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:

• управляемые: с помощью радиосигналов можно направлять движение и контролировать высоту зонда;
• неуправляемые: движущиеся за счёт воздушных потоков.

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:

• давление;
• температура;
• влажность.

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.

Зонды одноразовые: на высоте 40 - 50 км шар лопается от избыточного давления. Пенопластовая капсула падает на землю, но повторно не используется. Поэтому при изготовлении зондов упор делается на дешевизну конструкции. А полученная информация представляет гораздо большую ценность, чем сам прибор. Каждый раз специалисты аэрологической станции собирают и запускают в небо новый метеорологический зонд.

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.

А что вы знаете о погодных зондах?

Я вот тоже ничего особо не знал до недавнего времени.
А что же внутри и как все это работает?

Началось все с того, что я просматривал ебей на наличие старых телефонов сименс с5, это вроде нмт труба. Ее можно переделать на 70см и заставить работать как пейджинговую станцию. У нас тут популярны пейджеры любительские, хотя работает до сих пор одна контора. Ви таки будете смеяться, но этот вид связи не только не сдох, но и перешел на цифровой уровень с обратным каналом.
Но речь про зонды.
Так вот, накидывал я себе разных лотов из всяких радиостанций, чтобы за копейки купить и переделать на любительские диапазоны или хотя бы поковырять ради интереса.
И тут увидел эти самые зонды, 10 штук в коробке, новье с 1987 года.

Зонд ни разу не любительский. Собственность службы погоды германии.

Вот так оно выглядит. В мешочке с номером. Каждый калиброван. Работает на частоте 407мгц. Конкретно я настроил 404.090, выкрутив весь сердечник.

Внутри бумажка для нашедших эту штуку.
Этот зонд является собственностью службы погоды германии и служит для изучения погоды в верхних слоях...
Нашедшего просим отослать бесплатно по адресу... Не высылать остатки баллона, бумажки, деревяшки и провода.
Если зонд придет к нам целым, то в течении 6 недель нашедший получит 14 марок вознаграждение и 5 за упаковку.

Короче 14 марок в 87 году были очень неплохие деньги. Я помню в 98 можно было за 15 или 20 марок купить очень хорошие затычки для ушей.
Вобщем покупательская способность марки была очень высокой. При переходе на евры она упала в 2 раза.

Вот тут видно уже интересное нутро. Красный провод является антенной и подвесом для баллона.

Вид сзади. Вы сейчас подумали, что это какой-то датчик влажности. Я в первый раз очень осторожно открывал, чтобы ничего не сломать. Не зря же там предупреждали о вскрытии.

На самом деле это обычная консервная банка, где герметично хранится сам датчик влажности и селикагель. А для вскрытия банки в коробке идет открывашка, только я так и не понял, как ей открывал. Я ее погнул и открыл ножом.

Вот кишки внутри. Вон в те 2 проволочки вставляется датчик влажности. А справа такая херня белая на черной лапе - капелька терморезистора, ее не видно особо. Там еще колпачок, чтобы воздух не охлаждал датчик и подпорка уголком из бумаги, куда упирается пластина датчика влажности.
Собственно это и есть сам датчик влажности - пластинка из какого-то пластика вроде, на ней нанесен тонкий слой графита или подобного.
Бумажка вроде должна оборачивать пластину, но я так и не понял - как. Бумага намокает, пластина меняет сопротивление.

Ну и самое интересное - система сбора данных и передачи.
Все гениальное - просто, особенно если его делали расово правильные немцы.
На плате 3 контакта. Это ни разу не цифровой интерфейс, как я сначала подумал. Туда подключается точный вольтметрт. Нажимается переключатель и отверткой выставляют какое-то опорное напряжение.
Мелкасхема непонятная. Я нашел производителя, но писать не стал. Чего ради такой херни напрягать людей.
Из даташита на зонд я узнал, что там 2 генератора меандра и пилы. Один где-то 500гц, другой 1.5кгц. Все это смешивается и подается на резистор модуляции.

Передатчик состоит из генератора на кварце 121мгц с копейками. Как я понял, кварц возбуждается на 4й гармонике, она выделяется контуром и подается на усилитель. Можность не менее 20мвт
Вобщем датчики меняют сопротивление, меняется частота и дальше приемник уже выделяет 2 частоты и декодирует. Никакой цифры не надо, хотя про точность непонятно. Там довольно приличные колебания температур.

Вот так выглядит эта пластина.

Это был датчик древний. Если я не ошибаюсь, то такие еще начали запускать с 70х.
Сегодня тоже продолжают запускать зонды и да, да, там есть гпс модуль и цифровой канал.

Антенна гпс и антенна передатчика + держатель датчика влажности.
На ебее такая херня стоит уже 25 евров, а аукцион еще не закончился. Можете теперь догадываться о стоимости начинки.

Значит тема какая - мечты сбываются . Причём, самым неожиданным образом. В далёком детстве, нас возили всем классом на экскурсию на метеостанцию. Экскурсия была интересной и грамотно спланированной. Нам показали оборудование метеостанции, а на сладкое оставили запуск метеозонда. Метеозонд - это некий прибор, с батарейными питанием, подвешенный на воздушном шаре, наполненном гелием.

Метеозо́нд или шар-зо́нд или устар. баллон-зонд — беспилотный аэростат, предназначенный для изучения атмосферы. Состоит из резиновой или пластиковой оболочки, наполненной водородом или гелием, и подвешенного к ней контейнера с аппаратурой.

Надо сказать, что шарик а также всё, что к нему подвешено, является одноразовым. При нас шарик тогда в конце экскурсии запустили в небо, и у всех сразу возник вопрос, как они этот шарик вернут назад. Нам сказали, что шарик уже никогда не вернётся, и стало очень жаль шарик (

На фото запуск шара-зонда).

Как я выяснил позже, шарик постепенно поднимается выше и выше, замеряя в атмосфере давление воздуха, влажность, температуру и другие параметры, которые позволяют определять скорость ветра на разных высотах. При этом во время полёта прибор передает измеренные данные по радиоволнам на метеостанцию. Шарик достигает высоты около 30-40 км, на которой оболочка аэростата не выдерживает, лопается, и всё подвешенное к нему со стремительной скоростью падает на землю. По моим прикидкам, метеозонд может отнести ветром на десятки, а то и сотни километров от точки запуска. Сами понимаете, предугадать место падения зонда не представляется возможным. Тут же невольно возникает вопрос к математикам: какова вероятность падения метеозонда на проходящего по улице человека?
Наша метеостанция расположена на ул.Донгузской, и как выяснилось, расположена на глиссадной прямой аэродрома Оренбург-2. Я так подозреваю, что эта метеостанция заодно работает и для нужд военного аэродрома. С запуском метеозонда всё не так-то просто! Время его запуска согласуется с службой аэронавигации Российской Федерации, с учётом того, чтобы в зоне пролёта метеозонда не было пролётов воздушных судов.

Общий вид приборов метеостанции на аэродроме "Мензелинск"

Я всегда мечтал найти упавший метеозонд на земле, но посчастливилось найти его только в этом году, во время прогулки по горе Гирьял. Радости моей не было предела!!!
Я посмотрел по карте, от метеостанции до Гирьяла 98 километров, прилично он пролетел! Прибор представляет собой капсулу из пенопласта, из которого торчат разные датчики.
Так как прибор одноразовый, при его изготовлении делается упор на низкую себестоимость и малый вес конструкции. Вот он, найденный в траве на склоне.

Было очень интересно посмотреть его внутри, и он тут же был разобран. Внутри в пенопласте оказалась замурована батарея, чтобы она не замерзала при полётах на большой высоте. Там ведь сильно отрицательные температуры, до -60 градусов. А также печатная плата с радиодеталями. На ней есть свободный разъём, через который перед полётом зонд подключают к компьютеру и кодируют зонд для его опознавания. После этого метеостанция принимает сигнал только этого метеозонда.


Примеров практического применения метеозонда я не нашел, так и валяется где-то в гараже. Кто-то писал в интернете, что найденные метеозонды пробовали относить на метеостанцию, а они там оказывается не нужны. Прибор этот довольно хрупкий, и при падении на землю чаще всего повреждается, увы, гарантии его работоспособности никто не даст. Как то так!
Не так давно читал один блог, в котором ребята сделали самодельный зонд, на котором закрепили фото-видеокамеру в пенопластовом корпусе и устройство GPS. Запустили его, и следили за полётом. Зонд достиг около 30 км высоты, затем рухнул на землю. Ребята поехали на его поиски, и нашли! Потом долго радовали интернет снимками почти с космической высоты)))

Расскажите о ваших интересных находках и необычных мечтах?

В этой статье пойдет речь о создании метеозонда, отличающегося от обычных его братьев. Несколько лет назад эта тема была очень популярна но, к сожалению, ее похоронили наряду с другими не менее интересными идеями. Сегодня же, я, Вам расскажу как мы видим этот проект своими глазами.

Начало, предыстория

На дворе стоял душный июльский вечер. Вместо того, чтобы идти куда-то, я, как обычно, сидел дома – залипал в хабр. Тут я увидел, что в скайп зашел мой друг, с которым мы уже очень давно не виделись (в прошлом вместе было пережито очень много интересного; впрочем, я отклонился от темы).

Мы, как обычно, разговорились, и затянулось это на несколько часов так точно. В ходе разговора и параллельного путешествия по всемирной паутине кто-то из нас попал на ютуб, а именно на маленький, завалявшийся среди тысяч других, но примечательный своим содержанием, ролик . На нем был запечатлен опыт американцев, запустивших на заполненном гелием шаре айфон с включенной камерой и GPS"ом. Проект нас очень вдохновил! Активно занявшись поиском информации, мы обнаружили, что подобными опытами занималось множество людей по всему миру. Встал логичный вопрос: а чем мы хуже?

Идея зародилась почти год назад. Было составлено ТЗ (общение через Skype – на тот момент мы были в разных городах). Но, как нередко бывает со многими хорошими идеями, наш проект был заброшен до лучших времен. В немалой степени его реализация откладывалась из-за дорогостоимости многих компонентов (а денег на то время было недостаточно) и отсутствия времени, а также места, где можно было бы заняться реализацией. И вот теперь настало время воплотить идею в жизнь. На самом деле, решающим фактором стало существенное улучшение финансового положения моего товарища, что и дало толчок к дальнейшему развитию событий. В ходе нового обсуждения были пересмотрены задачи и желаемый функционал устройства, и в результате переписано ТЗ.

Единственное, что нас не устраивало в большинстве подобных устройств (а теперь и отличает наше от них) – то, что они недолговечны: после запуска они проводили в атмосфере весьма небольшое время. Обычный сценарий их “ жизни” после запуска не отличался особым разнообразием: после старта они поднимались до определенной высоты (25-40 км - в зависимости от материала шара и наполненности его газом) и там лопались вследствие большой разницы давлений внутри и вне шара, после чего на парашюте спускались обратно; весь полет, таким образом, занимал не больше суток (в лучшем случае; типичное время полета - до двух часов). Мы решили обойти данную проблему и существенно продлить время нахождения устройства в атмосфере планеты (подробности ниже).

Существенный прогресс наступил, когда к работе подключился еще один наш товарищ, который подал множество новых, свежих идей по реализации проекта.

Устройству было дано название “Бендер”.
По конструкции оно мало чем отличается от обычного метеозонда. Разница же между метеозондом и Бендером в основном заключается в их задачах. Первый несет на себе некоторое количество датчиков, снимающих показания о состоянии атмосферы во время полета и, таким образом, дающий возможность получить сведения, необходимые, например, для составления прогнозов погоды. Задача же второго – снимать с большой высоты землю, атмосферу и всё остальное, что попадется по пути. Все (или почти все – в зависимости от качества связи) полученные данные должны потом передаваться на сервер.

Техническое описание

За основу (можно сказать “мозг”) Бендера было решено взять микроконтроллер STM32F407VET6 из-за широких возможностей и высокого быстродействия. Он должен контролировать состояние устройства, следить за получением, сохранением и передачей данных, управлять пневматикой и прочими системами Бендера.

Связь

Связь реализована несколькими способами.
На низких высотах будет использоваться GSM/GPRS. Реализация – на модуле SIM900 . Используется направленная антенна типа “волновой канал” под стандарт GSM1800 (1800 МГц).
Возможно управление посредством SMS-сообщений, а также командами с сервера. Поддерживаются HTTP и FTP.
На больших высотах (когда сигнал GSM ослабнет настолько, что передавать что-либо посредством его станет невозможно) будет использоваться связь по 433 МГц радиоканалу. Для этого будет задействован модуль RFM12BP мощностью 500 мВт, модуляция - FSK. В качестве антенны – полуволновой диполь.
Принимаемая информация отправляется на основной сервер через специальную клиентскую программу, которую предполагается распространить среди потенциальных участников проекта и просто заинтересованных людей по всему миру, что даст возможность связаться с устройством, даже если оно улетит на очень большое расстояние.

Навигация

Для навигации будет использован GPS-модуль Lassen IQ от Trimble с активной антенной. Стоит сказать, что при разработке устройства мы столкнулись с проблемой, состоящей в ограничении CoCom максимальной высоты для гражданских GPS-модулей (обычно 18 км). Нас такое положение дел не устраивало, потому мы начали поиск модулей без такового ограничения. У вышеназванного Lassen IQ оно снято (при соблюдении ограничения по максимальной скорости).

Пневматика

Чтобы преодолеть упомянутую проблему с чрезмерным увеличением и последующим разрывом оболочки шара, решено было поставить электромеханический клапан, который позволял бы стравливать избыточное давление (также, возможно, будет установлен и аварийный механический клапан, стравливающий давление автоматически; был бы актуален при неисправности основного). С его же помощью предполагается регулировать высоту – выпустив достаточное количество газа (чтобы сила тяжести превысила архимедову силу), можно опустить шар ниже и вообще посадить на поверхность земли.

Давление (разница давлений, если говорить точнее) замеряется дифференциальным аналоговым датчиком, решение о выпуске газа принимается микроконтроллером или удаленно по команде.

Было предложено еще одно новшество – химический генератор водорода “на борту”, но пока неизвестно, будет ли он использоваться. Для его реализации было отобрано несколько реакций: первая – гидролиз борогидрида натрия слабым раствором кислоты, вторая – реакция натрия с метанолом. Основная проблема – сильный разогрев и вспенивание смеси. В ближайшее время будет собрана тестовая модель и уже по результатам испытаний будет приниматься решение о целесообразности использования такого генератора. После исчерпания ресурса предполагается сбросить его на парашюте, предварительно отсоединив все шланги, провода и т.д.

Генератор водорода предоставил бы возможность не только опускать шар, но и поднимать.

В устройстве два датчика температуры – один выведен за пределы корпуса и фиксирует температуру окружающей среды, второй внутри.
Возможно, реализуем подогрев внутрикорпусного пространства при сильном понижении температуры. Осуществляется он химически, запуском капсул с реакционной смесью, выделяющей много тепла.

Питание

Тут (в основном) из соображений устойчивости к низким температурам были выбраны LiFePO4 аккумуляторы. Скорее всего, придется ставить батарею из них. Также в процессе полета аккумулятор будет дозаряжаться от солнечных батарей; процесс управляется микросхемой-контроллером заряда.

Камеры

На устройстве будут установлены две камеры. Как минимум одна из них – модифицированный фотоаппарат Canon A530 (5 Мпикс). Все лишние детали (корпус, кнопки, батарейный отсек, вспышка и т.д.) убираются, остается только основная плата, матрица и объектив. На фотоаппарат устанавливается модифицированная версия CHDK , в которой реализовано кодирование изображений в SSDV -формат для передачи по радиоканалу. Связь с микроконтроллером по UART (непосредственно подпаявшись к плате).

Камера установлена на поворотной основе с шаговым двигателем, что даст возможность поворачивать ее для, например, съемки панорам.
Вторая камера направлена вниз.

Хранение данных

Информация (фото, видео; логи координат, температуры и давления; логи полученных команд и результата их исполнения) хранится на SDHC карте памяти (для работы с ней использована библиотека FatFS), а также на SDXC картах памяти, установленных в фотоаппаратах. Возможно, будет реализовано копирование файлов с них на основную.

Корпус

С материалом и формой корпуса пока окончательно не определились. В любом случае, необходимо обеспечить хорошую термоизоляцию, для чего будет использована монтажная пена и/или пенопласт, а также пленка с металлическим напылением (изофолия).

Наполнение шара – водород, поскольку он дает большую подъемную силу, чем обычно использующийся для таких целей - гелий. Также водород раза в два дешевле гелия. Сам шар имеет объем ~1.8 кубических метра. Устройство крепится на металлическую (алюминиевую) рамку, которая, в свою очередь, подвешена к шару на стропах. Для аварийных ситуаций предусмотрен парашют.

Работа устройства

“Бендер” снимает на видео весь процесс запуска (если хватит заряда аккумуляторов – и процесс посадки). Фотографирование производится в полуавтоматическом режиме – генерируются превью-версии снятых фотографий и посылается на сервер; после ручного отбора удачных фотографий оные пересылаются в полном размере. Также в произвольные моменты можно подать команду на запись видео, однако оно просто сохраняется на карте памяти без пересылки по радиоканалу ввиду низкой пропускной способности последнего.

На низких высотах изображения загружатся на сервер по FTP посредством GPRS, остальная информация пересылается по HTTP.
На больших высотах через определенные промежутки времени по радиоканалу пересылаются данные о координатах и высоте устройства, показания датчиков (температура внутри/вне корпуса, разница давлений, заряд батареи).

На сервере координаты устройства сверяются с координатами самолетов (с Flightradar24) для предотвращения столкновений (при приближении самолета дается автоматическая команда на смену высоты).
Регулированием наполнения шара водородом будет контролироваться его вертикальное положение. Планируется таким образом длительное время удерживать его на одной высоте (уравнивая силу тяжести и архимедову силу).

Если с устройством определенное время не выходят на связь, микроконтроллер автоматически принимает решение о снижении (только если устройство не находится над морем – координаты береговой линии, скорее всего, будут во внутренней памяти).
Также еще одна из задач Бендера состоит в том, чтобы пролететь как можно большую дистанцию, в идеале - облететь всю планету и в конце-концов, если обстоятельства сложатся удачно - приземлиться в нужном нам месте (дома).

От теории к практике

На момент написания статьи, мы собрали: частично связь, развели и напечатали большинство плат, сделали антенны (и купили), написали прошивку для микроконтроллера, преобрили почти все комплектующие и начинаем сбор и тестирование водородного двигателя.

Полезные инструменты