无线电探空仪系统、无线电探空仪系统接收器和无线电探空仪接收器中的信号处理方法

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的无线电探空仪系统。

本发明还涉及一种无线电探空仪系统接收器和用于无线电探空仪接收器中的信号处理方法。

上层大气的天气观测是利用装在探空气球上的无线电探空仪来实现的。典型地，探空气球是充满氢气(或氦气)的橡皮气球，并且将其尺寸设计为能提升无线电探空仪到40km的高度。无线电探空仪包括射频发射机和用于记录大气现象的各种测量设备。最普通的测量变量是压力、湿度和温度(已知的如来自词压力(Pressure)、温度(Temperature)、湿度(Humidity)的PTU测量)以及风速和风向。

风的测量是基于探空气球是以与风相同的速度在大气中随风移动的假定。因此，风速和风向的测量任务可以通过测量无线电探空仪的移动来完成。这可以例如通过导航系统来实现，最普通的是Loran-C和GPS。

作为探测阶段的结果，将表示大气中不同高度的PTU测量值和风的数据汇编成一个简要描述。

现有技术的一个缺点在于，常规的探空阶段需要2h，由此无线电探空仪到地面探测站的最大距离可以达到例如200km。从而对无线电探空仪电池和总工作性能提出了较高的要求。电池是专门设计的特殊类型，并且通过使用定向天线作为地面站的接收天线来提高探空仪的性能。

无线电探空仪电池和定向接收天线都是相对昂贵的部件。如果系统能适于使用具有可以接受的合理价格的商用电池和全向天线，就能够在实质上节省费用。

除了设备的价格和性能，设备的外形大小在某些情况下也是一个制约因素。这个因素的最好例子是在例如为了研究飓风的发展而进行的所谓下投式探空仪探测中遇到的。这时，将多个无线电探空仪以预定间隔从飞机上投放下去从而使多个无线电探空仪同步空降。利用多个单频道无线电探空仪单元执行无线电探空仪的追踪。更有效利用空间和最小化飞机上的设备重量的优化措施是使用小型的多频道无线电探空仪接收器。

在常规的无线电探空仪接收器中，不是如本实施例所述对信号进行中间频率采样，而是使用调制解调器单元对数字调制进行解码。这种方法使得随后在接收器中的信号数字处理复杂化。多频道接收器的实施例目前还不为现有技术所知。

本发明的一个目的是提供一种全新的无线电探空仪系统、无线电探空仪系统接收器和用于无线电探空仪系统的接收器中的信号处理方法，所有这些使得解决现有技术中的上述问题成为可能。

本发明的目的通过依据给定应用的需要而适当地使用单频道或多频道数字接收器来实现。

更特别的，根据本发明的无线电探空仪系统的特性被权利要求1的特征部分所描述。

此外，根据本发明的无线电探空仪系统接收器的特性被权利要求3的特征部分所描述。

更进一步的，根据本发明的信号处理方法的特性被权利要求5的特征部分所描述。

本发明提供了重大利益。

关于无线电探空仪系统造价、外形大小和性能的问题，可以通过利用根据本发明的具有为了无线电探空仪使用而优化的特定特征的多频道数字接收器来解决。

数字接收器有助于利用有效的纠错算法，从而接收器能成功检测到基本低于现有技术中可能检测到的信号质量和强度的发射机信号。

因此，接收器天线就可以制作得更简单和廉价。分别地，无线电探空仪的发射功率电平也可以降低，从而使得更划算的商用电池的使用变得可行。

下面通过示范性的实施例参照附图对本发明进行分析，其中

图1示意性地显示了一个根据本发明的系统的实施例；

图2显示了根据本发明适用于无线电探空仪系统的数字接收器的框图；和

图3显示了根据本发明的信号处理方法的流程图；

参照图1，其中所示的无线电探空仪系统包括通常用充气(使用氦气或氢气)气球提升到上层大气的无线电探空仪1。典型地，无线电探空仪1的发射机向地面站发送带有压力、湿度和温度数据的数字调制的400MHz信号。因此，无线电探空仪1包含所有用于获得天气和位置数据的必需设备和用于向在地面站或者例如位于飞机上的接收站中的进一步处理设备发送该信息的发射机。依照本发明，由于新型接收器结合数字调制和纠错方法的使用来提供改善的灵敏度，发射机信号可以通过全向天线2来接收。典型地，无线电探空仪1的位置数据信号通过单独的天线3来接收。由天线2和3接收的信号都被送入数字接收器4进行下一步处理。天气数据的下一步处理在接收器的射频模块6中进行，而无线电探空仪的位置数据在位置数据模块5中处理。来自两个模块的数据流都在计算模块7中进行进一步处理，并且由此将无线电探空仪数据信号传送到地面站的终端处理设备8中。位置数据也可以通过GPS系统或Loran-C或其他任何等效导航系统的帮助来获得。

在图2中显示了用于无线电探空仪系统的数字接收器的基本构造。在不同前端模块11的帮助下，接收器对从天线10在不同频带接收的数据作出响应。例如在欧洲，将下列频带分配给无线电探空仪使用：

400.15-406MHz

1668.4-1700MHz

在图1中所示的400MHz接收器中，首先在RF前端模块11中将信号下变换到第一中间频率(IF)。然后，通过模数转换器12对信号采样并且在数字混合器13(DDC)的帮助下再次下变换到第二中间频率。送入1680MHz接收器的接收信号可以在采样前进行多次下变换。否则接收器以与400MHz接收器同样的方式进行信号处理。

多频道系统可以通过多个数字混合器13来实现。于是，转换器12的输入信号可以涵盖例如整个400MHz无线电探空仪频带，从而借助于数字混合器13对所选频道进行过滤。数字信号的进一步处理通过信号处理器14进行。借助于前端处理器15，对信号进行进一步处理以用于通过LAN(局域网)连接16或串行端口17传输，以便使天气和位置数据可以通过常规计算机环境例如Windows、NT或Linux操作系统和/或在这些操作系统上运行的软件来访问。实际上，前端处理器15是在合适的软件例如NT操作系统上运行的常规PC。

图3的框图显示了在一个频道中的后端处理的一些细节。

如图3所示，采样信号在混合器13中进行数字下变换31。信号处理器14相应地执行本方法的下列步骤：

—自动频率控制32，

—解调33，

—频道均衡34补偿该频道的不理想特性，

—纠错35，和

—错误检测36。

最后，前端处理器15处理发送37数据到终端用户。

一般地，对无线电探空仪信号的中心频率进行监视，并且自动补偿该中心频率的变化，以便可以在探空仪本身使用低代价的振荡。然而结合本发明，假定无线电探空仪的振荡器具有足够高的质量，就可以省略对中心频率的监视。

通过信号处理器对信号进行解调。在数字频道上的传输通过数字调制(例如GMSK)来进行。

解调之后，使用现有技术对数字信号进行修正。结合数字数据信号，可以使用例如Reed-Solomon编码方案的现代纠错方法。

由于纠错算法仅能修正有限的错误，还需要使用例如检验和的验证对数据完整性进一步检测。为此，使用一个或多个适于表示接收数据的完整性的检验和算法对数据进行补充。对于检验和计算可用多个不同的算法。

频道均衡也可以使用先验的已知训练特征序列来完成。于是，借助于已知特征序列和接收器特征序列来计算传输频道的传输函数，从而利用计算的传输函数就可能进行信号修正。然而频道均衡并非对于本发明的功能所必须进行的操作，可以优选地使用它来改善系统的性能。

信号处理器14进一步将数据传输到前端处理器15的服务器处理中，其通过局域网16将数据分布到终端用户处理中。