CN101710189B - 平流层气球下投探空系统 - Google Patents

平流层气球下投探空系统 Download PDF

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李立群
朱彦良
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    • G01W1/08Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes

Abstract

一种平流层气球下投探空系统,采用零压式高空气球,可以按照事前设定的高度在大气平流层平飞,并可利用不同高度风向不同的实际情况,采用抛砂排气等手段,控制气球飘到目标区域,再下投探空仪,探测该区域大气温度、湿度、压力和风向风速等基本参数的垂直廓线。此外,本系统还采取了卫星中继通信技术,可以探测海洋或大漠深处无人地区上空的大气状况。

Description

平流层气球下投探空系统

技术领域

[0001] 本发明提供一种平流层气球下投探空系统,涉及到大气探测技术、GPS应用技术、 卫星通信技术和无线电技术领域。

背景技术

[0002] 大气探测通常采用在地面施放探测气球,用雷达跟踪并接收气球携带的探空仪发出的无线电信号、从而获得某处大气基本参数垂直分布的方法。由于此方法所用气球随风飘行,要探测高空某点大气参数不易实现。再有雷达的作用距离有限,不能探测海洋或大漠深处无人地区上空的大气状况。

发明内容

[0003] 本发明所提供的下投探空系统,采用零压式高空气球,可以按照事前设定的高度在大气平流层平飞,并可利用不同高度风向不同的实际情况,采用抛砂排气等手段,控制气球飘到预定区域,再下投探空仪,探测该区域大气温度、湿度、压力和风向风速等基本参数的垂直廓线;此外,本发明还采取了卫星中继通信技术,理论上可以探测地球上任何区域的大气状况。

附图说明

[0004] 图1是平流层下投探空系统气球及球载设备示意图。

[0005] 图2是下投控制装置示意图。

具体实施方式

[0006] 实施例采用的平流层下投探空系统参见图1,由高空气球1,主缆切割器2,降落伞 3,仪器舱及下投控制器4,下投探空仪5以及气球地面站等组成。

[0007] 高空气球采用体积为1000立方米的零压式气球,其球体采用抗低温高强度聚乙烯塑料薄膜经热压焊接制成。球体上部连接充气管,下部连接排气管。充气管在气球充完浮升气(氢气或氦气)后用绳索捆扎,使其不漏气,排气管则与大气相通。气球升空后,随着高度不断增加,浮升气逐渐膨胀,直至达到设计体积胀饱气球后,多余的气体从排气管排出,保持气球内外气压基本相等,压差为零,所以称为零压式气球。由于气球升空高度和其体积、总重量(包括自重与载重)、浮升气体种类有着固定关系,所以通过控制这些参数, 就可以控制气球达到预定高度。采用引导球事先测出气球轨迹,通过选择合适的气球发放位置,并利用抛砂排气等手段控制气球高度,就可以使气球到达预先设定的区域,下投探空仪。

[0008] 仪器舱采用保温性能好、有一定强度、自重轻便的聚苯乙烯发泡材料切割制成。舱内装有GPS下投探空仪、下投及气球飞行控制器、舱载无线数传模块、卫星通信模块及天线、砂舱及控制阀等。[0009] 下投及气球飞行控制器由下投控制装置、遥测遥控箱和电池等组成。下投控制装置请参见图2,由下投舱8、弹出橡筋9、下投切割器6、舱门盖板13、舱门控制切割器15等组成。下投舱是一个长方体空舱,其大小形状和下投探空仪匹配,用来装载下投探空仪等。弹出橡筋共有两根,通过螺钉将其端部固定在仪器舱底部的木板12上,使其形成十字交叉的形态。装配前,先将小降落伞11顶端通过系绳7穿过下投切割器后,拴在下投舱内橡筋的十字交叉点上,再将小降落伞的另一端经伞绳连接在探空仪顶部。装配时,先将小降落伞叠好,放在探空仪底下,再用橡筋的十字交叉点顶住探空仪的顶端中点,使橡筋将探空仪底部兜住,再将探空仪压入下投舱。在压下过程中,橡筋被逐渐拉长,获得弹出能量。直到探空仪及与其连接的小降落伞全部压入舱内,再盖上舱门盖板,用绳索14穿过舱门切割器15将舱门固定在木板上。探空仪端部装有一个电源控制行程开关10,在探空仪装入下投舱后,由舱门盖板经折叠好的小降落伞压下行程开关,使探空仪保持在关闭状态。

[0010] 下投时,首先由气球地面站经互联网向卫星地面站送出开舱门遥控指令,卫星地面站将指令代码经卫星中继后传送到气球仪器舱。舱内的卫星通信模块收到代码后,送遥测遥控箱内的微控制器,经解码后控制舱门切割器将固定舱门的绳索切断,舱门被打开,探空仪弹出,由系绳通过降落伞挂在仪器舱下。电源控制开关由于失去压力而接通电源,探空仪加电后开始工作,GPS模块搜索卫星,探空仪内的数传模块每秒1次向空中发出探空数据。仪器舱内的数传模块接到数据后,通过卫星中继,将数据传到卫星地面站,再经互联网将数据传到气球站或任何可以上网的地方。经过1到3分钟,待气球地面站确认GPS模块定位后,再发出下投控制指令,经上述通信链路后,控制下投切割器动作,切断系绳,将探空仪投下。

[0011] 下投探空仪由气象参数传感器、数据采集微控制器、GPS模块和天线、无线数传模块和天线以及电池等组成。其外部包有泡沫保温材料,外形为长方体,上部连接有小降落伞。下投后,温度和湿度传感器在下投后暴露在大气中,小降落伞张开,带着探空仪按照设计速度下降。GPS模块实时测量探空仪的位置,通过对位置差分可以得到风向风速。传感器实时探测大气温压湿等物理参数,通过微处理器处理得到相关数据。探空仪内的无线数传模块把探测数据发回仪器舱,由仪器舱内的卫星通信模块将数据通过卫星中继传回到卫星地面站,再通过互联网传送到用户。

[0012] 除了上述卫星中继通信链路外,本系统还备有无线通信链路,可通过无线数传模块直接对气球进行遥测遥控。

[0013] 待探空仪全部下投后,发出切割仪器舱指令,主缆切割器动作,切断主缆,降落伞与气球分离,带着仪器舱降落到地面。其落点由GPS模块定位后通过卫星中继发送给地面站,指导回收车辆回收仪器舱。

[0014] 本实施例已经实践多次验证,证明其性能先进、设计合理、工作可靠,为大气探测提供了一种新型的技术手段。

Claims (2)

1. 一种平流层下投探空系统,由高空气球、主缆切割器、降落伞、仪器舱及下投控制装置、探空仪和气球地面站组成,其特征在于:下投探空系统采用零压式高空气球,按照事前设定的高度在大气平流层平飞,采用抛砂排气手段,控制气球到达目标区域后下投探空仪,探测该区域大气基本参数的垂直廓线; 下投控制装置由下投舱(8)、弹出橡筋(9)、下投切割器(6)、舱门盖板(13)、舱门控制切割器(1¾组成;弹出橡筋共有两根,通过螺钉将其端部固定在仪器舱底部的木板(1¾上, 使其形成十字交叉的形态;装配前,先将小降落伞(11)顶端通过系绳(7)穿过下投切割器后,拴在下投舱内橡筋的十字交叉点上,再将小降落伞的另一端经伞绳连接在探空仪顶部; 装配时,先将小降落伞叠好,放在探空仪底下,再用橡筋的十字交叉点顶住探空仪的顶端中点,使橡筋将探空仪底部兜住,再将探空仪压入下投舱;在压下过程中,橡筋被逐渐拉长,获得弹出能量;直到探空仪及与其连接的小降落伞全部压入舱内,再盖上舱门盖板,用绳索 (14)穿过舱门切割器(15)将舱门固定在木板上;探空仪端部装有一个电源控制行程开关 (10),在探空仪装入下投舱后,由舱门盖板经折叠好的小降落伞压下行程开关,使探空仪保持在关闭状态;下投时,首先由气球地面站经互联网向卫星地面站送出开舱门遥控指令,卫星地面站将指令代码经卫星中继后传送到气球仪器舱;舱内的卫星通信模块收到代码后, 送遥测遥控箱内的微控制器,经解码后控制舱门切割器将固定舱门的绳索切断,舱门被打开,探空仪弹出,由系绳通过降落伞挂在仪器舱下;电源控制开关由于失去压力而接通电源,探空仪加电后开始工作,GPS模块搜索卫星,探空仪内的数传模块每秒1次向空中发出探空数据;仪器舱内的数传模块接到数据后,通过卫星中继,将数据传到卫星地面站,再经互联网将数据传到气球地面站;经过1到3分钟,待气球地面站确认GPS模块定位后,再发出下投控制指令,控制下投切割器动作,切断系绳,将探空仪投下。
2.如权利要求书1所述的平流层下投探空系统,其特征在于:采用卫星中继通信技术, 可以探测海洋或大漠深处无人地区上空的大气状况。
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