专利名称：以工控机为核心的高空气球跟踪定位系统的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。


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，系统转入自动跟踪。
随动跟踪用鼠标点击‘随动’，程序开关S1切换到位置4，系统处于随动控制状态。通过鼠标点击虚拟面板上的方位(α)、俯仰(β)两个数值控制显示组件上的上、下箭头，可以按预先设定的量增加或减少该组件的数值(亦可用键盘直接写入)。此时，程序将此值作为给定值与天线实际位置值进行比较，得出误差量，据此控制天线跟随该组件所给定的值转动。
GPS 跟踪用鼠标点击‘GPS’按键，程序开关S1切换到位置1，系统处于GPS跟踪状态。此时，计算机由串口输入接收机接收到的GPS定位数据(经纬度和高度)，据此计算出目标所在的方位和俯仰角度，与天线实际角度比较，得出误差值，控制天线跟踪目标。
上述各虚拟按键亦可利用键盘上通过程序设定的实际按键进行控制。
2定位原理测角天线的位置即俯仰或方位角度是通过安装在天线座Z1内的两个绝对值编码器(又称码盘)EC1和EC2进行测量的。与增量式角度编码器相比，绝对值编码器具有不怕干扰，无须时常对零和无积累误差等优点。本系统方位和俯仰各用两个9位接触式绝对值编码器，进行粗精配合测角。其中粗盘以1∶1的速比与天线主轴交连，精盘通过升速机i2以32∶1的速比与天线主轴交连。编码器采用的是格莱码，利用精盘的9位和粗盘的6位码(其中1位用于纠错)，经译码器ENC译码和纠错电路CON后，可以得到14位二进制码，其分辨率为360/16384＝0.02197度。此数据经数字量输入口DIA由计算机采样处理后，送显示器的虚拟仪表盘进行实时动画和数字显示，并每隔一定时间(可由程序任意设定)，连同时间、斜距、高度，平距和误差校正等其它数据一起存入硬盘。
测距多功能扩展箱内装有由8031单片计算机和相应电路组成的测距单元，用以测量目标到天线的直线距离。单元中的晶体方波振荡器产生高频方波，经分频后产生测距发送方波，滤成音频正弦波后送遥控发射机，与遥控指令信号混合调频后，发射到空中。球上的遥控指令接收机接收到此信号，经FM解调后，送到遥测终端，与遥测信号相加后，送遥测发射机调制端，经FM调制后又发同地面。本系统的遥测接收机解调出测距波，送测距单元，经滤波、平切后，与发送方波进行比相，得出二者的相位差；扣除信号在电路中的时延后，计算出信号在空中的传输时间，再根据无线电波的传播速度，计算出距离。根据以上的角度和距离数据，通过球面三角公式，即可计算出目标在空中的位置。
GPS定位球上的GPS接收机接收全球定位系统的卫星信号，得到目标的位置信息，通过遥测信道发回地面，经过处理后得到定位数据。
该实施例已经成功运行了多年，与原系统相比，本系统的体积、重量和功耗下降了1-2个数量级，跟踪速度、定位精度、可靠性和自动化程度得到显著提高，调试、操作维护和监控方便灵活，工作环境得到大幅度改善。
权利要求
1.一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。
2.权利要求1所述的跟踪定位系统，其特征在于，所述的多功能扩展箱内装有数字式脉冲宽度调制器、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、测距装置等；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。
3.权利要求1所述的跟踪定位系统，其特征在于，所述的虚拟控制面板上设有俯仰、方位指针式角度指示度盘、数字式角度指示窗口、指针式角速度表、误差指示表，时间、斜距、高度、平距显示窗，高度条形图，手动、自动、随动、搜索等控制功能按钮和上、下、顺、逆和快速等手动控制键。
4.权利要求1所述的跟踪定位系统，其特征在于，通过对音频调制的发射波和回波的相位比较而进行测距。
5.权利要求1所述的跟踪定位系统，其特征在于，利用全球定位系统(GPS)作为辅助跟踪和定位手段。
全文摘要
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。
文档编号G01S13/00GK1570668SQ20041003733
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月29日 优先权日2004年4月29日
发明者孙宝来, 李立群 申请人:中国科学院大气物理研究所