Введение
Качество метеорологического обеспечения авиации является одним из основных факторов, определяющих безопасность полетов. Статистические данные [7] показывают, что в 1997, 1998, 1999 и 2000 годах произошло соответственно 76, 34, 37 и 46 авиационных инцидентов, обусловленных недостатками в метеорологическом обеспечении полетов. Поэтому задача повышения качества метеорологического обеспечения является актуальной.
Современными экономическими условиями диктуется основное ограничение: повышение качества метеоинформации не должно приводить к значительному увеличению ее стоимости. Рассмотрим возможные пути повышения качества метеоинформации.
• Первым возможным решением является улучшение обработки метеоинформации. Действительно, с помощью новых методов обработки удается повысить качество (прежде всего достоверность) метеоинформации. Но на этом пути имеются принципиальные ограничения. При неполной, а зачастую и ошибочной, исходной информации самые лучшие методы не могут дать высокое качество прогноза. И все увеличивающиеся материальные затраты на обработку не приводят к пропорциональному возрастанию качества метеоинформации.
• Вторым возможным решением является увеличение количества и повышение качества метеоинформации за счет автоматизации сбора и передачи метеоданных. Автоматизация сбора и передачи метеоданных требует больших материальных затрат, чем на совершенствование методов обработки. Но результаты вложений практически не имеют принципиальных ограничений и напрямую соотносятся с затратами.
Автоматизация в применении к сбору и передаче метеоинформации заключается в создании автоматизированных систем сбора и обработки
метеоинформации (автоматизированных метеорологических станций -
АМС), имеющих в своем составе цифровое вычислительное устройство. Основным достоинством АМС является возможность выполнения предварительной обработки параллельно производству измерений [13]. Использование АМС позволяет:
• Повысить точность измерений путем применения различных видов коррекции. Например, нелинейность градуировочной характеристики датчика можно скомпенсировать программой обработки.
• Обеспечить непрерывность измерения метеорологических параметров, что позволяет эффективно обнаруживать штормовые условия.
• Ввести новые методы обработки, которые практически нереал изуемы в системах без вычислительного устройства. Сложный анализ данных по параметрам ветра и видимости в интервале 10 минут для получения значений кода METAR [38] возможен только с использованием цифровой обработки.
Кроме повышения качества метеоинформации, введение АМС позволяет также улучшить ряд экономических и эксплуатационных показателей, а именно:
• Уменьшить количество обслуживающего персонала, что снизит затраты на заработную плату.
• Значительно облегчить работу наблюдателей и высвободить время для дополнительных измерений.
• Упростить или исключить некоторые датчики, обеспечив получение нужных характеристик путем обработки данных, поступающих от ограниченного набора простых датчиков. Например, для АМС не нгжеп дополнительный усредняющий за 12 часов термометр. Анализируя массив данных стандартного термометра, программа АМС может определить среднюю температуру.
• Сократить количество линий связи.
6
• Адаптировать программу измерений и обработки данных при смене нормативных требований.
Автоматизацией метеорологической сети занимаются авторитетные международные организации. По инициативе ВМО в 1966 году в г. Женеве была созвана Международная конференция по автоматическим станциям, где было принято решение о создании в международном масштабе сети автоматических метеорологических станций [8]. Это дало толчок развитию и широкому использованию АМС во всем мире, в том числе и в нашей стране. Именно в эти годы были решены общие теоретические и практические вопросы построения АМС, например, в работе [13] были рассмотрены некоторые вопросы структуры, методики производства измерений и практического исполнения узлов АМС. В то время были разработаны метеостанции для различных вариантов применения: обслуживаемые и необслуживаемые, гидрометеорологические, авиационные и судовые [4, 5, 6, 9, 20, 35, 36, 41, 52]. Теоретические разработки были практически проверены реальной эксплуатацией АМС [9, 20, 36, 41, 52].
В соответствии с имеющейся в тот период технической базой, АМС строились по принципу централизованной обработки информации с использованием вычислительных устройств, позволяющих производить ограниченное число жестко запрограммированных операций.
С появлением микропроцессорной техники и персональных компьютеров появились новые возможности в обработке и распространении метеорологической информации. Методические вопросы обработки метеоинформации были рассмотрены в работе [21], однако вопросы построения программного обеспечения, а также вопросы оптимизации структуры АМС для аэропортов в работе не рассмотрены.
Кроме того, следует отметить, что ни одна из используемых в сети Росгидромета в настоящее время АМС не отвечает международным требованиям в полном объеме.
7
Целью работы является построение специализированных систем повышенной надежности сбора и обработки метеоинформации для аэропортов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• выбор оптимальной структуры станции, обеспечивающей непрерывность приема и обработки информации от метеорологических датчиков,
• уплотнение линий связи с сохранением достоверности информации,
• повышение надежности АМС схемотехническими методами,
• повышение достоверности метеорологической информации программными методами,
• разработка технических средств, необходимых для построения станции,
• адаптация системы к новым типам датчиков.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Структура станции, обеспечивающая:
• повышение достоверности данных за счет непрерывности приема и обработки метеорологической информации,
• уплотнение линии связи с использованием метода интерваль-но-импульсной модуляции,
• повышение надежности.
2) Алгоритмы обработки с защитой от ошибок и аппаратных сбоев.
3) Автоматизированная метеорологическая измерительная система АМИС-1.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• предложена структура АМС, обеспечивающая непрерывность приема и обработки метеоинформации,
• разработаны устройства приема сигналов с интервально-импульсной модуляцией, позволяющей уплотнить линии связи с сохранением достоверности информации,
• разработана структура резервирования, повышающая надежность АМС,
• определена типовая структура программного обеспечения АМС с защитой от ошибок и аппаратных сбоев.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
• разработана структура АМС, обеспечивающая непрерывность приема и обработки метеоинформации,
• сокращено количество линий связи с датчиками,
• надежность АМС повышена более чем в два раза,
• разработано программное обеспечение с защитой от ошибок оператора и аппаратных сбоев,
• решены вопросы документирования и архивирования метеорологической информации и действий оператора, исключающие двоякое толкование при разборах полетов.
В первой главе диссертационной работы сформулированы требования к автоматизированным метеорологическим системам для аэропортов, дается обзор отечественных и зарубежных автоматизированных метеорологических станций. Анализируются датчики и технические характеристики АМС в аспекте их соответствия предъявляемым требованиям.
Во второй главе рассмотрена обобщенная структура автоматизированной метеорологической станции. Проанализированы сигналы, передаваемые по линиям связи, и возможность их уплотнения. Предложена структура АМС, обеспечивающая повышение надежности системы. Проанализированы особенности построения различных частей программного обеспечения.
В третьей главе рассмотрена практическая разработка автоматизированной авиационной метеорологической системы АМИС-1. Проанализированы варианты подключения датчиков метеоинформации к метеорологической системе. Рассмотрено разбиение автоматизированной метеоро-
логической системы на узлы в аспекте обеспечения непрерывности измерений и защиты от аппаратных сбоев.
В четвертой главе рассмотрено построение программного обеспечения и алгоритмов обработки автоматизированной метеорологической системы АМИС-1.
В заключении подводятся итоги работы, перечислены основные результаты, приведены сведения об их апробации и внедрении.
К)
Глава I. Обзорный анализ характеристик автоматизированных метеорологических станций
Сформулируем требования к АМС для аэропортов в соответствии со стандартами IKAO. Рассмотрим существующие автоматизированные метеорологические станции и применяемые в них датчики в аспекте их соответствия предъявляемым требованиям.
§1. Требования к автоматизированным метеорологическим станциям
для аэропортов
Автоматизированная метеорологическая станция для аэропортов обеспечивает метеорологическими данными авиацию. Это определяет ряд особенностей, отличающих этот тип АМС.
Система должна измерять следующие метеопараметры:
• температуру и влажность воздуха,
• скорость и направление ветра,
• атмосферное давление,
• метеорологическую дальность видимости,
• высоту нижней границы облачности.
Кроме этого, в аэродромной АМС могут измеряться:
• количество жидких осадков,
• наличие близких гроз,
• наличие гололеда, обледенения.
Метеорологические параметры должны измеряться с точностью:
• температура - 0,4 °,
• влажность - 5... 10 %,
• скорость ветра - 0,5 м/с,
• направление ветра - 10 °,
II
• атмосферное давление - 0,5 гПа,
• метеорологическая дальность видимости - 7...20 %,
• высота нижней границы облачности - 10 %.
Измерение должно производиться не реже:
• температура, влажность и атмосферное давление 30 секунд,
• скорость, направление ветра и метеорологическая дальность видимости непрерывно,
• высота нижней границы облачности 15 секунд.
В АМС должна быть предусмотрена возможность ввода следующих автоматически не измеряемых метеорологических параметров:
• количество и форма облачности,
• высота второго и третьего ярусов облачности,
• видимость огней высокой интенсивности,
• направление и скорость ветра на высотах сто и круга,
• метеорологические явления,
• прогноз на посадку,
• сцепление на взлетно-посадочной полосе (ВПП),
• количество осадков,
• освещенность,
• ступень яркости огней ВПП,
• дополнительная информация.
Кроме этого, программа АМС должна сохранять все данные и действия оператора в архиве и вести вспомогательные таблицы. Метеорологическая информация должна передаваться службам аэропорта и в метеорологический банк данных. Датчики должны быть расположены вблизи ВПП в соответствии с требованиями МАК. До последнего времени действовало требование обязательного резервирования всех датчиков. Схема размещения системы АМИС-1 приведена на Рис. 1.1.
12
и Ш
ВПП2 Старт 4 ..- —
Основная измерительная станция
Резервная измерительная станция
Датчики ТН Датчики ВНГО
рГ Датчики ветра о/р/ Датчики МДВ
г I I I
Блок сопряжения ti j Блок управления
Блок коммутации
Блоки сбора данных
Блок индикации
>¦¦' J
Компьютер оператора
Терминал диспетчера
Терминал синоптика
Принтер
Рис. 1.1 Схема размещения АМС АМИС-1
13
§2. Отечественные аэродромные автоматизированные метеорологические станции
Рассмотрим устройство отечественных автоматизированных метеорологических станций аэродромного типа. Наиболее типичными представителями автоматизированных метеостанций метеорологической сети страны являются: ААМС-1 [36], КРАМС [9, 11].
Основа станции - центральное устройство, выполненное на микропроцессоре. Центральное устройство управляет работой станции, опрашивает датчики, формирует выходные метеоданные. Используемые в АМС датчики определяют ее основные характеристики. Поэтому рассмотрим датчики метеорологических параметров для АМС аэродромного типа.
Температура воздуха может измеряться датчиками, основанными на следующих принципах действия:
1) термометры расширения,
2) манометрические термометры,
3) термоэлектрические термометры,
4) термочувствительные пьезорезонаторы,
5) термометры сопротивления.
В АМС используются термометры сопротивления (терморезисторы), так как остальные типы датчиков не подходят из-за сложности их автоматизации, дороговизны или значительной погрешности. Терморезисторы могут быть двух видов: полупроводниковые (КМТ, ММТ, СТ) и металлические (никелевые, медные — ТСМ, платиновые - ТСП). Полупроводниковые датчики наиболее дешевые, имеют большое номинальное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), но у них значительные нелинейность, разброс и временной дрейф. Точность полупроводниковых датчиков не удовлетворяет современным требованиям. Основными эксплуатационными недостатками металлических датчиков являются
14
низкие номинальное сопротивление и ТКС, которые усложняют преобразователь метеорологической станции.
Параметры терморезисторов приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1.
Параметр Значение
Полупроводниковые терморезисторы
Номинальное сопротивление 0,001... 1000 кОм
Измеряемая температура -6О...+12О°С
Допуск ±10; ±20%
Температурный коэффициент сопротивления 2,4...5,0%/°С
Металлические терморезисторы
Номинальное сопротивление 10; 50; 100; 500 Ом
Измеряемая температура -200...+200 °С
Допуск ±0,05...±0,2%
Температурный коэффициент сопротивления 0,003...0,006 %/°С
Влажность воздуха может измеряться прямыми и косвенными методами [37]. Прямые методы определения влажности (термогравиметрический метод и метод Фишера) обладают высокой точностью, но трудно поддаются автоматизации и требуют длительного времени для измерения. Косвенные методы основаны на том, что содержание влаги в веществе влияет на его физические свойства: тепловые, оптические, механические, электрофизические и т.д. Наиболее распространенными являются диэль-кометрический, кондуктометрический, СВЧ, радиационный, теплофизиче-ский и оптический методы. Почти все эти методы слишком дороги и сложны для практического использования в АМС. В АМС используются следующие легко поддающиеся автоматизации методы измерения:
1) изменение механических параметров пленки или обезжиренного пучка волос - гигрометр,
2) изменение температуры при испарении - психрометр,
3) сорбционно-емкостные датчики.
Психрометр используется при положительных или малых отрицательных температурах, а гигрометр при отрицательных температурах. Перспективными в настоящее время являются сорбционно-емкостные датчики, например полиимидный датчик HS-03M [17, 44], которые можно использовать и при положительных и при отрицательных температурах. Их главным недостатком является значительная нелинейность и большой временной дрейф, что требует периодической калибровки.
Параметры датчиков влажности приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2.
Параметр Значение
Психрометр
Рабочий диапазон температур -2...+40°С
Измеряемая влажность 15...100%
Точность измерения 5%
Гигрометр на основе обезжиренного пучка волос
Рабочий диапазон температур -6О...О°С
Измеряемая влажность 15...100%
Точность измерения 10%
Сорбционно-емкостные датчики (HS-03M)
Рабочий диапазон температур -6О...+6О°С
Основная погрешность 1,5...2%
Временной дрейф ±5%npnt>-10oC ±10%npnt<-10oC
Параметры ветра могут измеряться датчиками, основанными на различных принципах действия [53], в том числе:
1) анемометрами, использующими кинетическую энергию воздуха (пропеллерные и чашечные анемометры),
16
2) анемометрами, использующими давление ветра (трубка Пито, анемок-линометры),
3) термоанемометрами,
4) звуковыми анемометрами.
Практическое применение в метеорологии получили пропеллерные и чашечные анемометры, которые работают в наиболее широком диапазоне скоростей ветра. Чашечные преобразователи ("Шельф", MC-13, АРИ-49) используются реже, так как имеют худшие характеристики. Точность измерения скорости ветра пропеллерным преобразователем в 1,4 раза, а долговременная стабильность градуировочной характеристики в 3 - 5 раз выше, чем у чашечных датчиков [18]. Для получения у датчиков чашечного типа характеристик, соизмеримых с пропеллерными, требуется усложнять датчик.
Наиболее массовый датчик авиационных АМС М63-МР к настоящему времени устарел. Для снятия информации с пропеллера и флюгера используются герконы, которые часто выходят из строя. Отсутствует подогрев, поэтому при очень низких температурах датчик становится неработоспособным. Перспективным является измеритель параметров ветра ИПВ-1, имеющий цифровой выход.
Параметры датчиков параметров ветра приведены в таблице 1.3.
Таблица 1.3.
Параметр Значение
Чашечный анеморумбограф "Шельф"
Рабочая температура -4О...+65°С
Измеряемая скорость ветра V От 1 до 60 м/с
Точность измерения скорости ветра ±(0,5 м/с + 0,05V) м/с
Диапазон измеряемого направления ветра 0...3600
Точность измерения направления ветра ±5°
17
Продолжение таблицы 1.3.
Анеморумбометр М47 (пропеллерного типа)
Рабочая температура -5О...+5О°С
Измеряемая скорость ветра V От 1,5 до 50 м/с
Точность измерения скорости ветра ±(0,5м/с + 0,05V) м/с
Диапазон измеряемого направления ветра 0...3600
Точность измерения направления ветра ±10°
Анеморумбограф М63-МР (пропеллерного типа)
Рабочая температура -50...+50°С
Измеряемая скорость ветра V От 0,5 до 65 м/с
Точность измерения скорости ветра ±(0,5 м/с + 0,05V) м/с
Диапазон измеряемого направления ветра 0...3600
Точность измерения направления ветра ±5°
Атмосферное давление измеряется барометрами жидкостного, поршневого или деформационного типа. В АМС используются датчики деформационного типа на основе барометрической коробки [9, 36, 52]. В настоящее время серийно выпускаются датчики давления на базе тонкостенного цилиндрического резонатора типа БРС-1 (БРС-1М) [10], легко подключаемые по последовательному цифровому каналу к АМС.
Параметры датчиков давления приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4.
Параметр Значение
Измерение усилия барометрической коробки
Диапазон измерения 57О...1О9Омбар
Погрешность От ±0,2 до ± 1 мбар
Барометр БРС-1
Диапазон измерения 6ОО...11ООгПа
Погрешность ±0,33 гПа |
