以工控機為核心的高空氣球跟蹤定位系統的製作方法
2023-05-23 20:21:11
專利名稱：以工控機為核心的高空氣球跟蹤定位系統的製作方法
技術領域：
本發明提供一種以工業控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統，涉及到大氣探測、計算機應用和無線電技術等領域。
背景技術：
高空氣球是進行大氣探測和空間科學實驗的主要運載工具之一，它由十幾微米厚的塑料薄膜製成，根據載重量和升空高度的不同需求，其體積從幾萬立方米到幾十萬立方米不等。它可以把幾百乃至上千公斤重的實驗艙吊起升空至三、四萬米高的大氣平流層，進行各種科學觀測和實驗研究，因此又稱平流層高空科學氣球。
在氣球的飛行過程中，需要實時對其跟蹤定位，這就需要一套跟蹤定位系統。以前的高空氣球跟蹤定位系統採用的是由以電子管為基本器件的702測風雷達改造而成，需要配備380V三相交流電源和400HZ中頻電源，體積龐大，耗電驚人，非常笨重，運輸不便。近來由於高空氣球需要流動發放，原系統已不能滿足越來越高的使用要求。為了大幅度提高跟蹤定位系統的性能，適應科研工作的需要，我們發展了一套以工業控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統。
發明內容
本發明提供一種以工業控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統，主要由工業控制計算機，遙測跟蹤天線及天線座、接收機、多功能擴展箱，遙控天線及天線座、發射機、天控分機等組成。具有自動、手動、搜索、隨動、GPS跟蹤等工作方式。它可以自動跟蹤飛行中的高空氣球並測定它在空間的位置，並能對其進行遙測遙控。系統具有體積小，重量輕，功耗低，性能好，可靠性高，操作、維護、調整、監測方便靈活等特點。
圖1是高空氣球跟蹤定位系統框圖；圖2是利用組態軟體編制的系統控制策略圖；圖3是工控機顯示器虛擬儀表控制面板圖；圖4是系統的工作原理圖。
具體實施例方式
1、系統組成參見附圖1系統主要由IPC-610工業控制計算機，遙測跟蹤天線及天線座(Z1)、接收機、IAP多功能擴展箱，遙控天線及天線座(Z2)、發射機、天控分機等組成。IPC-610工業控制計算機內除了裝有PCA-6147全長All-in-One 486/100 CPU卡，SDD、HDD軟、硬磁碟驅動器，VGA顯示卡，電源等以外，還擴展安裝了PCL-720數字I/O和計數卡、PCL-818L數據採集卡。IAP多功能擴展箱內裝有數字式PWM調製器、電機驅動功率放大器、速度測量和濾波電路、天線角度數據解碼和糾錯電路、跟蹤誤差信號諧振放大器、鑑相器、測距單元等。此外還設有外部模擬控制單元，與計算機控制並行，形成冗餘控制，以提高系統的可靠性。遙測和跟蹤天線採用方位、俯仰裝架，垂直極化；天線座Z1內安裝有匯流環和高頻旋轉關節，因此天線的方位轉動不受限制，俯仰可在-3度到90度之間轉動。Z1內還裝有天線驅動力矩電機M1，天線角度數據編碼器C1，測速電機S，低噪聲微波放大器L，圓錐掃描電動機D和基準電壓發電機F；遙控天線座Z2內裝有驅動電機M2，角度編碼器C2等。
2、各部件基本功能IPC工業控制計算機採集跟蹤誤差和速度信號並進行控制運算，輸出控制數據到PWM調製器，控制天線對目標(高空氣球下面懸掛的科學實驗或觀測吊艙)自動跟蹤；採集GPS數據並對其進行換算，據此控制大線對目標進行跟蹤；控制天線進行手動或隨動跟蹤；控制天線對目標進行搜索；對上述各種控制功能進行切換；對計算機數字控制(內控)或模擬控制(外控)功能進行切換；採集天線角度數據和天線到目標的直線距離(斜距)數據，並由此計算出目標的高度、地面距離，進行實時動畫顯示和存檔；繪製並顯示目標對地面投影的航跡圖；對系統的運轉情況進行監控，發現事故隱患及時進行報警；對系統的性能進行自測。
多功能擴展箱對IPC-610送來的控制數據進行數字式脈衝寬度調製(PWM)，經光電隔離後進行功率放大；對天線座Z1內角度編碼器送來的天線位置數據進行解碼和糾錯，形成二進位碼；對Z1內測速機送來的速度信號進行分壓和濾波；測量目標到天線的直線距離；對接收機送來的位置誤差信號進行諧振放大，並參考基準電壓信號對其進行鑑相，分離出方位、俯仰兩路誤差信號；當需要時，對天線進行外部模擬控制。
接收機接收氣球吊艙內發射機發來的遙測信號，進行一次解調並輸出；接收球上GPS接收機收到並經處理後發回地面的定位數據；接收、解調並輸出測距回波；解調並輸出天線圓錐掃描產生的位置誤差信號；輸出頻率鎖定信號。
發射機向目標發送遙控指令；向目標發送測距波。
天控分機自動或手動控制遙控天線跟隨遙測跟蹤天線同步轉動。
3、系統工作原理系統的控制程序採用GENIE工控組態軟體編制，其控制策略圖參見附圖2。
(1)跟蹤原理自動跟蹤用滑鼠點擊顯示器虛擬儀表控制面板(參見附圖3)上的控制按鍵『自動』，程序控制虛擬開關S2打到位置2(參見附圖4)，系統處於自動跟蹤狀態。圓錐掃描電動機D帶動遙測跟蹤天線的副反射罩等速旋轉，由於副反射罩的一側開有缺口，使得天線波束圍繞著天線中心軸線作圓錐掃描。當目標正處於天線中心軸線上時，接收機RES收到的信號是等幅波，因此誤差信號為零；當目標偏離天線中心軸線，比如偏向右側，當波束掃到右側時，接收機收到的信號最強，掃到左側時，信號最弱，這樣接收到的信號就會形成與掃描頻率同頻的正弦調幅波，其相位和振幅分別代表目標偏離天線中心軸線的方向和遠近。此信號經過諧振放大器SYA放大和濾波後，送給鑑相器(又稱相敏解調器)PHD進行鑑相。天線座Z1內與掃描電動機同步旋轉的基準電壓發電機F發出兩個頻率與掃描同頻、相位相差90度的基準電壓信號，經分壓後也送到鑑相器。鑑相器將誤差信號與基準信號進行比相、整流、濾波，分離出直流誤差信號，其極性代表目標偏離的方向，大小代表目標偏離的遠近。此信號送工控機內的PCL-818L的A/D口，轉換成數字量，再經過PID運算和處理，送位置調節器PAJ。天線的位置即角度是通過粗、精兩個絕對值編碼器(又稱碼盤)EC1和EC2獲得的。計算機通過DSM程序塊，將本次與上次採樣所得的位置量相減，求出電機轉速(也可由程序設定，將S3指向速度信號放大器SPA，由AI1採樣測速發電機S發出後，再經分壓、濾波、放大的轉速電壓)，與PAJ送出的信號相減，其差值送速度調節器SAJ處理後，由PCL720的DO口輸出給數字式PWM調製器，變成脈寬信號，再經光電隔離器PH後，進行功率放大，驅動伺服電機經減速機i1減速後，帶動天線向著消除誤差的方向轉動，自動跟蹤目標。
手動跟蹤用滑鼠點擊虛擬控制面板上的『手動』按鈕，電腦程式虛擬開關S2擲向位置1，S1擲向位置2，系統處於手動控制狀態。通過虛擬面板上的『上』、『下』、『順』、『逆』、『快速』等按鍵，控制天線轉動，跟蹤目標。其原理舉例說明如下比如按下『順』，此時計算機將當時的方位角度加上一個增量(如同時再按下『快速』，則所加的增量值更大些)作為給定值，再與實際角度值比較，得出誤差量送位置調節器PAJ，以後的信號通道與自動跟蹤相同，此處不再詳述。於是，天線就會順時針轉動，直到再點擊一下『順』，使其抬起，天線則立即停止轉動。
目標搜索用滑鼠點擊『搜索』，程序開關S1切換到位置3，系統處於搜索控制狀態。SER程序設計為以當時天線位置為圓心，以1/2波瓣寬度為半徑，以圓的參量方程的形式，分別計算出天線的方位、俯仰給定值，天線即以此點為中心，進行圓形搜索掃描。一旦收到信號，接收機輸出頻率鎖定信號給計算機，程序即會自動切換到自動控制狀態，系統轉入自動跟蹤。
隨動跟蹤用滑鼠點擊『隨動』，程序開關S1切換到位置4，系統處於隨動控制狀態。通過滑鼠點擊虛擬面板上的方位(α)、俯仰(β)兩個數值控制顯示組件上的上、下箭頭，可以按預先設定的量增加或減少該組件的數值(亦可用鍵盤直接寫入)。此時，程序將此值作為給定值與天線實際位置值進行比較，得出誤差量，據此控制天線跟隨該組件所給定的值轉動。
GPS 跟蹤用滑鼠點擊『GPS』按鍵，程序開關S1切換到位置1，系統處於GPS跟蹤狀態。此時，計算機由串口輸入接收機接收到的GPS定位數據(經緯度和高度)，據此計算出目標所在的方位和俯仰角度，與天線實際角度比較，得出誤差值，控制天線跟蹤目標。
上述各虛擬按鍵亦可利用鍵盤上通過程序設定的實際按鍵進行控制。
2定位原理測角天線的位置即俯仰或方位角度是通過安裝在天線座Z1內的兩個絕對值編碼器(又稱碼盤)EC1和EC2進行測量的。與增量式角度編碼器相比，絕對值編碼器具有不怕幹擾，無須時常對零和無積累誤差等優點。本系統方位和俯仰各用兩個9位接觸式絕對值編碼器，進行粗精配合測角。其中粗盤以1∶1的速比與天線主軸交連，精盤通過升速機i2以32∶1的速比與天線主軸交連。編碼器採用的是格萊碼，利用精盤的9位和粗盤的6位碼(其中1位用於糾錯)，經解碼器ENC解碼和糾錯電路CON後，可以得到14位二進位碼，其解析度為360/16384＝0.02197度。此數據經數字量輸入口DIA由計算機採樣處理後，送顯示器的虛擬儀錶盤進行實時動畫和數字顯示，並每隔一定時間(可由程序任意設定)，連同時間、斜距、高度，平距和誤差校正等其它數據一起存入硬碟。
測距多功能擴展箱內裝有由8031單片計算機和相應電路組成的測距單元，用以測量目標到天線的直線距離。單元中的晶體方波振蕩器產生高頻方波，經分頻後產生測距發送方波，濾成音頻正弦波後送遙控發射機，與遙控指令信號混合調頻後，發射到空中。球上的遙控指令接收機接收到此信號，經FM解調後，送到遙測終端，與遙測信號相加後，送遙測發射機調製端，經FM調製後又發同地面。本系統的遙測接收機解調出測距波，送測距單元，經濾波、平切後，與發送方波進行比相，得出二者的相位差；扣除信號在電路中的時延後，計算出信號在空中的傳輸時間，再根據無線電波的傳播速度，計算出距離。根據以上的角度和距離數據，通過球面三角公式，即可計算出目標在空中的位置。
GPS定位球上的GPS接收機接收全球定位系統的衛星信號，得到目標的位置信息，通過遙測信道發回地面，經過處理後得到定位數據。
該實施例已經成功運行了多年，與原系統相比，本系統的體積、重量和功耗下降了1-2個數量級，跟蹤速度、定位精度、可靠性和自動化程度得到顯著提高，調試、操作維護和監控方便靈活，工作環境得到大幅度改善。
權利要求
1.一種高空氣球跟蹤定位系統，其特徵為由工業控制計算機，遙測跟蹤天線及天線座、接收機，多功能擴展箱，遙控天線及天線座、發射機、天控分機等組成，通過虛擬儀表控制面板對跟蹤天線進行數字控制和目標位置測量，達到自動跟蹤目標和對其定位的目的。
2.權利要求1所述的跟蹤定位系統，其特徵在於，所述的多功能擴展箱內裝有數字式脈衝寬度調製器、電機驅動功率放大器、速度測量和濾波電路、天線角度數據解碼和糾錯電路、跟蹤誤差信號諧振放大器、鑑相器、測距裝置等；此外還設有外部模擬控制單元，與計算機控制並行，形成冗餘控制，以提高系統的可靠性。
3.權利要求1所述的跟蹤定位系統，其特徵在於，所述的虛擬控制面板上設有俯仰、方位指針式角度指示度盤、數字式角度指示窗口、指針式角速度表、誤差指示表，時間、斜距、高度、平距顯示窗，高度條形圖，手動、自動、隨動、搜索等控制功能按鈕和上、下、順、逆和快速等手動控制鍵。
4.權利要求1所述的跟蹤定位系統，其特徵在於，通過對音頻調製的發射波和回波的相位比較而進行測距。
5.權利要求1所述的跟蹤定位系統，其特徵在於，利用全球定位系統(GPS)作為輔助跟蹤和定位手段。
全文摘要
一種對高空科學氣球自動跟蹤定位的系統，由工業控制計算機和與其配合的多功能擴展箱，遙測跟蹤天線及天線座、接收機，遙控天線及天線座、發射機、天控分機等組成，具有自動、手動、搜索、隨動、GPS跟蹤等工作方式，利用圓錐掃描測量跟蹤誤差，利用虛擬儀表控制面板進行監控和操作，利用單片計算機進行無線電測距，利用角度傳感器測量目標的方位角和仰角。系統具有體積小，重量輕，功耗低，性能好，可靠性高，操作、維護、調整、監測方便靈活等特點。
文檔編號G01S13/00GK1570668SQ20041003733
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優先權日2004年4月29日
發明者孫寶來, 李立群 申請人:中國科學院大氣物理研究所