FI112830B - Sondijärjestelmä, sondijärjestelmän vastaanotin sekä signaalinkäsittelymenetelmä sondivastaanottimessa - Google Patents

Description

• * 112830

Sondijärjestelmä, sondijärjestelmän vastaanotin sekä signaalinkäsittelymenetelmä sondivastaanottimessa

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen sondijäijestelmä.

5

Keksinnön kohteena on myös sondijäijestelmän vastaanotin sekä signaalinkäsittelymenetelmä sondivastaanottimessa.

Yläilmakehän säähavaintojen tekoon käytetään säähavaintopalloon kiinnitettyä 10 radiosondia. Säähavaintopallo on tavallisesti vedyllä (tai heliumilla) täytetty kumista valmistettu pallo, joka on mitoitettu kantamaan radiosondi jopa 40 km korkeuteen saakka. Radiosondissa on radiolähetin ja erilaisia mittalaitteita ilmakehän ilmiöiden havainnointiin. Tavallisesti mitataan painetta, kosteutta ja lämpötilaa (ns. PTU-mittaus, Pressure, Temperature, Humidity) sekä tuulen nopeutta ja suuntaa.

15

Tuulenmittaus perustuu oletukseen, jonka mukaan säähavaintopallo liikkuu ilmakehässä tuulen mukana samalla nopeudella kuin tuuli. Tuulen nopeuden ja suunnan mittaus palautuu siis radiosondin liikkeen mittaamiseen. Tähän voidaan käyttää esimerkiksi navigointijäijestelmiä, joista yleisimpiä ovat Loran-C ja GPS.

: 20 _ _ ' Luotauksen tuloksena saadaan profiili, joka kertoo PTU-arvot sekä tuulen eri • > korkeuksilla ilmakehässä.

• I ' : I

·. : Tunnetun tekniikan puutteena on se, että normaali luotaus kestää noin 2 tuntia ja '.,. * 25 radiosondin etäisyys luotaukseen käytetystä maakalustosta voi tällöin olla maksimissaan esimerkiksi 200 km. Tämä aiheuttaa erityisiä vaatimuksia radiosondin paristolle sekä • * suorituskyvylle. Paristoina käytetään erikoisvalmisteisia paristoja ja suorituskykyä • · • · ’ parannetaan käyttämällä maa-aseman vastaanottoantennina suunta-antennia.

30 Sekä radiosondin paristo että suuntaava vastaanottoantenni ovat suhteessa kalliita ; * · ’: elementtejä. Jos voitaisiin siirtyä käyttämään riittävän edullisia kaupallisia paristoja ja ’:' ‘: ympärisäteilevää antennia, saavutettaisiin huomattavia kustannussäästöjä.

2 112830' i

Laitteiston hinnan ja suorituskyvyn lisäksi ongelmana voi joissakin tapauksissa olla laitteiston koko. Paras esimerkki tästä lienee ns. dropsondi-luotaukset, joiden avulla tutkitaan mm. hurrikaanien kehittymistä. Lentokoneesta pudotetaan useita radiosondeja tietyin väliajoin, siten että ilmassa on samaan aikaan useita radiosondeja. Radiosondien 5 seuraamiseen käytetään useita yksikanavaisia radiosondilaitteistoja. Paras ratkaisu tilan säästämiseksi ja laitteistojen painon minimoimiseksi lentokoneessa olisi pienikokoinen monikanavainen radiosondivastaanotin.

Tunnetuissa radiosondivastaanottimissa signaalia ei näytteistetä välitaajuudella kuten 10 esitetyssä ratkaisussa, vaan digitaalisen modulaation purkamiseen käytetään modeemipiiriä. Tämä rajoittaa signaalin digitaalista jatkokäsittelyä radiossa. Monikanavaisia toteutuksia ei tunneta.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen sondijäijestelmä, 15 sondijäijestelmän vastaanotin sekä signaalinkäsittelymenetelmä sondijäijestelmän vastaanottimessa, joiden avulla edellä kuvatut tunnetun tekniikan ongelmat on mahdollista ratkaista.

Keksintö perustuu siihen, että käytetään käyttötarkoituksesta riippuen yksi- tai ‘; . 20 useampikanavaista digitaalista vastaanotinta.

; > Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle sondijäijestelmälle on tunnusomaista -: · se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

: : 25 Keksinnön mukaiselle sondijäijestelmän vastaanottimelle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 3 tunnusmerkkiosassa.

t · * » . ,: Keksinnön mukaiselle signaalinkäsittelymenetelmälle taas on tunnusomaista se, mikä : ;': on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

Γ’: 30 : ·. *. Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

112830 3

Luotauslaitteiston hintaan, kokoon ja suorituskykyyn liittyvät ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä keksinnön mukaista monikanavaista digitaalista vastaanotinta, johon luotauskäyttö tuo omat erityispiirteensä.

5 Digitaalinen vastaanotin mahdollistaa tehokkaiden virheenkoijausalgoritmien käytön, jolloin onnistuneesti vastaanotetun lähettimen signaalin laatu ja voimakkuus voi olla selvästi alhaisempi kuin tunnetussa tekniikassa.

Tästä seurauksena vastaanotinantenni voidaan tehdä yksinkertaisemmaksi ja 10 halvemmaksi. Samoin radiosondien lähetystehoa voidaan alentaa ja siirtyä käyttämään edullisia kaupallisesti saatavia paristoja.

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten.

15

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista järjestelmää.

Kuvio 2 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista luotauskäyttöön tarkoitettua digitaalista vastaanotinta.

• 20 • · Kuvio 3 esittää vuokaaviota keksinnön mukaisesta signaalinkäsittelymenetelmästä.

T Kuvion 1 mukaisesti sondijäijestelmä käsittää sondin 1, joka tunnetun tekniikan mukaisesti lähetetään ilmakehään kaasutäytteisen (helium tai vety) pallon nostamana. : ,· 25 Sondin 1 lähetin lähettää maa-asemalle tyypillisesti 400 MHz:n kantoaallon avulla digitaalisesti moduloidun signaalin, joka sisältää tyypillisesti paine-, kosteus ja lämpötilatiedon. Sondi 1 siis sisältää tarvittavat laitteet säätiedon ja paikkatiedon hankkimiseksi sekä lähettimen näiden tietojen lähettämiseksi edelleen käsiteltäväksi ; joko maa-asemalle tai esimerkiksi lentokoneen vastaanottavalle asemalle. Keksinnön :, ,: 30 mukaisesti signaali voidaan vastaanottaa ympärisäteilevällä antennilla 2 vastaanottimen : ’ '; paremman herkkyyden, digitaalisen modulaation sekä virheenkoijausmenetelmien ·; ansiosta. Sondin 1 sijaintisignaali vastaanotetaan tyypillisesti itsenäisellä antennilla 3.

Digitaalisessa vastaanottimessa 4 molempien antennien 2 ja 3 signaali käsitellään 112830' 4 edelleen. Säätiedon mittaussignaalin jatkokäsittely tapahtuu vastaanottimen radiotaajuusmoduulissa 6 ja sijaintitiedon käsittely sijaintitietomoduulissa 5. Molempia tietoja prosessoidaan edelleen laskentamoduulissa 7, jonka jälkeen signaali viedään edelleen maakaluston loppukäsittelylaitteistolle 8. Sijaintitietona voidaan käyttää niin 5 GPS-järjestelmää kuin Loran-C:tä tai jotain muuta vastaavaa paikantamisjäijestelmää.

Luotauskäyttöön tarkoitetun digitaalisen vastaanottimen periaate on esitetty kuviossa 2. Vastaanottimella voidaan erilaisten etupääelementtien 11 avulla ottaa antennista 10 vastaan eri taajuuskaistoilla olevaa dataa. Esimerkiksi Euroopassa radiosondeille on 10 varattu seuraavat taajuuskaistat: 400,15 -406 MHz 1668,4- 1700 MHz 15 Kuviossa 1 esitetyssä 400 MHz:n vastaanottimessa signaali sekoitetaan alas ensimmäiselle välitaajuudelle (IF) radiotaajuusetupäässä 11. Tämän jälkeen signaali näytteistetään analogia-digitaalimuuntimella 12 ja sekoitetaan uudelleen alas toiselle välitaajuudelle käyttäen digitaalista sekoitinta 13 (DDC). 1680 MHz:n vastaanottimessa vastaanotettu signaali sekoitetaan alas useita kertoja ennen näytteistystä.

; : 20 Muuten signaalinkäsittely tapahtuu samoin kuin 400 MHz:n vastaanottimessa.

Monikanavainen toteutus saadaan aikaan käyttämällä useita digitaalisia sekoittimia 13. ': : Tällöin muuntimelle 12 otetaan sisään esimerkiksi koko 400 MHz:n radiosondikaista ja ·· kanavaerottelu suoritetaan digitaalisten sekoittimien 13 avulla. Signaalin jatkokäsittely 25 suoritetaan signaaliprosessorilla 14. Edustaprosessorin 15 avulla signaalia muokataan edelleen LAN (Local Area Network) yhteyttä 16 tai sarjaporttia 17 varten, jotta sää- ja ' ' · paikannustiedot voitaisiin esittää normaalissa tietokoneympäristössä, kuten Windows-, NT- tai Linux-käyttöjärjestelmissä ja/tai näiden alla toimivissa ohjelmistoissa.

;,;,: Käytännössä edustaprosessori 15 vastaa tavallista pöytätietokonetta (PC) varustettuna :* 30 sopivalla ohjelmistolla, esimerkiksi NT-käyttöjärjestelmällä.

•: ·: Jatkokäsittely yhden kanavan osalta on esitetty kuvion 3 lohkokaaviossa.

.112830 5

Kuvion 3 mukaisesti näytteistetylle signaalille suoritetaan digitaalinen alassekoitus 31 sekoittimessa 13. Signaaliprosessori 14 puolestaan huolehtii seuraavista menetelmävaiheista: 5 - automaattinen taajuuden seuranta 32, - demodulointi 33, - kanavan ekvalisointi 34 kanavan epäideaalisuuksien kompensoimiseksi, - virheen korjaus 35, ja - virheen tarkistus 36.

10

Lopuksi edustaprosessori 15 huolehtii datan lähetyksestä 37 asiakkaalle.

Yleensä radiosondin lähetteen keskitaajuutta seurataan ja keski taajuuden muutokset kompensoidaan automaattisesti, mikä mahdollistaa halvan oskillaattorin käytön 15 radiosondissa. Keskitaajuuden seuranta ei kuitenkaan ole keksinnölle välttämätön toimenpide, mikäli radiosondin oskillaattori on riittävän korkeatasoinen.

Signaali demoduloidaan signaaliprosessorilla. Tiedonsiirtoon käytetään digitaalista modulaatiota (esimerkiksi GMSK).

] : 20 .. Demoduloinnin jälkeen signaalin sisältämä data korjataan mahdollisuuksien mukaan.

: · Käytettäessä digitaalista signaalia on mahdollista hyödyntää moderneja virheenkorjaustekniikoita kuten Reed-Solomon -algoritmia.

25 Virheenkorjausalgoritmeilla pystytään korjaamaan rajallinen määrä virheitä, joten data täytyy vielä tarkastetaa virheiden varalta esimerkiksi käyttämällä tarkistussummia. ' · Tällöin dataan on lisätty yksi tai useampia tarkistussummia joiden avulla pystytään !' tarkistamaan onko vastaanotettu data oikein. Tarkistussumman laskemiseen on olemassa useita algoritmeja.

30 : : Kanava voidaan myös ekvalisoida lähetteessä olevan tunnetun opetusmerkkijonon : avulla. Siirtokanavalle lasketaan siirtofunktio tunnetun merkkijonon ja vastaanotetun merkkijonon avulla ja signaalia korjataan tämän siirtofunktion perusteella. Kanavan 6 T12830 ekvalisointi ei ole keksinnölle välttämätön toimenpide, mutta se parantaa edelleen suorituskykyä.

Signaaliprosessori 14 lähettää datan edelleen edusta-prosessorin 15 palvelinprosessille, 5 joka puolestaan välittää datan asiakasprosesseille paikallisverkon 16 välityksellä. 1 t < t » > i · ·

Claims (9)

112830 Patenttivaatimukset :

1. Sondijäijestelmä, joka käsittää 5. ainakin yhden sondin (1), jossa on välineet paikannustiedon ja/tai säätiedon muodostamiseksi ja lähettämiseksi radioteitse eteenpäin, - signaalin vastaanottoelimet (2, 3) sää- ja/tai paikannustiedon vastanottamiseksi, - vastanotinvälineet (4) vastaanotettujen signaalien käsittelemiseksi, jotka käsittävät

10. RF-elimet (11) vastaanotetun signaalin taajuuden alassekoittamiseksi näytteistettävälle välitaajuudelle, tunnettu siitä, että vastaanotinvälineet (4) käsittävät 15. näytteistysvälineet (12) näytteistyksen toteuttamiseksi välitaajuudella, - yksi tai useampia digitaalisia sekoitusvälineitä (13) haluttujen taajuuskaistojen valitsemiseksi näytteistetystä signaalista, ja - prosessointivälineet (14) haluttujen taajuuskaistojen käsittelemiseksi rinnakkaisesti. ’ / 20 ·· _

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sondijäijestelmä, tunnettu siitä, että jäijestelmä käsittää jatkoprosessointivälineet (15, 16, 17) sää- ja paikannusinformaation . . esittämiseksi esimerkiksi PC-tietokoneympäristössä.

3. Sondijäijestelmän vastaanotin (4) paikka- ja/tai säätietojen vastaanottamiseksi . . radiosondeilta, joka vastaanotin (4) käsittää ', - signaalin vastaanottoelimet (2, 3) sää- ja/tai paikannustiedon vastaanottamiseksi, !!! - välineet (4) vastaanotettujen signaalien käsittelemiseksi, jotka käsittävät

30. RF-elimet (11) vastaanotetun signaalin alassekoittamiseksi • ·1 näytteistettävälle välitaajuudelle, 112830 tunnettu siitä, että vastaanotin (4) käsittää - näytteistysvälineet (12) näytteistyksen toteuttamiseksi välitaajuudella, 5. yksi tai useampia digitaalisia sekoitusvälineitä (13) haluttujen taajuuskaistojen valitsemiseksi näytteistetystä signaalista ja - prosessointivälineet (14) haluttujen taajuuskaistojen käsittelemiseksi rinnakkaisesti.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sondijärjestelmän vastaanotin (4), tunnettu siitä, että vastaanotin (4) käsittää jatkoprosessointivälineet (15, 16, 17) sää- ja paikannusinformaation esittämiseksi esimerkiksi PC-tietokoneympäristössä.

5. Signaalinkäsittelymenetelmä sondijärjestelmän vastaanottimessa (4), jossa 15 menetelmässä - signaali vastaanotetaan sondista (1) vastaanottovälineillä (2, 3), - lasketaan vastaanotetun signaalin taajuus näytteistettävälle välitaajuudelle, . * 20 tunnettu siitä, että - näytteistys toteutetaan välitaajuudella, * ’ - halutut taajuuskaistat valitaan näytteistetystä signaalista, ja • · * · · ;,, ‘ - halutut taajuuskaistat prosessoidaan rinnakkaisesti. 25

, 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen signaalinkäsittelymenetelmä tunnettu siitä, että .. ] näytteistetty signaali (30) sekoitetaan alas digitaalisesti (31).

» ;;;* 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen signaalinkäsittelymenetelmä tunnettu siitä, '; ’ 30 että signaalille tehdään automaattinen taajuuden seuranta (32). I » 112830

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 tai 7 mukainen signaalinkäsittelymenetelmä tunnettu siitä, että signaalille tehdään kanavan ekvalisointi (34) siirtokanavan epäideaalisuuksien korjaamiseksi

9. Jonkin edellisen menetelmävaatimuksen signaalinkäsittelymenetelmä tunnettu siitä, että signaalille tehdään virheen koijaus (35) ja virheen tarkistus (36). f * < » 10 112830