一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统

本发明涉及天线、临近空间气象数据探测，特别是一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统。

背景技术：

1、临近空间处于传统航空器的最高飞行高度和卫星的最低轨道高度之间，主要包括平流层大部分、中间层和一部分增温层区域，纵跨非电离层和电离层，空气稀薄，存在臭氧、紫外、辐射等特殊环境,温度随高度变化呈现出一定规律,存在重力波、行星波、大气放电等特殊现象。因为其独特的空间环境,成为人类认知地球空间的新领域，在民用和军事领域都有着广泛的应用需求和场景，在整个太空安全中的战略地位越来越重要。从地球气候的角度来看，探测认知临近空间气象环境有利于了解空间天气、临近空间与低层大气之间的相互作用提高建模、预报的准确性；从利用临近空间的角度来说，飞行器/探测器的实地探测对认知临近空间气体动力学规律、工程材料的使用性能以及材料与环境的相互作用有巨大作用。

2、由于临近空间的高度要求致使探空火箭升空速度的提升、燃料增加，此外现有的由探空火箭搭载的临近空间探空仪结构复杂、质量重进一步提高临近空间探测成本；同时低气压的特殊环境使气动阻力减小地面的风速计产品失效，现有的探空仪风速响应速度低使北斗定位准确性下降。因此缺少低发射成本的探空火箭和高响应速度的临近空间探空仪成为临近空间环境探测行业的痛点，导致行业门槛高。对临近空间环境认知不足，不能有效支撑对临近空间的开发与利用、临近空间飞行器技术发展不成熟。为了在完成气象数据探测的同时降低探空火箭发射成本，如何简化探空仪结构，减轻探空仪重量，实现临近探空仪系统的高集成度成了亟待解决的难题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统，从而简化了临近空间探空仪整体结构，提高了探空仪的集成程度，探空仪内部电路布线难度降低，从而减轻探空仪的配量，提高了系统稳定性的同时降低探空火箭发射成本。

2、技术方案：本发明所述的一种基于临近空间探空仪的多功能复用天线系统，包括以下模块：

3、数据采集模块：用于完成对临近空间内气象数据的探测，主要包括用于临近空间气象数据采集的温度传感器设备；

4、pcb功能模块：用于向探空仪系统内各部分提供用电，完成对采集到的气象数据的滤波处理以及模数转换处理，并完成采集数据的传输；

5、降落伞模块：用于临近空间探空仪的伞降过程，维持温探空仪在探测数据过程中的平稳下降；

6、天线复用模块：用于将单一功能的天线进行多功能复用，包括温度传感器单元、弹射装置单元、降落装置单元和天线的螺旋面状结构；具体为：

7、温度传感器单元：用于利用天线的电磁特性，将天线复用为探空仪温度传感器，在升空阶段，探空仪置于探空火箭内部，利用天线的温度传感器复用功能，实时检测探空仪舱内的温度；

8、弹射装置单元：将天线设计成可压缩性的结构，复用为探空仪的弹射装置，在开伞阶段，利用压缩状态下天线恢复形变的力的作用将降落伞弹射至探空仪舱外；

9、降落装置单元：利用天线的线性，将天线复用降落装置，用于连接降落伞与探空仪，使探空仪在降落伞的牵引下保持较平稳的速度下降；

10、天线的螺旋面状结构：用于加快数据采集过程中探空仪在水平方向受到的风力作用时的风阻优化。

11、所述的数据采集模块包括用于临近空间气象数据采集的温度传感器设备。

12、所述的pcb功能模块包括模拟信号调理电路、adc阵列、arm处理器、低噪声电源、基准电源、接口电路和加热电路。模拟信号调理电路连通adc阵列完成对采集到的气象数据的高分辨率、低噪声、低功耗模数转换，提高系统整体探测精度；arm处理器作为系统的主控制器，在满足系统基本功能的前提下具有高响应速度、低功耗、低成本的优势；采集到的数据经过模数转换后通过spi通信方式传输给主控制器；低噪声电源和基准电源分别转换成数字电源和模拟电源为系统不同部分分别进行供电，由此可有效降低数字电路对模拟电路的干扰；加热电路可以在主控制器输出的pwm波的控制下达到控制湿度传感器温度的作用；接口电路用于主控制器将数据信息传递给外部设备或接受来自外部设备传输的数据信息。

13、所述的将天线复用为探空仪温度传感器指的是：利用天线的电磁特性会受到温度的影响而变化这一特点，通过探空仪舱内天线的电磁性的变化来反映天线所处的舱内温度的变化，天线的阻值与舱内温度的转换公式如下：

14、 ；

15、其中表示温度为摄氏度时对应的阻值，表示温度为0摄氏度时对应的天线阻值，为天线的温度相关系数。

16、所述的复用为探空仪的弹射装置指的是：将天线设计成可压缩性结构复用为弹射装置，将天线压缩后放置在探空仪主控pcb以及伞舱中间位置。

17、所述的将天线复用临近空间探空仪的降落装置指的是：利用天线的线性特征，在降落伞被弹射出舱外后，由天线充当连接降落伞与探空仪的伞绳，借助天线压缩后恢复形变的初始过程起到开伞前的缓冲作用。

18、所述的升空阶段具体为：

19、升空阶段，携带降落伞伞舱的探空仪系统被放置在探空火箭前部，由探空火箭携带至中间层或热层的一定高度，探空火箭升空阶段能耗公式为：

20、 ；

21、其中表示火箭本体的质量，由火箭结构质量以及探空仪质量组成；

22、 ；

23、其中表示火箭为了携带探空仪到指定空域所要携带的燃料质量，燃料质量与火箭本体质量、火箭上升高度以及误差系数有关；

24、 ；

25、其中表示火箭任意时刻的瞬时质量；

26、 ；

27、其中表示火箭升空所需要的能量，表示火箭发射初期的排气速度，表示质量的变化量，表示时间增量，表示火箭升空期间排出推进剂的质量流率；

28、 ；

29、为探空火箭的加速度，进一步推导得到，探空火箭速度增量表达式：

30、 ；

31、对等式两边同时积分可能够得到火箭速度增量与排气速度以及火箭质量比的关系：

32、 ；

33、其中表示火箭质量比，由质量比能够看出火箭的运输效率，也就是消耗的燃料与能运送的酬载的比值，由此可知，探空仪结构简化减轻探空仪的配重能够降低探空火箭发射所需要的燃料质量。

34、所述的开伞阶段具体为：

35、开伞阶段，探空火箭上升到平流层上部至中间层中部后，启动探空火箭的分离控制器，完成探空仪的下投；探空仪下投后，经过一端时间的自由降落，借助天线压缩状态下恢复形变的力，将探空仪尾部的降落伞弹射出舱内，完成开伞操作；天线恢复形变所提供的力的大小计算公式如下：

36、 ；

37、其中代表天线材料的剪切模量，代表螺旋面状天线的面的厚度，代表天线螺旋后的外径，代表天线所绕的圈数，代表天线由压缩状态到恢复自然状态前后的长度差。

38、所述的伞降阶段具体为：

39、伞降阶段，恢复形变后的天线一端与降落伞的相接、一端与主控pcb板相接，探空仪在降落伞的作用下，以较为平稳的速度下降至探测空域，伞降过程中，空气阻力的计算公式如下：

40、 ；

41、其中表示当前的海拔高度，表示高度尺度，是一个常数，通常的数值为8.43千米，表示海平面处的空气密度，表示当前高度处的空气密度；

42、 ；

43、其中代表伞降过程中的空气阻力，表示阻力系数，表示空气密度，表示迎风的面积，表示下落的速度。

44、所述的采集阶段具体为：

45、采集阶段，探空仪到达探测空域后，主控pcb板上的温度传感器开始采集该空域的气象数据，经过信号处理后将采集到的有效数据发送到地面接收设备，此时由于天线系统的螺旋面状结构，探空仪的风阻计算公式如下：

46、；

47、其中表示风阻、表示所在空域大气密度，表示天线的横截面积，表示天线的风阻系数，表示探空仪采集阶段下降速度，在大气密度、风阻系数以及下降速度不变的情况下，风阻随着横截面积地增大而增大，风阻增大使探空仪加快探空仪水平方位调节机制的动态响应起到优化风阻的作用。

48、所述的降落伞为用尼龙布缝制的倒置的四棱锥形，在四个三角形面靠近公共顶点处各开一个厘米级的正方形面用网孔布料缝制，在降落伞顶部的正方形面的四条边外延用同样的网孔布料拼接出边缘，从而在降落伞出仓后借助风力将伞撑开，天线的一端与公共顶点相连，一端连接在主控pcb板上。

49、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

50、1、本发明采用一种螺旋面状的多功能复用的天线应用于临近空间探空仪系统，将天线模块复用为升空阶段的探空仪舱内温度传感器，能够相应减少主控pcb板上的温度传感器数量；

51、2、将天线复用为开伞阶段的弹射装置，利用天线恢复形变的力将降落伞弹射至舱外，无需额外设置弹射装置优化探空仪整体结构，提高系统集成度；

52、3、将天线复用为伞降阶段的伞绳，连接降落伞与探空仪，无需额外配置伞绳，降低探空仪整体配重，从而减轻探空火箭整体配重，有利于节约资源，降低探空火箭发射成本；

53、4、螺旋面状结构能够增大降落过程水平方向风力的作用面积，有利于保持探空仪采集数据时的平衡以及天线接收数据的稳定性，此外可以增加探空仪在采集过程中侧风的投影面，侧风的作用力更显著，使探空仪水平方向偏置更明显，能够达到加快探空仪水平方位调节机制的动态响应速度的目的，并起到有效优化风阻的功效。