К.т.н. Хачатурян А.Б.

Санкт – Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ», Россия

К вопросу об измерении параметров ветра над морской поверхностью при проведении спасательных мероприятий

Проблема радиолокационного измерения вектора скорости ветра над морской поверхностью в последнее время приобрела особую важность. Так для обеспечения безопасной посадки гидросамолетов на необорудованных акваториях необходима оперативная информация о состоянии водной поверхности и ветровой ситуации над ней. Для принятия решения о посадке на воду летчику достаточно знать высоту волн, скорость и направление ветра, в то время как для изучения морского волнения и связанных с ним других процессов необходим целый комплекс параметров. Исследования обратного рассеяния радиоволн от морской поверхности показали, что с помощью скаттерометра могут быть измерены скорость и направление ветра над морской поверхностью, так как ее удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) существенно зависит от скорости и направления ветра [1]. В статье предлагается для решения задачи измерения параметров приповерхностного ветра в качестве скаттерометра использовать доплеровский измеритель путевой скорости и угла сноса (ДИСС), установленного на борту летательного аппарата (ЛА).

ДИСС представляет собой автономную радиолокационную систему, предназначенную для непрерывного измерения параметров скорости ЛА: модуля скорости ЛА и угла сноса, и координат ЛА. Принцип действия ДИСС основан на использовании эффекта Доплера [2]. В статье рассмотрены две типичные геометрии лучей неподвижной антенны ДИСС: трех- и четырехлучевая. ДИСС получает отраженные от морской поверхности сигналы с трех различных направлений относительно курса ЛА ψ, которые могут быть использованы для нахождения параметров ветра над морской поверхностью, когда ДИСС работает как трехлучевой скаттерометр.

Поскольку современные ДИСС представляют собой радиолокаторы Ku диапазона, обратное рассеяние морской поверхности можно описать геофизической модельной функцией вида [1]

, (1)

где – удельная эффективная поверхность рассеяния (УЭПР); , и – коэффициенты Фурье, зависящие от скорости приповерхностного ветра и угла визирования θ, , и ; , , , , и – коэффициенты, зависящие от угла визирования, длины волны и поляризации радиолокатора; a – азимут визирования относительно направления против ветра. Из (1) следует, что если с различных эквидистантных направлений (азимутальный угол между соседними направлениями одинаков) получены три или более значений УЭПР, то их сумма будет равна произведению N на , и скорость ветра может быть найдена из .

Положим, что ЛА использует ДИСС с трехлучевой неподвижной антенной системой, так что угол визирования θ постоянен и равняется углу наклонения луча к вертикальной плоскости θ₀. ЛА выполняет горизонтальный прямолинейный полет со скоростью V на высоте H над морской поверхностью, а курс самолета ψ совпадает с его наземной траекторией. Тогда, ψ_0.a.1, ψ_0.a.2, и ψ_0.a.3 – направления лучей 1, 2 и 3, соответственно равны , , и , а отсчеты УЭПР, полученные с этих направлений , и .

Если предположить, что направление приповерхностного ветра ψ_w, угол между направлением против ветра и курсом ЛА ψ равен a, скорость и направление против ветра может найдено из системы уравнений

(2)

а навигационное направление ветра над морской поверхностью может быть вычислено как

. (3)

Для ЛА с четырехлучевой неподвижной антенной количество уравнений в системе (2) возрастет до четырех. Принципиально при этом технология нахождения скорости и направления ветра над морской поверхностью не изменится.

Задача оценки параметров ветра на поверхности океана с помощью трехлучевого ДИСС трансформируется в задачу измерения ветра с помощью трехлучевого скаттерометра, включая внутреннюю калибровку скаттерометра, позволяющую уменьшить ошибку измерения скорости приповерхностного ветра до 0,1 м/с.

Для исследования применимости измерений с трех направлений Y-образной конфигурации лучей антенной системы и с четырех направлений X-образной конфигурации лучей антенной системы было проведено моделирование для типовых значений азимутальных направлений. Для описания теоретической УЭПР была использована геофизическая модельная функция (1) из [1] для горизонтальной поляризации. В качестве математической модели «измеренных» с азимутальных направлений значений УЭПР было использовано экспоненциальное распределение случайной величины. Для оценки процедуры измерения параметров ветра, основанной на решении системы уравнений (2), было выполнено моделирование Монте-Карло с 50 испытаниями для диапазона скоростей ветра от 2 до 20 м/с.

В настоящей статье приведены результаты моделирования для конфигурации азимутальных углов 60°, 180°, и 300° относительно курса ЛА, а также для конфигурации 0°, 90°, 180°, и 270°. В нашем случае N равно 3 и 4, соответственно. Моделирование производилось для типового значения угла визирования 45°, при 1565 «измеренных» отсчетах УЭПР, усредняемых в луче антенной системы ДИСС, а также уровне инструментального шума 0,2 дБ. В [3] показано, что данный уровень шума влечет за собой ошибку измерения скорости приповерхностного ветра 0,5 м/с.

Результаты моделирования показали, что для Y конфигурации азимутальных углов 60°, 180°, и 300° максимальная ошибка измерения скорости приповерхностного ветра без учета инструментального шума составляют 0,65 м/с. И с учетом инструментального шума 0,2 дБ – 0,67. Ошибки измерения скорости ветра находятся в пределах диапазона типичных ошибок измерений спектрометра [4]. Измерения направления ветра для данной конфигурации антенной системы ДИСС не представляется возможным из-за неопределенности в четверть периода геофизической модельной функции (90°). Чтобы избежать подобной ситуации необходимо увеличить количество азимутальных направлений антенной решетки (N = 4). Результаты моделирования показали, что для X конфигурации азимутальных углов 0°, 90°, 180°, и 270° максимальная ошибка измерения скорости и направления приповерхностного ветра без учета инструментального шума составляют 0,52 м/с и 4,5°. И с учетом инструментального шума 0,2 дБ – 0,53 и 7°. Ошибки измерения скорости и направления ветра находятся в пределах диапазона типичных ошибок измерений спектрометра.

Еще одним способом разрешения неопределенности при измерении направления ветра является двухступенчатая процедура измерения параметров приповерхностного ветра. Предлагаемая процедура состоит из двух этапов: на первом ДИСС получает отсчеты УЭПР с трех различных азимутальных направлений, на втором этапе ЛА совершает разворот на фиксированный угол, а затем осуществляется съем значений УЭПР с трех новых азимутальных направлений ЛА. Приведенный алгоритм эквивалентен получению значений УЭПР с шести различных направлений. Применимость указанной процедуры также была проанализирована с помощью моделирования. Результаты моделирования показали, что для Y конфигурации азимутальных углов 60°, 180°, и 300° и разворота ЛА на 60° максимальная ошибка измерения скорости и направления приповерхностного ветра без учета инструментального шума составляют 0,48 м/с и 4,4°. И с учетом инструментального шума 0,2 дБ – 0,49 и 4,6°. Ошибки измерения скорости и направления ветра находятся в пределах диапазона типичных ошибок измерений спектрометра. Таким образом, для определения скорости ветра можно ограничиться измерениями УЭПР с трех направления, а для уточнения направления ветра необходимо к имеющейся статистике добавить измерения, полученные после поворота ЛА.

Таким образом, учитывая уровень ошибок измерения параметров приповерхностного ветра можно заключить, что ДИСС может быть использован для решения указанной задачи в качестве скаттерометра. При этом для достижения минимальной ошибки измерения скорости и направления ветра в трехлучевом ДИСС необходимо использовать двухступенчатую процедуру измерения УЭПР.

Литература

1. Moore, R.K.; Fung, A.K. Radar determination of winds at sea. Proc. IEEE 1979, 67, 1504–1521.

2. Kayton, M.; Fried, W.R. Avionics Navigation Systems; John Wieley & Sons: New York, NY, USA, 1997; p. 773.

3. Stoffelen, A. Scatterometry, Thesis, Utrecht University, Utrecht, Netherlands, 1998, p. 209.

4. Masuko, H.; Okamoto, K.; Shimada, M.; Niwa, S. Measurement of microwave backscattering signatures of the ocean surface using X band and Ka band airborne scatterometers. J. Geophys. Res. Oceans 1986, 91, 13065–13083.