專利名稱：以工控機為核心的高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種以工業(yè)控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)，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制成，根據(jù)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(tǒng)。以前的高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)采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。近來由于高空氣球需要流動發(fā)放，原系統(tǒng)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(tǒng)的性能，適應科研工作的需要，我們發(fā)展了一套以工業(yè)控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種以工業(yè)控制計算機為核心的高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)，主要由工業(yè)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(fā)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并測定它在空間的位置，并能對其進行遙測遙控。系統(tǒng)具有體積小，重量輕，功耗低，性能好，可靠性高，操作、維護、調(diào)整、監(jiān)測方便靈活等特點。


圖1是高空氣球跟蹤定位系統(tǒng)框圖；圖2是利用組態(tài)軟件編制的系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理圖。
具體實施例方式
1、系統(tǒng)組成參見附圖1系統(tǒng)主要由IPC-610工業(yè)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(fā)射機、天控分機等組成。IPC-610工業(yè)控制計算機內(nèi)除了裝有PCA-6147全長All-in-One 486/100 CPU卡，SDD、HDD軟、硬磁盤驅(qū)動器，VGA顯示卡，電源等以外，還擴展安裝了PCL-720數(shù)字I/O和計數(shù)卡、PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡。IAP多功能擴展箱內(nèi)裝有數(shù)字式PWM調(diào)制器、電機驅(qū)動功率放大器、速度測量和濾波電路、天線角度數(shù)據(jù)譯碼和糾錯電路、跟蹤誤差信號諧振放大器、鑒相器、測距單元等。此外還設有外部模擬控制單元，與計算機控制并行，形成冗余控制，以提高系統(tǒng)的可靠性。遙測和跟蹤天線采用方位、俯仰裝架，垂直極化；天線座Z1內(nèi)安裝有匯流環(huán)和高頻旋轉關節(jié)，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(nèi)還裝有天線驅(qū)動力矩電機M1，天線角度數(shù)據(jù)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(fā)電機F；遙控天線座Z2內(nèi)裝有驅(qū)動電機M2，角度編碼器C2等。
2、各部件基本功能IPC工業(yè)控制計算機采集跟蹤誤差和速度信號并進行控制運算，輸出控制數(shù)據(jù)到PWM調(diào)制器，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；采集GPS數(shù)據(jù)并對其進行換算，據(jù)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(shù)字控制(內(nèi)控)或模擬控制(外控)功能進行切換；采集天線角度數(shù)據(jù)和天線到目標的直線距離(斜距)數(shù)據(jù)，并由此計算出目標的高度、地面距離，進行實時動畫顯示和存盤；繪制并顯示目標對地面投影的航跡圖；對系統(tǒng)的運轉情況進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)事故隱患及時進行報警；對系統(tǒng)的性能進行自測。
多功能擴展箱對IPC-610送來的控制數(shù)據(jù)進行數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制(PWM)，經(jīng)光電隔離后進行功率放大；對天線座Z1內(nèi)角度編碼器送來的天線位置數(shù)據(jù)進行譯碼和糾錯，形成二進制碼；對Z1內(nèi)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，并參考基準電壓信號對其進行鑒相，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(nèi)發(fā)射機發(fā)來的遙測信號，進行一次解調(diào)并輸出；接收球上GPS接收機收到并經(jīng)處理后發(fā)回地面的定位數(shù)據(jù)；接收、解調(diào)并輸出測距回波；解調(diào)并輸出天線圓錐掃描產(chǎn)生的位置誤差信號；輸出頻率鎖定信號。
發(fā)射機向目標發(fā)送遙控指令；向目標發(fā)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(tǒng)工作原理系統(tǒng)的控制程序采用GENIE工控組態(tài)軟件編制，其控制策略圖參見附圖2。
(1)跟蹤原理自動跟蹤用鼠標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(tǒng)處于自動跟蹤狀態(tài)。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，由于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。當目標正處于天線中心軸線上時，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(diào)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(jīng)過諧振放大器SYA放大和濾波后，送給鑒相器(又稱相敏解調(diào)器)PHD進行鑒相。天線座Z1內(nèi)與掃描電動機同步旋轉的基準電壓發(fā)電機F發(fā)出兩個頻率與掃描同頻、相位相差90度的基準電壓信號，經(jīng)分壓后也送到鑒相器。鑒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(nèi)的PCL-818L的A/D口，轉換成數(shù)字量，再經(jīng)過PID運算和處理，送位置調(diào)節(jié)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，將本次與上次采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采樣測速發(fā)電機S發(fā)出后，再經(jīng)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(diào)節(jié)器SAJ處理后，由PCL720的DO口輸出給數(shù)字式PWM調(diào)制器，變成脈寬信號，再經(jīng)光電隔離器PH后，進行功率放大，驅(qū)動伺服電機經(jīng)減速機i1減速后，帶動天線向著消除誤差的方向轉動，自動跟蹤目標。
手動跟蹤用鼠標點擊虛擬控制面板上的‘手動’按鈕，計算機程序虛擬開關S2擲向位置1，S1擲向位置2，系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)。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(diào)節(jié)器PAJ，以后的信號通道與自動跟蹤相同，此處不再詳述。于是，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。
目標搜索用鼠標點擊‘搜索’，程序開關S1切換到位置3，系統(tǒng)處于搜索控制狀態(tài)。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(tài)，系統(tǒng)轉入自動跟蹤。
隨動跟蹤用鼠標點擊‘隨動’，程序開關S1切換到位置4，系統(tǒng)處于隨動控制狀態(tài)。通過鼠標點擊虛擬面板上的方位(α)、俯仰(β)兩個數(shù)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(shù)值(亦可用鍵盤直接寫入)。此時，程序?qū)⒋酥底鳛榻o定值與天線實際位置值進行比較，得出誤差量，據(jù)此控制天線跟隨該組件所給定的值轉動。
GPS 跟蹤用鼠標點擊‘GPS’按鍵，程序開關S1切換到位置1，系統(tǒng)處于GPS跟蹤狀態(tài)。此時，計算機由串口輸入接收機接收到的GPS定位數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度和高度)，據(jù)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(nèi)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干擾，無須時常對零和無積累誤差等優(yōu)點。本系統(tǒng)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。編碼器采用的是格萊碼，利用精盤的9位和粗盤的6位碼(其中1位用于糾錯)，經(jīng)譯碼器ENC譯碼和糾錯電路CON后，可以得到14位二進制碼，其分辨率為360/16384＝0.02197度。此數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字量輸入口DIA由計算機采樣處理后，送顯示器的虛擬儀表盤進行實時動畫和數(shù)字顯示，并每隔一定時間(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(shù)據(jù)一起存入硬盤。
測距多功能擴展箱內(nèi)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(chǎn)生高頻方波，經(jīng)分頻后產(chǎn)生測距發(fā)送方波，濾成音頻正弦波后送遙控發(fā)射機，與遙控指令信號混合調(diào)頻后，發(fā)射到空中。球上的遙控指令接收機接收到此信號，經(jīng)FM解調(diào)后，送到遙測終端，與遙測信號相加后，送遙測發(fā)射機調(diào)制端，經(jīng)FM調(diào)制后又發(fā)同地面。本系統(tǒng)的遙測接收機解調(diào)出測距波，送測距單元，經(jīng)濾波、平切后，與發(fā)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后，計算出信號在空中的傳輸時間，再根據(jù)無線電波的傳播速度，計算出距離。根據(jù)以上的角度和距離數(shù)據(jù)，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(tǒng)的衛(wèi)星信號，得到目標的位置信息，通過遙測信道發(fā)回地面，經(jīng)過處理后得到定位數(shù)據(jù)。
該實施例已經(jīng)成功運行了多年，與原系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的體積、重量和功耗下降了1-2個數(shù)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(diào)試、操作維護和監(jiān)控方便靈活，工作環(huán)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(tǒng)，其特征為由工業(yè)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(fā)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(shù)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(tǒng)，其特征在于，所述的多功能擴展箱內(nèi)裝有數(shù)字式脈沖寬度調(diào)制器、電機驅(qū)動功率放大器、速度測量和濾波電路、天線角度數(shù)據(jù)譯碼和糾錯電路、跟蹤誤差信號諧振放大器、鑒相器、測距裝置等；此外還設有外部模擬控制單元，與計算機控制并行，形成冗余控制，以提高系統(tǒng)的可靠性。
3.權利要求1所述的跟蹤定位系統(tǒng)，其特征在于，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(shù)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(tǒng)，其特征在于，通過對音頻調(diào)制的發(fā)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(tǒng)，其特征在于，利用全球定位系統(tǒng)(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(tǒng)，由工業(yè)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(fā)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(jiān)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(tǒng)具有體積小，重量輕，功耗低，性能好，可靠性高，操作、維護、調(diào)整、監(jiān)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(yōu)先權日2004年4月29日
發(fā)明者孫寶來, 李立群 申請人:中國科學院大氣物理研究所