CN104567547A - 一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法 - Google Patents

Abstract

一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法，系统包括火箭作业数据采集器及与其通信的手持指挥终端，所述火箭作业数据采集器包括中央处理单元，以及与中央处理单元连接的俯仰检测电路、方位检测电路、用弹量检测电路、时钟电路和蓝牙通信电路，方位检测电路采用双天线GPS模块，俯仰检测电路采用倾角传感器。本发明能够更加精确的采集到火箭作业的起止时间、方位角、俯仰角和用弹量等参数，并可将相关数据实时传输到人影管理部门，实现精细化作业，且操作比较简单，可大大提高工作效率，解决指挥、作业、评估相互脱节的技术难题，避免人工引起误差和不准确的情况发生，为气象人影火箭作业科学化、规范化管理提供有力保障。

Description

一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法

技术领域

本发明涉及人影作业数据采集技术领域，具体为一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法。

背景技术

人工影响天气(以下简称人影)，即根据人的意愿，通过人工干预，使某些局地天气现象朝有利于人们预定目的的方向转化，以克服或减轻恶劣天气引发的灾害，这种改造自然的科学技术措施称人工影响天气。随着社会发展和科学技术的进步，人影精细化作业与管理一直是气象工作者的梦想，人影作业信息收集及管理是人工影响天气业务工作的一项日常工作，快捷方便的作业信息收集可大大提高工作效率，让管理部门及时获取作业一线的实时信息，为作业指挥和作业效益评估提供基础数据，解决多年来指挥、作业、评估相互脱节的技术难题。

人影作业主要包含地面的高炮和火箭作业及高空的飞机作业等。本申请人在之前申请的两件专利(专利号为ZL201220081619.6和201210057367.8)中已介绍了高炮作业数据采集装置及方法，解决了高炮作业数据采集问题，但该装置及方法无法用到火箭作业数据采集。理由如下：A高炮和火箭发射架结构完全不一样，采集装置和传感器设计和安装完全不一样；B方位角检测原理和方法完全不一样，高炮自身结构中的方位传动结构并通过采用“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”通过标定可以精确测量高炮的方位角，火箭发射架没有这套传动装置，而且火箭往往是流动作业点(高炮作业点是固定的)，无法进行0°标定，因此无法采用“基于双联同轴互补多圈电位器方位角测量法”；C用弹量检测方法不一样，高炮通过接近开关检测退弹的弹壳数来检测，高炮大多数都是双管炮，两管同时作业，没法通过震动、声音识别来检测，火箭单独发射，可以通过震动、声音识别来检测，但火箭壳不是金属，没法通过接近开关来检测；D高炮装置中采用时钟电路，来确定作业起止时间，其精度不高，并且需要定期校时。

另外，陕西中天火箭技术有限责任公司申请的专利“火箭、高炮作业控制及安全监控系统和作业监控方法”(申请号：201110132819.X)，基本方法为：采用电子罗盘获得火箭发射的方位和仰角；通过检测点火线路电阻来确定火箭弹发射量。但该方法存在以下问题：(1)方位及仰角测量问题：采用电子罗盘可以测量方位和仰角，其中方位测量是利用地磁场来实现定向(方位)测量的，但由于火箭发射架属于金属，对测量周围的地磁场影响很大，安装到火箭发射架上的电子罗盘测量精度大大下降，有时误差达到几十度，其精度远远达不到测量要求；仰角测量是利用加速度原理来测量的，在静态时能够高精度测量，而在作业时，震动较大，对测量精度影响很大，误差达到几十度；(2)用弹量的检测问题：通过测量各个通道点火线路的电阻来检查，有多少通道就得设计多少路电阻检测电路，而且受发射控制器影响；(3)作业起止时间如何检测或者如何得到，未介绍。

目前，人影作业的起止时间、发射数量及方位角和仰角都是依靠人工的方法获取并通过电话或电台将相关信息上报到人影指挥部门和管理部门，因此，存在作业数据采集困难、设备运行状况无法实时监控等实际情况，耗费大量的人力、物力，由于中间环节太多，人工引起误差和不准确的情况时有发生。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够更加精确的采集到火箭作业的起止时间、方位角、俯仰角和用弹量等参数的一种用于人影火箭的作业数据采集系统和数据处理方法，可实时检测和传输数据，实现精细化作业，且操作比较简单。技术方案如下：

一种用于人影火箭的作业数据采集系统，包括火箭作业数据采集器及与其通信的手持指挥终端，所述火箭作业数据采集器包括中央处理单元，以及与中央处理单元连接的俯仰检测电路、方位检测电路、用弹量检测电路、时钟电路和蓝牙通信电路，所述方位检测电路采用双天线GPS模块，所述俯仰检测电路采用倾角传感器。

进一步的，上述火箭作业数据采集器还包括与中央处理单元连接的无线微功耗开关机电路，所述无线微功耗开关机电路包括顺次连接的稳压二极管W1、霍尔开关H1、光耦芯片U2和开关集成芯片U3，所述光耦芯片U2和开关集成芯片U3分别连接所述中央处理单元。

更进一步的，上述开关集成芯片U3为TWH8778，霍尔开关H1为H248。

更进一步的，上述用弹量检测电路包括震动传感器和声音识别电路。

更进一步的，上述时钟电路包括时钟芯片DS1302和大电容。

更进一步的，上述中央处理单元采用LPC2388微控制器。

更进一步的，上述双天线GPS模块为GPS定位定向仪GPS120。

更进一步的，上述倾角传感器为DCM250模块。

更进一步的，上述火箭作业数据采集器还包括与中央处理单元连接的电源控制电路和存储电路，所述存储电路包括铁电存储芯片FM25H20。

一种用于人影火箭的作业数据采集系统的数据处理方法，包括：

1)中央处理单元每秒读取倾角传感器输出的一组1个以上的俯仰角瞬时值；

2)对该组俯仰角瞬时值做修正计算：求该组俯仰角瞬时值的平均值和标准差，若该组中任一俯仰角瞬时值与平均值的差值超过标准差的预设百分比，则将该俯仰角瞬时值用平均值代替，并循环进行该修正计算；

3)否则将最后一次计算得到的平均值作为当前秒俯仰角检测值；

4)若上述俯仰角检测值为第一次数据，则置标志，将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

5)否则将该俯仰角检测值与前一秒的俯仰角秒钟值作比较，若二者的差值不超过预设角度阈值则将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

6)否则做如下处理：θ＝λθ₀+(1-λ)θ₁，其中，θ为当前秒俯仰角秒钟值，θ₀为前一秒俯仰角秒钟值，θ₁为当前秒俯仰角检测值，λ为修正因子，其值在0～1之间；

7)输出当前秒俯仰角秒钟值，发送给手持指挥终端。

本发明的有益效果为：本发明能够更加精确的采集到火箭作业的起止时间、方位角、俯仰角和用弹量等参数，并可将相关数据实时传输到人影管理部门，实现精细化作业，且操作比较简单，可大大提高工作效率，解决指挥、作业、评估相互脱节的技术难题，同时节省大量的人力、物力，避免因中间环节多，人工引起误差和不准确的情况发生，为气象人影火箭作业科学化、规范化管理提供有力保障。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明火箭作业数据采集器电路框图示意图。

图3为本发明俯仰角检测与处理流程图。

图4为本发明中无线微功耗开关机电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明：如图1所示，一种用于人影火箭的作业数据采集系统，包括火箭作业数据采集器、手持指挥终端和指挥中心系统软件。火箭作业数据采集器利用双天线GPS方向测量、高精度加速度测量、震动及声音识别等技术，完成火箭作业的方位角、俯仰角、起止时间和用弹量的自动检测，数据存储；基于蓝牙与手持指挥终端间进行数据交互，采用GPRS数据传输实现和远端指挥中心数据传输。在方位和俯仰检测方面，采用高精度传感器以获得高精度方位角和俯仰角数据，并利用数据处理方法以进一步提高测量精度。对用弹量检测采用震动及声音识别以达到实时准确的测量。

如图2所示，火箭作业数据采集器包括中央处理单元，以及与中央处理单元连接的方位检测电路、俯仰检测电路、用弹量检测电路、时钟电路、无线微功耗开关机电路、蓝牙通信电路、电源控制电路和存储电路。

其中，中央处理单元采用LPC2388微控制器，控制整个系统的信息获取和信号处理、通信等处理的操作。LPC2388微控制器是基于一个支持实时仿真的16位/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，在对性能有严格要求的中断服务程序和DSP算法中，这种特性使器件的性能与在Thumb模式下相比提高了30％。对代码规模有严格控制的应用，可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

方位检测电路主要获得火箭作业方位角的自动检测。方位检测电路由双天线GPS模块GPS120、接口及信号处理电路组成。GPS120可提供载体的位置信息(纬度、经度、高度)、速度信息、方向信息、GPS时间和UTC时间。具有定位精度高、实时性好、稳定可靠，且不受磁场环境影响。双天线GPS测向是利用GPS主天线与第二天线之间的基线距离处理得到的高精度二维姿态量信息，它可以实时解算载体的俯仰或横滚，航向等数据，最快可以达到每秒10次。测向原理：双天线GPS测向系统的精度是和两天线之间的距离成正比的，接近于线性关系；(1米天线基线长度，航向精度约为0.20°)，基线之间长度越长，姿态测量精度效果会越好。

俯仰检测电路完成火箭作业的俯仰角检测，主要由倾角传感器DCM250模块和相应接口电路构成。理论基础是牛顿第二定律：根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分算出线速度，进而可以计算出直线位移，所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。由于火箭作业震动很大，电磁干扰复杂，这势必形成一个新的加速度，从而造成方位角检测不准，甚至误差很大，因此，采用软件的方法解决这个问题，在软件上通过数据处理加上质量控制技术解决对强震动和电磁干扰对仰角检测的影响。选择DCM250模块作为俯仰角传感器。数据处理的方法如下：

1)中央处理单元每秒读取倾角传感器输出的一组(20个)俯仰角瞬时值；

2)对该组俯仰角瞬时值做修正计算：求该组俯仰角瞬时值的平均值和标准差，若该组中任一俯仰角瞬时值与平均值的差值超过标准差的5％，则将该俯仰角瞬时值用平均值代替，并循环进行该修正计算；

3)否则将最后一次计算得到的平均值作为当前秒俯仰角检测值；

4)若上述俯仰角检测值为第一次数据，则置标志，将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

5)否则将该俯仰角检测值与前一秒的俯仰角秒钟值作比较，若二者的差值不超过2°则将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

6)否则做如下处理：θ＝λθ₀+(1-λ)θ₁，其中，θ为当前秒俯仰角秒钟值，θ₀为前一秒俯仰角秒钟值，θ₁为当前秒俯仰角检测值，λ为修正因子，其值在0～1之间，需根据具体情况确定；

7)输出当前秒俯仰角秒钟值，发送给手持指挥终端。

处理流程如图3所示。

用弹量检测电路包括震动传感器和声音识别电路，通过震动、声音识别来检测，完成火箭作业用弹量的自动检测。用弹数量检测还可以采用接近开关、光电对管和红外无线收发等方法来替代。

时钟电路提供火箭作业起止时间，该电路由时钟芯片DS1302和相应的电路组成。由于关机后时钟电路需要继续工作，通常给电路加一个纽扣电池，电池与电路板通过电池座连接，由于火箭作业的震动往往造成电池接触不好，而影响电路工作，另外，一般时钟电路往往有较大误差，因此本发明不用纽扣电池，改加一大电容并采用软件校时，每次开机后都自动向手持指挥终端提出校时请求，手持终端采用GSM网络时间，精度高。特殊情况下，数据采集器工作，而手持指挥终端未工作，数据采集器采集的作业起止时间信息可等待手持指挥终端开机收到校时数据后再校时，用校时前后的时间差来修正作业起止时间。

电源控制电路完成电池的容量检测、充电自动控制、电池低电量和环境高低温的自动保护等功能。

存储电路实现装置参数设置和火箭作业重要数据的长时间存储，电路主要由FM25H20和相应外围电路构成。

无线微功耗开关机电路用于无线开机与关机，通过一个干簧管或霍尔开关和永久磁铁靠近实现。由于干簧管易脆，作业产品工作在强震动环境下质量难以保证，因此选用霍尔开关。霍尔元件工作需要电源，微功耗霍尔开关是不二选择，但几乎所有微功耗霍尔开关的工作电压都在6伏以下，而数据采集器中的传感器要12伏的电源，因此本电路设计至关重要，确保采集装置在待开机状态的电流小于0.05毫安。

如图4所示，VCC为12伏，W1选7.5伏的稳压二极管，H1为霍尔开关H248，U2为光耦芯片，U3为开关集成芯片TWH8778，U1为中央处理单元LPC2388。当有磁场靠近稳压二极管W1，磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔开关输出端导通，输出低电平，电阻R2右端导地，光耦芯片U2输出一个大于2伏的电压和一个3伏的电压，2伏的电压连接到开关集成芯片U3的使能EN端，开关集成芯片U3开启电源；电源开启后，整个电路工作，中央处理单元U1给开关集成芯片U3使能端提供一个大于2伏的电压，以维持开关集成芯片U3开启，光耦芯片U2输出3伏的电压接中央处理单元U1，并设定2个定时，一个5分钟，当中央处理单元U1工作超过此定时后检测到光耦芯片U2输出3伏的电压，则关机；另一定时为自动关机定时，取20分钟，当电路一直未检测到用弹量超过此设定时间就自动关机。

使用方法：在关机状态，磁场靠近即开机，开机超过5分钟后(不超过不检测，不处理)，有磁场靠近就关机，无磁场靠近，自动关机定时到时自动关机，另外，收到关机指令也关机。

采用手持指挥终端完成数据采集器与指挥中心间的上情下达与下情上报，采用具有安卓系统的智能手机，使用Java语言设计客户端软件来实现数据采集器与管理中心的上传下达功能，实时接收及显示火箭作业的起止时间、方位角、俯仰角和用弹量等数据，并将该数据通过GPRS网络发送到指挥中心，同时还可将该数据自动发短信到任意手机，另外手持指挥终端还具有手写录入功能、语音通信、录音录像及传输、采集器参数设置等功能。

人影作业管理系统软件采用C语言、数据库和GPRS、Interne等通信技术，结合气象部门实际，设计出适用于作业点与指挥中心数据的上传下达及数据管理功能。其主要功能为火箭作业参数数据接收；降水观测、雷达观测、多源卫星反演数据自动接收；火箭作业指令下达；数据库功能；多种通信功能。

主要技术指标见表一。

表一火箭作业数据采集器性能指标

主要性能	技术指标
		方位角精度	<1°
仰角精度	<1°
		起止时间	<2S
待开机电流	<0.05mA
		用弹量检测	100％
防水等级	IP68
		防震等级	抗冲击20g
工作温度	-40℃～+85℃
		工作湿度	0～100％
工作电压	12V DC(内部锂电池供电)
		工作电流	<75mA(平均电流)
信息交互时间	<20S(平均时间)
		待机时间	>60小时(内部锂电池供电)

应用方案：火箭数据采集器安装在火箭架上，手持指挥终端由作业点工作人员使用，主要能实时获取火箭的方位角、俯仰角，作业的用弹量及作业起止时间，人影作业管理系统软件安装在人影指挥中心计算机上，以完成作业指挥、数据收集及管理。具体使用过程如下：

火箭作业点工作人员打开手持终端，用磁场靠近人影火箭作业数据采集器，数据采集器自动开机，手持终端与数据采集器通过蓝牙自动建立通信，通信建立后，数据采集器时钟、姿态(方位角、俯仰角)、电池电量、作业点编号、作业人员变化等数据自动传到手持指挥终端，手持指挥终端可以通过其界面设置采集器有过参数，比如：自动关机时间、工作模式、传感器参数等；同时，手持指挥终端与指挥中心通过GPRS和计算机网络自动建立通信，指挥中心根据卫星云图和雷达信息下达作业指令到手持指挥终端，指令包含：作业开始时刻、方位角、俯仰角、用弹量、作业时间等，作业点指挥人员将火箭发射架调整到指定的方位角、俯仰角，待作业时刻到，开始作业，作业结束后，手持指挥终端自动将作业信息(作业起止时间、方位角、俯仰角、用弹量、作业点编号、作业人员编号)上报指挥中心；作业人员通过手持指挥终端给采集器发关机指令，采集器收到指令后自动关机，若不发关机指令，采集器定时时间到自动关机，开机后超过5分钟定时检测到磁场靠近也关机。

Claims (10)

1.一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，包括火箭作业数据采集器及与其通信的手持指挥终端，所述火箭作业数据采集器包括中央处理单元，以及与中央处理单元连接的俯仰检测电路、方位检测电路、用弹量检测电路、时钟电路和蓝牙通信电路，所述方位检测电路采用双天线GPS模块，所述俯仰检测电路采用倾角传感器。

2.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述火箭作业数据采集器还包括与中央处理单元连接的无线微功耗开关机电路，所述无线微功耗开关机电路包括顺次连接的稳压二极管W1、霍尔开关H1、光耦芯片U2和开关集成芯片U3，所述光耦芯片U2和开关集成芯片U3分别连接所述中央处理单元。

3.根据权利要求2所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述开关集成芯片U3为TWH8778，霍尔开关H1为H248。

4.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述用弹量检测电路包括震动传感器和声音识别电路。

5.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述时钟电路包括时钟芯片DS1302和大电容。

6.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述中央处理单元采用LPC2388微控制器。

7.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述双天线GPS模块为GPS定位定向仪GPS120。

8.根据权利要求1所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述倾角传感器为DCM250模块。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种用于人影火箭的作业数据采集系统，其特征在于，所述火箭作业数据采集器还包括与中央处理单元连接的电源控制电路和存储电路，所述存储电路包括铁电存储芯片FM25H20。

10.一种如权利要求1所述的用于人影火箭的作业数据采集系统的数据处理方法，其特征在于，包括：

1)中央处理单元每秒读取倾角传感器输出的一组1个以上的俯仰角瞬时值；

2)对该组俯仰角瞬时值做修正计算：求该组俯仰角瞬时值的平均值和标准差，若该组中任一俯仰角瞬时值与平均值的差值超过标准差的预设百分比，则将该俯仰角瞬时值用平均值代替，并循环进行该修正计算；

3)否则将最后一次计算得到的平均值作为当前秒俯仰角检测值；

4)若上述俯仰角检测值为第一次数据，则置标志，将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

5)否则将该俯仰角检测值与前一秒的俯仰角秒钟值作比较，若二者的差值不超过预设角度阈值则将该俯仰角检测值作为当前秒俯仰角秒钟值；

6)否则做如下处理：θ＝λθ₀+(1-λ)θ₁，其中，θ为当前秒俯仰角秒钟值，θ₀为前一秒俯仰角秒钟值，θ₁为当前秒俯仰角检测值，λ为修正因子，其值在0～1之间；

7)输出当前秒俯仰角秒钟值，发送给手持指挥终端。