системы (естественного или техногенного происхождения) необходимо максимально полное представление о воздействии на нее окружающей среды. Существующие системы мониторинга и прогноза погоды дают результаты, усредненные как правило по большим территориям и промежуткам времени. Подобное знание может быть использовано только для улучшения средних показателей по большому числу систем и использующих их хозяйствующих субъектов, но не позволяет оптимизировать работу конкретной системы или деятельности. Разработка радиолокационной системы, дающей возможность повысить пространственное и временное разрешение мониторинга параметров метеорологических объектов, а также сделать доступными для подобного мониторинга скрытые от существующих радиолокационных систем, участки приземного слоя атмосферы, позволят решить актуальные задачи многих метеочувствительных видов деятельности, требующих знания условий окружающей среды с пространственным разрешением в сотни и даже десятки метров. К подобным видам деятельности можно отнести прецизионное сельское хозяйство, строительство, организацию различных работ на открытом воздухе, а также приобретающие все большие масштабы виды деятельности, в которых используются чувствительные к погодным условиям малые и сверхмалые беспилотные воздушные суда и авиационные беспилотные комплексы.
Описание исследования

Исследование выполнялось по следующей схеме:

1. был проведен поиск и анализ существующих радиолокационных систем, работающих по аналогичным, предложенным в проекте принципам; 

2.  были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие предложить и обосновать многопозиционную схему радиолокации метеорологических объектов, а также разработать  архитектуру и конструкции отдельных СВЧ элементов радиолокаторов и системы радиолокационного мониторинга,

3. была произведена разработка фазированной антенной решетки отражательного типа, построенной из массивов управляемых отражателей дипольного типа,

4. с использованием разработанных СВЧ блоков и фазированной антенной решетки был изготовлен и успешно испытан экспериментальный образец метеорологического радиолокатора; изготовленный образец позволил отработать алгоритмы и механизмы формирования и излучения радиолокационного сигнала, его прием, а также управление всеми СВЧ блоками и фазированной антенной решеткой

5. с использованием полученного в ходе работы с экспериментальным образцом метеорологического радиолокатора опыта были изготовлены радиолокаторы для экспериментального сегмента системы мониторинга,

6. с использованием подходов интернета вещей был создан сервер,управляющий работой разнесенных в пространстве радиолокаторов, а также система сбора и анализа радиолокационных данных

7. с использованием методов интерполяции движения метеорологических объектов построена система сверхкраткосрочных прогнозов погоды

8. тестирование экспериментальной системы мониторинга производилось как с помощью формирования радиолокационных сигналов с помощью компьютерной модели, так и в ходе лабораторных и полевых испытаний с реальными сигналами. 

 

 

Результаты исследования

За время выполнения проекта получены следующие основные результаты:

* создана компьютерная модель многопозиционной радиолокации метеорологических объектов,

* с использованием модели уточнены технические требования к многопозиционной радиолокационной системе, осуществляющей мониторинг метеорологических объектов над заданной локальной территорией, 

* предложена архитектура радиолокационного комплекса и общая архитектура системы мониторинга, использующей данный комплекс,

* разработаны главные узлы радиолокаторов, входящих в радиолокационный комплекс, осуществляющий многопозиционную локацию метеорологических объектов, 

* на основе компьютерного моделирования и большого числа экспериментальных исследований разработана антенная система (фазированная антенная решетка отражательного типа) для радиолокатора; антенная  система построена на базе предложенной авторами проекта технологии построения управляемого антенного зеркала из массивов управляемых рассеивающих элементов дипольного типа,

* изготовлен и успешно испытан экспериментальный образец метеорологического радиолокатора,

* изготовлен и успешно испытан (как в лабораторных, так и в полевых условиях) экспериментальный сегмент системы мониторинга, который включает в себя три радиолокатора, построенных на базе экспериментального образца метеорологического радиолокатора, серверную систему сбора и анализа радиолокационных данных, рабочее место оператора; серверная система и рабочее место оператора позволяют управлять распределенной системой радиолокации, анализировать полученные результаты, визуализировать их для оператора системы, а также осуществлять сверхкраткосрочные (до одного часа) прогнозы параметров погоды, 

* для поддержания работы распределенной системы мониторинга были разработаны и изготовлены системы позиционирования и ориентирования радиолокаторов на местности, а также системы синхронизации их работы

* система моделирования многопозиционной радиолокации интегрирована всистему мониторинга.

Сравнение с существующими аналогичными системами мониторинга показало следующие, отсутствующие у конкурентов преимущества:

* многопозиционная схема радиолокации, позволяющая с одной стороны получить дополнительную ценную информацию, а с другой перейти к квазинепрерывным радиолокационным сигналам, позволяющим снизить цену системы за счет понижения мощности радиопередающих устройств

* использование сверхдешевой фазированной антенной решетки, позволяющей надеяться на массовое размещение радиолокаторов на элементах городской инфраструктуры 

 

Практическая значимость исследования
Планируется интегрировать разрабатываемую систему радиолокационного мониторинга в аппаратно-программный комплекс, дополнительно содержащий контактные диагностические приборы, регистрирующие локальные параметры окружающей среды, а также параметры природных и техногенных систем. Аппаратно-программный комплекс должен позволять не только производить регистрацию параметров среды и характеристик различных систем, но и позволять вырабатывать решения по эффективному управлению этими системами (как в режиме реального времени, так и в режиме оптимизации функционирования систем в течение длительного периода). Планируется в первую очередь использовать разрабатываемую систему радиолокационного мониторинга для нужд малой беспилотной авиации. Радиолокаторы, входящие в систему, при этом дополнительно будут использованы для задач связи с беспилотными воздушными судами, их идентификации и помощи в их навигации.