以工控机为核心的高空气球跟踪定位系统技术方案

一种对高空科学气球自动跟踪定位的系统，由工业控制计算机和与其配合的多功能扩展箱，遥测跟踪天线及天线座、接收机，遥控天线及天线座、发射机、天控分机等组成，具有自动、手动、搜索、随动、ＧＰＳ跟踪等工作方式，利用圆锥扫描测量跟踪误差，利用虚拟仪表控制面板进行监控和操作，利用单片计算机进行无线电测距，利用角度传感器测量目标的方位角和仰角。系统具有体积小，重量轻，功耗低，性能好，可靠性高，操作、维护、调整、监测方便灵活等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种以工业控制计算机为核心的高空气球跟踪定位系统，涉及到大气探测、计算机应用和无线电技术等领域。
技术介绍
高空气球是进行大气探测和空间科学实验的主要运载工具之一，它由十几微米厚的塑料薄膜制成，根据载重量和升空高度的不同需求，其体积从几万立方米到几十万立方米不等。它可以把几百乃至上千公斤重的实验舱吊起升空至三、四万米高的大气平流层，进行各种科学观测和实验研究，因此又称平流层高空科学气球。在气球的飞行过程中，需要实时对其跟踪定位，这就需要一套跟踪定位系统。以前的高空气球跟踪定位系统采用的是由以电子管为基本器件的702测风雷达改造而成，需要配备380V三相交流电源和400HZ中频电源，体积庞大，耗电惊人，非常笨重，运输不便。近来由于高空气球需要流动发放，原系统已不能满足越来越高的使用要求。为了大幅度提高跟踪定位系统的性能，适应科研工作的需要，我们发展了一套以工业控制计算机为核心的高空气球跟踪定位系统。
技术实现思路
本专利技术提供一种以工业控制计算机为核心的高空气球跟踪定位系统，主要由工业控制计算机，遥测跟踪天线及天线座、接收机、多功能扩展箱，遥控天线及天线座、发射机、天控分机等组成。具有自动、手动、搜索、随动、GPS跟踪等工作方式。它可以自动跟踪飞行中的高空气球并测定它在空间的位置，并能对其进行遥测遥控。系统具有体积小，重量轻，功耗低，性能好，可靠性高，操作、维护、调整、监测方便灵活等特点。附图说明图1是高空气球跟踪定位系统框图；图2是利用组态软件编制的系统控制策略图；图3是工控机显示器虚拟仪表控制面板图；图4是系统的工作原理图。具体实施例方式1、系统组成参见附图1系统主要由IPC-610工业控制计算机，遥测跟踪天线及天线座(Z1)、接收机、IAP多功能扩展箱，遥控天线及天线座(Z2)、发射机、天控分机等组成。IPC-610工业控制计算机内除了装有PCA-6147全长All-in-One 486/100 CPU卡，SDD、HDD软、硬磁盘驱动器，VGA显示卡，电源等以外，还扩展安装了PCL-720数字I/O和计数卡、PCL-818L数据采集卡。IAP多功能扩展箱内装有数字式PWM调制器、电机驱动功率放大器、速度测量和滤波电路、天线角度数据译码和纠错电路、跟踪误差信号谐振放大器、鉴相器、测距单元等。此外还设有外部模拟控制单元，与计算机控制并行，形成冗余控制，以提高系统的可靠性。遥测和跟踪天线采用方位、俯仰装架，垂直极化；天线座Z1内安装有汇流环和高频旋转关节，因此天线的方位转动不受限制，俯仰可在-3度到90度之间转动。Z1内还装有天线驱动力矩电机M1，天线角度数据编码器C1，测速电机S，低噪声微波放大器L，圆锥扫描电动机D和基准电压发电机F；遥控天线座Z2内装有驱动电机M2，角度编码器C2等。2、各部件基本功能IPC工业控制计算机采集跟踪误差和速度信号并进行控制运算，输出控制数据到PWM调制器，控制天线对目标(高空气球下面悬挂的科学实验或观测吊舱)自动跟踪；采集GPS数据并对其进行换算，据此控制大线对目标进行跟踪；控制天线进行手动或随动跟踪；控制天线对目标进行搜索；对上述各种控制功能进行切换；对计算机数字控制(内控)或模拟控制(外控)功能进行切换；采集天线角度数据和天线到目标的直线距离(斜距)数据，并由此计算出目标的高度、地面距离，进行实时动画显示和存盘；绘制并显示目标对地面投影的航迹图；对系统的运转情况进行监控，发现事故隐患及时进行报警；对系统的性能进行自测。多功能扩展箱对IPC-610送来的控制数据进行数字式脉冲宽度调制(PWM)，经光电隔离后进行功率放大；对天线座Z1内角度编码器送来的天线位置数据进行译码和纠错，形成二进制码；对Z1内测速机送来的速度信号进行分压和滤波；测量目标到天线的直线距离；对接收机送来的位置误差信号进行谐振放大，并参考基准电压信号对其进行鉴相，分离出方位、俯仰两路误差信号；当需要时，对天线进行外部模拟控制。接收机接收气球吊舱内发射机发来的遥测信号，进行一次解调并输出；接收球上GPS接收机收到并经处理后发回地面的定位数据；接收、解调并输出测距回波；解调并输出天线圆锥扫描产生的位置误差信号；输出频率锁定信号。发射机向目标发送遥控指令；向目标发送测距波。天控分机自动或手动控制遥控天线跟随遥测跟踪天线同步转动。3、系统工作原理系统的控制程序采用GENIE工控组态软件编制，其控制策略图参见附图2。(1)跟踪原理自动跟踪用鼠标点击显示器虚拟仪表控制面板(参见附图3)上的控制按键‘自动’，程序控制虚拟开关S2打到位置2(参见附图4)，系统处于自动跟踪状态。圆锥扫描电动机D带动遥测跟踪天线的副反射罩等速旋转，由于副反射罩的一侧开有缺口，使得天线波束围绕着天线中心轴线作圆锥扫描。当目标正处于天线中心轴线上时，接收机RES收到的信号是等幅波，因此误差信号为零；当目标偏离天线中心轴线，比如偏向右侧，当波束扫到右侧时，接收机收到的信号最强，扫到左侧时，信号最弱，这样接收到的信号就会形成与扫描频率同频的正弦调幅波，其相位和振幅分别代表目标偏离天线中心轴线的方向和远近。此信号经过谐振放大器SYA放大和滤波后，送给鉴相器(又称相敏解调器)PHD进行鉴相。天线座Z1内与扫描电动机同步旋转的基准电压发电机F发出两个频率与扫描同频、相位相差90度的基准电压信号，经分压后也送到鉴相器。鉴相器将误差信号与基准信号进行比相、整流、滤波，分离出直流误差信号，其极性代表目标偏离的方向，大小代表目标偏离的远近。此信号送工控机内的PCL-818L的A/D口，转换成数字量，再经过PID运算和处理，送位置调节器PAJ。天线的位置即角度是通过粗、精两个绝对值编码器(又称码盘)EC1和EC2获得的。计算机通过DSM程序块，将本次与上次采样所得的位置量相减，求出电机转速(也可由程序设定，将S3指向速度信号放大器SPA，由AI1采样测速发电机S发出后，再经分压、滤波、放大的转速电压)，与PAJ送出的信号相减，其差值送速度调节器SAJ处理后，由PCL720的DO口输出给数字式PWM调制器，变成脉宽信号，再经光电隔离器PH后，进行功率放大，驱动伺服电机经减速机i1减速后，带动天线向着消除误差的方向转动，自动跟踪目标。手动跟踪用鼠标点击虚拟控制面板上的‘手动’按钮，计算机程序虚拟开关S2掷向位置1，S1掷向位置2，系统处于手动控制状态。通过虚拟面板上的‘上’、‘下’、‘顺’、‘逆’、‘快速’等按键，控制天线转动，跟踪目标。其原理举例说明如下比如按下‘顺’，此时计算机将当时的方位角度加上一个增量(如同时再按下‘快速’，则所加的增量值更大些)作为给定值，再与实际角度值比较，得出误差量送位置调节器PAJ，以后的信号通道与自动跟踪相同，此处不再详述。于是，天线就会顺时针转动，直到再点击一下‘顺’，使其抬起，天线则立即停止转动。目标搜索用鼠标点击‘搜索’，程序开关S1切换到位置3，系统处于搜索控制状态。SER程序设计为以当时天线位置为圆心，以1/2波瓣宽度为半径，以圆的参量方程的形式，分别计算出天线的方位、俯仰给定值，天线即以此点为中心，进行圆形搜索扫描。一旦收到信号，接收机输出频率锁定信号给计算机，程序即会自动切换到自动控制状态，系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高空气球跟踪定位系统，其特征为：由工业控制计算机，遥测跟踪天线及天线座、接收机，多功能扩展箱，遥控天线及天线座、发射机、天控分机等组成，通过虚拟仪表控制面板对跟踪天线进行数字控制和目标位置测量，达到自动跟踪目标和对其定位的目的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宝来，李立群，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]