Атмосферный зонд для чего нужен
Метеорологический Зонд
Метеозонд — устройство для измерения различных параметров атмосферы.
В наши дни метеорологические зонды повсеместно используются на аэрологических станциях для контроля погоды.
В начале двадцатого века зондирование атмосферы проводилось с самолётов или привязных аэростатов. Показания установленных на них датчиков нужно было снимать вручную. Первый метеорологический радиозонд спроектировал советский учёный П.А. Молчанов в 1928 году и запустил в январе 1930 года. С этого переломного момента в истории наблюдений за погодой метеорологическое зондирование стало основным способом прогнозирования.
Во всём мире насчитывается более 10 000 станций радиозондирования. Часть из них располагается на земле, часть на морских судах. И на каждой из них метеорологические зонды запускают два раза в сутки: ровно в полдень и в полночь по Гринвичу. Зонды, запущенные без согласования с аэрослужбами, могут стать причиной авиакатастрофы.
Метеорологические зонды могут быть двух типов:
Принцип работы метеозонда
Метеорологический зонд представляет собой шар, к которому привязана капсула с аппаратурой. Шар делают из латекса или резины. Заполнен он гелием или водородом. Первоначально диаметр шара составляет около одного метра. После запуска шар значительно увеличивается в размерах за счёт разницы в давлении. На высоте 30 км его диаметр будет уже более 10 метров.
К шару крепится герметичная колба из пенопласта. Она защищает аппаратуру от влажности и низких температур в атмосфере. Внутри капсулы находятся датчики, радиомодуль и батарея питания.
В верхних слоях атмосферы зонд фиксирует состояние следующих параметров:
По траектории движения зонда и его скорости на разной высоте оценивают силу и направление ветра.
Радиодатчик подаёт сигналы на локатор, находящийся на аэрологической станции, откуда они поступают на компьютер обработки информации. Программа анализирует данные, и дальше они идут в метеослужбу. Именно на основе полученных с метеозонда показаний синоптики составляют прогнозы погоды на несколько дней.
Несмотря на простоту своей конструкции, метеорологические зонды по всему миру выполняют важную задачу сбора погодных данных. От них напрямую зависит безопасность деятельности атомных станций, аэропортов, флота и МЧС.
Как согласовать полёт зонда в стратосферу (с чем мы столкнёмся на практике при запуске)
12 апреля мы собираемся запустить стратосферный зонд с небольшим сервером, откуда на CDN внизу будет передаваться наша страница. Входящий канал — низкоорбитальные спутники связи, исходящий — радиопоток на частотах любительского диапазона (телеметрия и управление) и Wi-Fi (видео и данные).
Проблема с запуском в том, что это неуправляемый летательный аппарат. В смысле, это просто шар с гелием, к которому прицеплено несколько килограммов железа. И это важно, потому что это железо может стукнуться о чей-нибудь самолёт или упасть на чью-нибудь территорию. Муниципалитетам, например, не очень нравится, когда на территорию его объектов такое падает. Заповедникам тоже. А Росатому уж вообще очень не нравится.
На борту будет камера, то есть это получится аэрофотосъёмка. Разрешение на неё надо получать у Федеральной службы безопасности.
Это пиковый полёт, то есть мы поднимаемся до рабочей высоты, быстро выполняем миссию и спускаемся на посадку. Зонд обычно уносит на 100-150 километров от точки старта по направлению ветра, дующего на высоте от земли до 30 километров. Выше 20 км как правило пропадает турбулентность, да и плотность воздуха там в 100 раз меньше (на съёмке видно характерную границу атмосферы), поэтому полёт там становится более плавным. Лететь мы можем хоть до Владивостока, но чем больше траектория тем сложнее получить официальное согласование полёта, что заставляет нас максимально сокращать полёт.
Вот так выглядит этот полёт, 99% всей атмосферы Земли находятся уже ниже нашей стратосферной платформы:
Первое, что мы делаем — это ищем место, где 150 километров полёта в «примерно том» направлении по ветру будет проще всего согласовать. Для этого нужно зайти на сайт fpln.ru (он, кстати, работает на OpenStreetMap) и ищем себе место, где потребуется минимум согласований:
Как правило, это означает, что надо выбраться подальше от Москвы — выйти за пределы зон аэропортов, разных военных объектов и вообще плотной застройки. Хочется стартовать не из города (это уменьшит согласования) и уж точно приземляться в поле или хотя бы в лес по той же причине. Ещё хорошо было бы, чтобы в точке приземления не было ничего такого, что заставит нас искать зонд с полезной нагрузкой больше 5-6 часов.
Если это ваши первые согласования, то готовьтесь к очень долгому квесту с официальными документами. Некоторые согласования спокойно могут отнимать до пары месяцев. Мы для уменьшения рисков делаем следующее:
Со всеми владельцами запретных зон на карте надо пройти процесс согласований. Например, если мы летим над заповедником – получить разрешение от них, если над упомянутым Росатомом – от них и так далее. Естественно, со всеми окружающими аэродромами тоже надо согласовать. Всех авиационных диспетчеров управляющих маршрутами полёта самолётов тоже нужно предупредить.
За 3-5 дней до старта появляется прогноз погоды и ветров, которому можно верить, и нужно начать согласовывать полёт в виде вилки траекторий. Это уже не зона широкими мазками с разными точками старта, а одна точка старта и угол разброса от ветра. Иногда это z-образные траектории, иногда круги или квадраты (зависит от конкретной погоды и плана). Но чаще всего именно точка старта и угол.
Пример составления заявки на запуск аэростатов и шаров — зондов
На этой стадии надо подать заявку в центр организации воздушного движения. По этой заявке разрешают или не разрешают использование воздушного пространства. Дальше они устанавливают тот или иной режим использования и вставляют в план. Это в том случае, если их ничего в согласованиях не смущает. Но в центре могут запросить дополнительные согласования с соседними областями, аэродромами, либо с генштабом.
Если всё нормально, то дают предварительное разрешение за трое суток до старта. В этот момент мы уже начинаем готовить свой мини-ЦУП. Вот примерно так он выглядит:
За час до старта нужно звонить и уточнять, всё ли хорошо. В этот момент план полёта для центра сравнивается с фактической погодой (ветром). Дальше возможно три варианта:
Мы сами можем отцепить нагрузку от шара. Диспетчеры центра организации воздушного движения также могут потребовать этого в любой момент. Это значит, что мы отдаём команду на аппарат, там специальное устройство расцепляет карабин, и сам шар взмывает ввысь (где быстро лопается от давления), а нагрузка спускается вниз под парашютом. Это нужно на случай резкого изменения ветра и других происшествий, когда опасность движения шара в нерасчётной зоне гораздо выше опасности приземлиться в нерасчётном месте. Мы очень надеемся, что результатом полёта не станет что-то вроде «убили корову маршрутизатором».
Сам по себе шар опасности почти не представляет, он наполнен инертным не горючим гелием. А вот нагрузка тяжелее птицы и летит выше птицы, поэтому может оказаться неприятной помехой для самолётов, хотя пока нам не известно ни одного случая авиапроисшествий с участием шаров зондов. Естественно, мы стараемся провести траекторию над малонаселёнными районами, чтобы минимизировать возможные неприятности и при приземлении.
Точно ли мы запустимся ровно в день космонавтики? Нет.
Вот что может помешать:
— Плотная облачность
С запуском проблем не будет, но будут помехи по видеотрансляции, поскольку облака будут гасить сигнал (а мы ограничены по мощности и по свойствам передатчиков). Вероятность плотной облачности мы оцениваем примерно в 30%.
— Сильный ветер у земли
Это усложняет запуск. 2 из 100 запусков срываются из-за этого, либо же надо иметь запасные зонды на случай, если основной порвёт порывами ветра. Казуальная оценка — 20%.
— Осадки (дождь или снег)
Запуск во время дождя или снега может привести к изменению траектории полёта. Попадание дождя на электронику или на объективы камер может испортить оборудование или изображение. Оценка 20%.
— Внезапные учения или специальные полёты
В зависимости от графика работы ближайших аэродромов бывает, что разрешение на один день получить сложнее, чем на другой. Из-за этого иногда приходится переносить старт. Вероятность ниже 20% по опыту.
Что может случиться в полёте и при приземлении?
— Приземление в сложном месте
Шанс меньше 10% при текущем секторе. Но всё равно возможно приземление в труднодоступном месте, требующем более 1 суток для подбора оборудования. Нужно добраться до места приземления, забрать оборудование и скачать видеоматериалы с борта. Поэтому не ждите результатов сразу )
— «Выкуп» зонда
1 раз приходилось заплатить нашедшему чтобы он вернул оборудование. 2 раза отдавали бесплатно. Это происходит в случае приземления в зоне видимости посторонними людьми, когда они подбирают зонд раньше нас. Именно поэтому мы устраиваем охоту за зондом с призом на машинах – чтобы прямо по телеметрии его ловили ещё на спуске. Вероятность 3% по статистике 100 полётов.
— Потеря оборудования при приземлении в недоступном месте
Из 100 запущенных стратостатов 3 были потеряны в связи с приводнением или приземлением в место, откуда оборудование не смогло установить связь со спутником и передать свои координаты.
Для уменьшения такой вероятности мы стараемся обеспечить положительную плавучесть полезной нагрузки и дублируем системы связи.
— Проблемы с ёмкостью каналов связи
На день запуска в утверждённом месте может не оказаться достаточной скорости имеющихся каналов выхода в интернет. Это касается транспондерной ёмкости и трансляции видео из мини-ЦУПа до вас. На нашем стратостате мы используем два разных канала связи. На земле – всех доступных операторов мостом. Оценка риска — менее 10%.
Так что мы не обещаем 100% шоу, но делаем всё, чтобы оно получилось. Главное — чтобы была погода. И с ней, вроде бы (тьфу-тьфу) пока всё в порядке по прогнозу, но вы же знаете как иногда ошибаются прогнозы :).
Приглашаем Хабражителей принять участие в нашем эксперименте и побороться за главный приз — поездку на Байконур.
Создание независимого и самодостаточного погодного зонда
В этом году мы участвовали в чемпионате CanSat по запуску погодных зондов и поставили перед собой амбициозную цель: превратить зонд в полноценный БПЛА, укладываясь в правила конкурса
Данный пост включает в себя:
1) описание аппарата
2) цель его создания
3) процесс сборки
4) летные испытания
5) финальный запуск
Описание
Аппарат представляет из себя квадрокоптер с двумя режимами: в пассивном он принимает вид цилиндра, который помещается в корпус ракеты, в активном раскрываются лучи, запускаются двигатели, начинается выполнение основной миссии, которая заключается в сборе данных о состоянии поверхности земли и атмосферы, автономном полете по заданным точкам (с возможностью перехвата управления пилотом) и возврате на базу.
Сложенное состояние
Характеристики:
Время полета: 6-12 минут
Дальность полёта по горизонтали: 4 км
Дальность полёта по вертикали: 2 км
Время перехода в активный режим: 3 секунды
Вес: 600 г
Установленные датчики: барометр, акселерометр, гироскоп, магнитометр, GPS, инфракрасная камера
Проект создавался для участия в высшей лиге чемпионата CanSat, который проводит НИИЯФ МГУ.
Это международный чемпионат, в котором участвуют школьники и студенты. Команды создают свой погодный зонд («спутник»), который запускается на ракете, во время спуска на парашюте он передает различные данные на землю.
Первый этап — зимняя сессия, на которой команда из 1-4 человек представляет презентацию, которая описывает будущий проект погодного зонда, дополнительную миссию и т. д.
Далее, если жюри одобрило проект, можно приступать к сборке. Летом проходят запуски в поле под Дубной, после этого отлетавшие зонды забирают жюри, позже они выдаются одновременно всем командам. Остается ночь на обработку данных и создание итоговой презентации.
Всего существует 3 лиги:
регулярная лига — объем 0.5 л, максимальная масса 350 г, обязательно использование готового конструктора, который состоит из аналогового датчика давления, цифрового датчика температуры, микроконтроллера ATmega 128, приёмопередатчика RXQ2 (433 МГц). Регулярная лига запускается на ракете на высоту 500м.
Высшая лига — увеличен максимально допустимый объем и вес, есть возможность использования собственных компонентов. Основные задачи: отложенное раскрытие на высоте 200м, построение траектории полета. Запускается на ракете на высоту 1 км.
Студенческая лига — зонд запускается в стратосферу (30 км) на гелиевом шаре.
У моей команды был опыт участия в чемпионате: в прошлом году мы состояли в регулярной лиге. Вместо готового конструктора было решено сделать свой, с сохранением основных компонентов из базового набора, так что правила фактически нарушены не были, но организаторов мы уведомили. У нас получилось уменьшить размеры платы в 3 раза за счет применения двухсторонней печати, так что теоретически мы бы смогли принять участие в американском чемпионате, но из-за домашнего изготовления плата работала с некоторыми перебоями, что не позволило нам запуститься на ракете.
Схема основной платы
Нашей дополнительной миссией была съемка земли в инфракрасном диапазоне камерой 16х4 пикселей и видимом диапазоне с дальнейшим наложением. Как показала практика, проект так или иначе был бесполезен, так как из-за снижения на парашюте зонд постоянно раскачивался, не хватало светосилы и скорости съемки, поэтому все видеозаписи получались смазанными.
Пробный запуск зонда с квадрокоптера (полет на парашюте с 0:35)
Стоит также упомянуть и более старую команду, которая принимала участие в еще более раннем чемпионате. В прошлом году они участвовали в высшей лиге. Основная особенность — использование импеллера вместо парашюта, но из-за неготовности программного кода и самодельной платы они также не смогли выступить.
зонд с импеллером
Их первый зонд, кстати, работал. Основными особенностями были собственная приемная станция и две системы спасения, включавшие в себя GPS и GSM модули.
Перед запусками у них перестал работать приемник на базовой станции. Чудом смогли отпаять сгоревшую деталь со старого треснувшего приемника, все заработало.
Стоит заметить, что мы были союзниками, так как работали в одном помещении.
В этом году было решено слить команды. В итоге моя команда решила развить идею управляемого спуска, а именно создать квадрокоптер, который бы поместился в ракету.
Процесс создания
прототип
Первый прототип мы сделали за неделю до зимней сессии, чтобы убедить жюри в реальности данного проекта. Каркас был сделан из алюминия, лучи тоже. В качестве полетного контроллера я использовал MultiWii, так что этот прототип мог только раскрывать лучи по команде оператора, и летать в ручном режиме.
Жюри проект оценили, мы заняли первое место, и теперь могли начать сборку. Кстати, прямо перед презентацией во время пробного полета у нас сгорел двигатель, мы поменяли его на запасной. Во время презентации опять сгорел двигатель. Оба были подключены к одному и тому же регулятору скорости, больше мы его не использовали.
К сожалению, пропал источник финансирования, появился он ближе к сдаче ЕГЭ, тут уже я не мог принимать участие. В итоге после сдачи экзаменов мы в экстренном режиме заказали нужные детали экспресс-доставкой и, вооружившись карбоновыми трубками, кевларовыми нитками и эпоксидной смолой, начали сборку каркаса и лучей. На протяжении всех двух недель меня не покидала мысль о том, что мы не успеем, но билеты на поезд были куплены, обратного пути не было.
финальная версия в стадии отладки
Говорить о серьезных летных испытаниях не приходилось, у нас был всего одна рабочая модель, её потеря означала провал.
Первый запуск был внутри здания, он прошел успешно, второй запуск на улице в ручном режиме — успешно, третий запуск в режиме удержания позиции по gps — почти фатально. Из-за неправильно настроенного магнитометра зонд перестал слушаться команд и полетел в сторону ближайшего озера, благо его остановила стена общежития. Мы потеряли 2 луча и 2 пропеллера, каркас выдержал. У нас были запасные лучи, поэтому работоспособность была восстановлена за пару часов. После длительной настройки магнитометра была еще одна попытка — запуск прошел успешно.
Оставалось проверить возврат на базу. Этот день как раз приходился на мой выпускной, но делать было нечего, мы поехали в поле, попробовали возврат домой — успешно. Радости не было предела, на следующий день мы отправлялись в Москву на запуски, но код для автоматического раскрытия все еще не был написан и, кажется, мы повторили ошибку прошлого года.
тест возврата на базу
Расскажу подробнее о системе автоматического раскрытия.
Она состоит из сервопривода, веревки, резинок, управляющей платы и фотоприемника.
Зонд погружают в ракету, там темно, с помощью фотоприемника МК это фиксирует, система переходит в режим ожидания. Происходит запуск ракеты, отделение, поток света увеличивается, сервопривод отпускает веревку, которая держит лучи (их нормальное состояние из-за резинок открытое), лучи раскрываются, через 3 секунды плата предоставляет доступ включенному полетному микроконтроллеру к регуляторам скорости, начинается полет к первой точке, далее полет домой.
Плата, отвечающая за управление раскрытием также управляет ИК камерой. После того, как мы перенесли обработку сырых данных с датчика на компьютер, частота увеличилась с 18 к/с до 30 к/с (данные записываются на microSD)
Для управления двигателями пришлось потрудиться: нельзя просто так сначала разорвать соединение между МК и регуляторами скорости, а потом восстановить — они не запустятся. Сначала нужно подать сигнал на инициализацию и только потом отдавать доступ полетному МК. Поэтому пришлось создать схему с возможностью доступа к регуляторам как от полетного мк, так и от управляющего.
Мы плавно переходим к финальному этапу —
запускам
И вроде за ночь до запусков у нас все готово, мы даже протестировали полет по точкам, оно действительно летает, но вот полную симуляцию сделать никто не додумался. В итоге в автобусе, который вез нас на поле для запусков выяснилось, что код работает неправильно; я предложил другу закомментировать основной цикл, в котором начинается работа всех дополнительных систем, чтобы определить корень проблемы. Мы пытались исправить ошибку на протяжении всего оставшегося до запусков времени, попросили организаторов пускать нас последними. В конечном счете проблема была решена, но, как оказалось, мой друг вместо того чтобы закомментировать цикл поставил «отладочный» return, который никто не удосужился убрать.
Ракета, так уж получилось, не могла поднять зонд на заявленный километр, только 500 метров в следующий день, поэтому мы решили запускаться на гексакоптере. Чтобы симулировать нахождение зонда в ракете мы надели колпачок на фотоприемник, а другой его конец привязали к гексакоптеру.
И вот гексакоптер поднимается с нашим раскачивающимся зондом, медленно превращаясь в неразличимое пятно; по FPV произошло выпускание зонда на километре, но из-за низкого разрешения не было понятно, произошло ли раскрытие, кто-то даже сказал, что он не раскрылся и камнем упал вниз (изначально он должен был полететь по заданным точкам, а потом вернуться на место старта, но даже после 5 минут ожидания его никто не видел). Мы, конечно, расстроились и пошли искать его остатки в поле, но, взглянув на последние данные телеметрии, заметили, что, хоть связь с зондом и пропала, последние координаты указывают на соседнее поле из борщевика. Пошли по координатам; по дороге другая команда сказала, что видела, как он садился в кусты; начались поиски. Как оказалось, в траве крайне затруднительно найти мелкий зонд даже зная его координаты.
В итоге я решил включить двигатели, чтобы посадить предположительно разряженную батарею, тогда должен был запищать встроенный вольтметр. План сработал, мы нашли его в целости и сохранности, даже пропеллеры не пострадали, спасибо удлиненным лучам.
Радостные поехали домой обрабатывать данные, точнее их отсутствие, спасибо «отладочному» return.
У нас, правда, были данные с полетного контроллера, их и проанализировали. Получили траекторию, график высоты и системные ошибки.
синяя стрелка — момент включения двигателей; зеленая стрелка — момент включения режима возврата домой
Еще получили запись с гексакоптера.
Итог таков — он успешно отделился, выпустил лучи, включил двигатели, смог выровняться из перевернутого положения и полетел на ближайшую точку.
Далее произошла потеря связи с базовой станцией, это именно тот момент, который я не учел. В настройках по умолчанию ему предписано прервать полет по точкам и лететь домой, поэтому он прекратил снижение и собрался на базу, но не тут-то было, мы слишком быстро включили двигатели, не успев «прогреть» GPS, поэтому он запомнил не совсем те координаты, не правильно записал точку дома (хотя почему она лежит на прямой по его траектории — вопрос). Далее он совершил плавную посадку в автоматическом режиме и выключил двигатели.
После такого количества ляпов мы и не надеялись занять первое место, но жюри, кажется, оценили идею. Так мы выиграли четвертый чемпионат CanSat в России.
Я так и не нашел ни одного рабочего проекта по управляемому спуску зонда CanSat, возможно мы первые, это даже странно, так как все было относительно просто.
Ссылки:
Есть ли применение зонду в реальной жизни?
Из-за компактности можно сбрасывать пачку подобных штук для исследования определенной территории, тот же поиск торфяников, например. Можно запускать на ракете, тогда не будет затрат на набор высоты.
Был ли у нас научный руководитель?
Да, Игорь Иванович, большое ему спасибо за поддержку, также хотелось бы выразить благодарность Казанскому Авиационному Институту и Дому занимательной науки и техники за предоставленные лаборатории.
Какова стоимость зонда?
От 300$ до 500$, в зависимости от задачи. Ясно, что можно увеличить время полета, максимальное расстояние, надежность за счет увеличения бюджета. Нам пришлось отказаться от многих идей, к сожалению.
Почему GPS антенна была под брюхом зонда?
Потому что планировка не позволяла её поставить в другое место (но в воздухе прием был отличным).