Для повышения эффективности современных автоматизированных стрелковых и малокалиберных артиллерийских комплексов необходимо применение средств учета параметров атмосферы, таких как: температура окружающей среды, влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра.
АО «НТЦ ЭЛИНС» с 2013 г. обладает компетенциями в этой области и изготавливает малогабаритные станции метеоиндикации для экстремальных условий эксплуатации, например, такие как «Станция индикации параметров атмосферы» (СИПА).
К метеостанциям предъявляются высокие требования к надежности и точности. Использование ультразвуковых датчиков (Рис. 1) для определения скорости и направления ветра позволяет исключить подвижные узлы и детали, такие как: крыльчатка, подшипник, ветроуказатель и другие, что положительно сказывается на надежности изделия, а также исключает необходимость в его дополнительном обслуживании.
С целью обеспечения характеристик изделия, датчики атмосферного давления, температуры и влажности окружающей среды размещены в защитном стакане (Рис. 2). Стакан с модулем датчиков расположен в нижней части корпуса, что обеспечивает защиту от попадания прямых солнечных лучей и атмосферных осадков.
Станция выполнена в пылевлагозащищенном корпусе, устойчива к воздействию механического удара, повышенной и пониженной рабочей температуре окружающей среды и ее перепадам, к воздействию атмосферного повышенного и пониженного давления. Возможна эксплуатация при воздействии соляного (морского) тумана, атмосферных конденсированных и выпадающих осадков.
При эксплуатации на пониженных температурах предусмотрена работа автоматической системы обогрева ультразвуковых преобразователей для устранения наледи и снега.
В настоящее время в АО «НТЦ ЭЛИНС» разработаны и проходят испытания два исполнения станции: СИПА и СИПА-Н. Функциональными отличиями СИПА-Н являются наличие приемопередатчиков ГЛОНАСС/GPS/SBAS и возможность установки станции предупреждения о лазерном облучении.
Для определения скорости и горизонтальной составляющей направления ветра используются пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи. Управление и сбор данных с преобразователей осуществляет автоматическая система на основе нейронной сети, разработанной нашими специалистами.
Основной принцип определения скорости и направления ветра построен на анализе времени прохождения ультразвукового сигнала от передатчика к приемнику через отражатель (Рис. 3). Каждый ультразвуковой преобразователь может работать на прием и передачу, другими словами, каждый ультразвуковой датчик может работать как в режиме генератора ультразвукового сигнала, так и в режиме его приема. Определяя скорость распространения сигнала в двух противоположных направлениях для каждой пары противостоящих датчиков, можно учесть зависимость скорости распространения звука от параметров атмосферы.
Сигнал с ультразвукового преобразователя (Рис. 4), выполняющего в данный момент времени роль приемника, поступает на АЦП микроконтроллера. Для определения скорости ветрового потока в прямоугольной системе координат требуется установить точное время прихода прямой и обратной волны переданного сигнала для каждой пары датчиков. Задача расчета времени прихода прямой и обратной волны решается алгоритмами цифровой обработки и детектирования сигналов в режиме реального времени. Принятые сигналы подвергаются многоуровневой цифровой фильтрации в качестве предварительной обработки.
Следующим ключевым этапом обработки следует определение предположительного времени прихода в заранее выделенной волне с использованием преобразований Фурье в составе многослойной нейронной сети. Дальнейшая работа алгоритма определения времени прихода волны, заключается в уточнении времени ее прихода и коррекции ошибок, связанных с ухудшением качества принятого сигнала при работе в жестких условиях окружающей среды.
Использование арифметики с фиксированной точкой при реализации алгоритма позволило повысить частоту определений времени приходов волн для прочих задач обработки. Значения атмосферного давления, температуры и влажности окружающей среды определяются высокоточными датчиками. Информация по цифровому каналу связи поступает на микроконтроллер.
Результаты работы автоматической системы сбора и обработки данных (температура, влажность, давление, средние, минимальные, максимальные скорость и направление ветра за период осреднения) и текущие настройки системы передаются пользователю по интерфейсу 10/100 Ethernet. Дополнительно интерфейс Ethernet используется для настройки пользователем параметров работы станции: команды управления, периоды осреднения и передачи, режим работы (автоматический или по запросу).
1. Прямая волна в области прямого сигнала.
2. Обратная волна в области прямого сигнала.
3. Прямая волна в области отраженного сигнала.
4. Обратная волна в области отраженного сигнала.
5. Маркер нейросети на прямом отраженном сигнале.
6. Маркер нейросети на обратном отраженном сигнале.
Основная сложность в производстве и настройке метеостанций заключается в необходимости калибровки каждого отдельного образца в связи с разбросом параметров ультразвуковых преобразователей и других электрорадиоизделий. Дополнительно, при калибровке необходимо учитывать торможение и завихрения потоков воздуха на стойках, удерживающих отражатель. Специалисты АО «НТЦ ЭЛИНС» постоянно работают над улучшением технических и конструктивных характеристик изделия. Проводятся исследовательские работы в части аэродинамических характеристик корпуса изделия и алгоритмов цифровой обработки сигналов.
