一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气数据采集领域，特别是涉及一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的进步，人类活动对气象信息的依赖性越来越强。无论军事、航天等科学研究工作，还是农业以及人们的日常出行都受到天气的重大影响，因此，各类气象活动的研究越来越受到重视。目前，大气数据采集方法主要是利用载体把探空仪装置送入云层，探空仪在云层中运动的过程中，利用探空仪上的传感器装置或者遥感技术获取云层中的相关数据。根据探空仪载体的不同可以分为:火箭法、飞机法、探空气球法等[3、5]。飞机法和火箭法将探空仪送入云层的高度容易控制、成功率大、可靠性高，但是其造价太高，不适合常规应用。探空气球法放球入云较难，对释放探空气球的时机和技术要求较高，但性价比高，实际应用最为普遍。本系统采用探空气球法，实际应用时设计降落伞保护装置，以便探空仪的回收。在本探空仪采集系统中，首先要考虑到探空仪传感器的设计，使其能够满足高空数据采集的要求，其次，如何将探空仪采集的数据稳定可靠地传输到地面也是课题设计的难点之一。地面接收系统主要分为:地面雷达接收法，宽波瓣天线接收法，定向天线自动跟踪法等[6-9]。地面雷达接收系统采用发送电磁波后，进行回波判断，是主动工作方式，定位准确，灵敏度高，传输距离远，但设备复杂，成本高，可移动性差。宽波瓣天线法直接利用主波束较宽的接收天线进行接收，系统结构简单，但由于受天线增益的限制，传输距离较近。定向天线自动跟踪法，利用定向高增益接收天线的主波束对准目标探空仪，极大的延长了传输的距离，广泛应用于定位跟踪、卫星通信等多种无线传输系统中。探空仪距离地面较远，接收系统需采用定向高增益天线，因此，研制定向天线自动跟踪系统是本设计的重点之一。当前，国内探空仪水平发展迅速，但是仍落后于国际先进水平，尤其是在探空仪传感器技术方面尚有一定的差距[14，15]。1988年，日本人Takahashi首先发明摄像探空仪系统，并用于雷暴云细部特征观测的，发表了利用其发明设备进行穿云观测研究结果[16]。2004年,法国人MP.Boussa1n等发表文章阐述了摄像探空仪原理[17],但其研制的探空仪只在实验室进行了标定，没有进行实地放球穿云观测。目前，日本气象设备公司MeiseiTechnology已经制成相关产品,但对中国禁售。在国外,球载摄像探空仪的研究工作已经开展，并已经把球载摄像探空仪应用到各种气象观测中，通过实际测试获得了不少观测资料[18-20]。国内尚未见到摄像探空仪产品以及有关的研制报道，而国外的摄像探空仪产品对中国实行技术封锁，不对中国出售相关产品。因此开发具有摄像功能的探空仪系统，对提高国内探空仪水平和促进相关气象研究工作的进展有很重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明是一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法，根据探空仪当前的GPS定位数据和云台所在地的GPS定位数据，进行坐标变换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角和方位角，并和定向接收天线当前的姿态，根据角度差值对天线的姿态进行调整。包括:I)测控计算机，根据GPS提供的目标探空仪和跟踪系统所在地的定位信息(高度、经度、纬度)，完成探空仪对地心坐标系到本地坐标系的转换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角及方位角，并与地面定向接收天线的主瓣波束当前俯仰角及方位角进行比较，得出对应的角度差值，发送转动指令给驱动电路。2)驱动电路中的单片机根据测控计算机指令，控制电磁继电器驱动跟踪伺服系统，转动相应的角度，使接收天线对准目标探空仪所在位置，实现对探空仪的跟踪功能。3)伺服电机，用来驱动云台水平和垂直方向转动，使定向天线跟踪探空仪。4)定向接收天线，高增益抛物面天线，用来跟踪探空仪。5)电子罗盘、倾角传感器，用来测量俯仰角和方位角发送给测控计算机。6) GPS，用来测量高度、经度、纬度发送给测控计算机。工作原理如下:探空仪上安装的GPS接收机能够随时提供探空仪当前的GPS定位数据，测控计算机根据GPS提供的目标探空仪和跟踪系统所在地的定位信息(高度、经度、纬度)，完成探空仪对地心坐标系到本地坐标系的转换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角及方位角，并与地面定向接收天线的主瓣波束当前俯仰角及方位角进行比较，得出对应的角度差值，发送转动指令给驱动电路。驱动电路中的单片机根据测控计算机指令，控制电磁继电器驱动跟踪伺服系统，转动相应的角度，使接收天线对准目标探空仪所在位置，实现对探空仪的跟踪功能。
【附图说明】
[0004]图1的自动跟踪结构框图是本发明实施原理方块图。它包括1、测控计算机；2、驱动电路；3、伺服系统；4、定向接收天线；5、电子罗盘、倾角传感器；6、GPS模块；
图2是探空仪在地心坐标系中的表达式。探空仪在地心坐标系和本地坐标系中，目标探空仪和跟踪系统所在地的GPS定位数据，实际上对应的是它们位于地心坐标系中的坐标参数，假设目标探空仪GPS定位数据位:海拔高度为h，经度为n，纬度为；跟踪系统位于本地坐标系原点，其GPS定位数据为:海拔高度hl，经度n，纬度n，设地球半径为Re。则探空仪在地心坐标系中的表达式如图2所示。
图3和图4分别是探空仪在本地坐标系中的俯仰角和方位角的正切值。它是通过坐标旋转运算求得。
图5和图6分别是反演出探空仪的俯仰角和方位角。它们是根据探空仪在本地坐标系中象限的不同，反演出的。
【具体实施方式】
[0005]下面结合附图，对本发明专利做以下详细说明:
[0006]如图1所示，本发明公开了一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法，包括地面系统和空中系统，地面系统主要包括I测控计算机，2驱动电路，3伺服系统，4定向接收天线，5电子罗盘和倾角器。空中系统6GPS模块、供电系统以及用于把GPS模块送到空中的载体。所述测控计算机通过上位软件给驱动电路脉冲信号从而控制伺服系统，定向接收天线安装在伺服系统上，随着伺服系统的旋转而旋转。5电子罗盘和倾角器安装在伺服系统上，实时测量方位角和俯角。通过串口提供给测控计算机中的上位机软件。上位机软件同时通过串口采集空中GPS的经度、纬度和高度从而和方位角和俯角做算法运算最后发送一系列脉冲信号驱动伺服系统进行跟踪。
【主权项】
1.一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法，根据探空仪当前的GPS定位数据和云台所在地的GPS定位数据，进行坐标变换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角和方位角，并和定向接收天线当前的姿态，根据角度差值对天线的姿态进行调整。2.根据权利要求1所述的基于探空仪自动跟踪系统及方法，其特征在于根据GPS提供的目标探空仪和跟踪系统所在地的定位信息(高度、经度、纬度)，完成探空仪对地心坐标系到本地坐标系的转换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角及方位角，并与地面定向接收天线的主瓣波束当前俯仰角及方位角进行比较，得出对应的角度差值，发送转动指令给驱动电路。3.探空仪在地心坐标系和本地坐标系中，目标探空仪和跟踪系统所在地的GPS定位数据，实际上对应的是它们位于地心坐标系中的坐标参数，假设目标探空仪GPS定位数据位:海拔高度为h，经度为n，纬度为；跟踪系统位于本地坐标系原点，其GPS定位数据为:海拔高度hl，经度n，纬度n，设地球半径为Re，则探空仪在地心坐标系中的表达式如图2所示。从而通过坐标旋转运算，可以求得探空在本地坐标系中俯仰角和方位角正切值分别如图3和图4所示。根据探空仪在本地坐标系中象限的不同，可以反演出探空仪的俯仰角和方位角分别为图5和图6所示。
【专利摘要】本发明是一种基于探空仪的自动跟踪系统及方法，根据探空仪当前的GPS定位数据和云台所在地的GPS定位数据，进行坐标变换，计算出探空仪在本地坐标系中的俯仰角和方位角，并和定向接收天线当前的姿态，根据角度差值对天线的姿态进行调整。首次将GPS跟踪技术应用到探空仪系统，采用定向接收天线和跟踪系统的办法极大地延长了无线传输逇距离，可达20Km。通过实验室调试、多次野外测试，验证了设计方案的可行性，测试结果表明：系统稳定运行，通信距离远，抗干扰能力强，实用性强。
【IPC分类】G05D3/20
【公开号】CN105223970
【申请号】CN201410276412
【发明人】张廷龙, 马锁堂, 高国平
【申请人】陈春林, 张廷龙
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2014年6月20日