CN104833864B - 空中三维电场可定向无线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空中三维电场可定向无线测量装置，包括：微处理器模块(1)、三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)、三维电子陀螺仪模块(5)、无线数据收发模块(6)和电源模块(7)，所述三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)和三维电子陀螺仪(5)均与微处理器模块(1)的数据输入端相连，所述微处理器模块(1)的数据输出端与无线数据收发模块(6)相连，所述电源模块(7)分别与所述微处理器模块(1)、三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)、三维电子陀螺仪模块(5)及无线数据收发模块(6)相连接。本发明的测量装置，可实现空中三维电场的准确定向与定位测量。

Description

空中三维电场可定向无线测量装置

技术领域

本发明属于数字化电场测量装置技术领域，特别是一种可实现空中三维电场的准确定向与定位测量的空中三维电场可定向无线测量装置。

背景技术

大气电场探测对于导弹、火箭、航天器发射具有非常重要的意义，是飞行器升空的安全保障之一，也是进行大气物理研究的重要手段。国内外先后研制多种电场传感器，用于测量地面或空中电场强度，以有效预防雷电等大气强电场对飞行器的自然雷击或诱发闪击，使飞行器避免直接或间接的损伤，保障人们的生命以及财产安全。根据其工作原理，电场传感器主要分为光学式电场传感器和电荷感应式电场传感器。对于检测低频电场或静电场，当前一般采用电荷感应式电场传感器，这种电场传感器稳定性高，适用于低温、潮湿、振荡等恶劣大气环境的电场检测。

早期电场测量装置只能测量单一方向上的电场强度，随着研究工作的深入，先后研制出了二维电场和三维电场测量装置。为了能更加直接地掌握空中三维电场情况，在地面三维电场测量装置基础上，人们研制出了空中三维电场测量装置。地面三维电场测量装置采用固定方式放置，可通过方向方位标定，使电场仪测量三轴与地理南北、东西以及铅锤方向相同，从而直接测量出三维电场沿地理南北、东西和铅锤方向的大小。而空中电场测量作为反映空中电场更为有效的直接手段，实际操作中电场测量装置会随气球等载体移动，测量装置的位置、状态及朝向不断变化，由于现有技术只能测量沿三维电场测两装置的三个测量轴指向的三维电场分量的大小，当三维电场测量装置在测量大气电场随气球等载体姿态不断变化时，难以确定所测三维电场的南、北和铅垂指向大小。

因此，如何实现空中三维电场实时有效定向和定位测量，也就是如何测量空中电场沿地理南北方向分量的大小，地理东西方向分量的大小和地理铅锤方向分量的大小，是亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空中三维电场可定向无线测量装置，可实现空中三维电场的准确定向与定位的无线测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种空中三维电场可定向无线测量装置，包括：微处理器模块，用于处理三维电场数据、测量装置的位置坐标数据和测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据，得到实时定向、定位的三维电场信息；三维电场测量模块，用于采集三维电场数据；GPS模块，用于采集测量装置的位置坐标数据；三维电子罗盘，用于采集测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据；三维电子陀螺仪，用于采集测量装置运动的三维加速度和角速度信息，以补偿测量装置运动对测量数据的影响；无线数据收发模块，用于接收测量指令和将实时定向、定位的三维电场信息发送至远端数据接收计算机；电源模块，用于向各功能模块供电；

所述三维电场测量模块、GPS模块、三维电子罗盘模块和三维电子陀螺仪均与微处理器模块的数据输入端相连，所述微处理器模块的数据输出端与无线数据收发模块相连，所述电源模块分别与所述微处理器模块、三维电场测量模块、GPS模块、三维电子罗盘模块、三维电子陀螺仪模块及无线数据收发模块相连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

本发明通过集成三维罗盘模块和GPS模块采集的电场测量装置三维方向信息和位置信息，可实时将采集的三维电场信息分解变换为地理南北向、东西向和铅锤方向的电场大小，解决了电场移动测量时的可定向、定位三维电场测量问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明空中三维电场可定向无线测量装置的系统框图。

图2是本发明空中三维电场可定向无线测量装置的典型安装结构图。

图3是电子罗盘测量系统示意图。

图中，1微处理器模块，2三维电场测量模块，3GPS模块，4三维电子罗盘模块， 5三维电子陀螺仪模块，6无线数据传输模块，7电源模块，8刚性框架。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种空中三维电场可定向无线测量装置，包括：

微处理器模块1，用于采集和处理三维电场数据、测量装置的位置坐标数据和测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据，得到实时定向、定位的三维电场信息；

三维电场测量模块2，用于采集三维电场数据；

GPS模块3，用于采集测量装置的位置坐标数据；

三维电子罗盘4，用于采集测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据；

三维电子陀螺仪5，用于采集测量装置运动的三维加速度和角速度信息，以补偿测量装置运动对测量数据的影响；

无线数据收发模块6，用于接收测量指令和将实时定向、定位的三维电场信息发送至远端数据接收计算机；

电源模块7，用于向各功能模块供电；

所述三维电场测量模块2、GPS模块3、三维电子罗盘模块4、三维电子陀螺仪5和无线数据收发模块6均与微处理器模块1的数据端口相连，所述电源模块7分别与所述微处理器模块1、三维电场测量模块2、GPS模块3、三维电子罗盘模块4、三维电子陀螺仪模块5及无线数据收发模块6相连接。

为保证主要模块之间相对位置固定不变，还包括一刚性框架8，所述三维电场测量模块2、GPS模块3、三维电子罗盘模块4和三维电子陀螺仪模块5固定设置在所述刚性框架8上。且为了便于数据处理，安装在刚性构架上时，所述三维电场测量模块三个测量轴、三维电子罗盘三个测量轴、三维电子陀螺仪的三个测量轴保持平行关系，若无法确保平行，应采用实验手段进行校准。

如图2所示，所述固定设置在刚性框架8上的三维电子罗盘4的三个测量轴方向与三维电场测量模块2的三个测量轴、三维电子陀螺仪(5)的三个测量轴分别平行。

所述三维电子罗盘4为HCM500B高精度倾角补偿式三维电子罗盘。

在具体实施中，微处理器模块中微处理器的选择很重要。随着电子技术的飞速发展，高性能微处理器技术不断涌现，如新的STM32F103等第二代ARM Cortex-M3内核的微控制器，延伸了第一代ARM内核的特性，具有更快的运行速度，更低的功耗，端口资源也更加丰富，广泛应用于数据采集、数据分析处理、仪器仪表、工业通讯、电机控制等领域。高精度电子罗盘器件和模块飞速发展，如HCM500B等高精度三维罗盘单板模块，采用先进的硬铁和软铁校准算法，使其在倾斜360°的状态仍然能提供高精度的方向信息，它具有小型和低功耗的特点，适用于当今的小型化敏感测量系统。并集成了三轴磁通门技术，通过中央处理器实时计算方向数据，以及使用三轴加速度计对大范围内的倾斜角进行补偿，属于高性能、高稳定性的军工级产品。这两项技术和产品的出现为本项目的实现奠定了基础。

本发明一个实施例，实现电路原理可以是，1为基于STM32F103ZET6的二代ARMCortex-M3内核的微处理器模块，由微处理器及其必须的外围电路构成，可充分利用其运行速度快、功耗低、端口资源丰富等特点，满足本课题大量传感器数据的采集和处理。 2为三维电场测量模块，其三个垂直的电场分量测量通道分别与与STM32F103ZET6的三个具有模数转换功能的端口相连。3为GPS模块，典型选用HEMISPHERE P103型GPS模块，定位精度可达0.6m，与STM32F103ZET6的串口2相连。4为三维电子罗盘模块，典型选用了 HCM500B型三维电子罗盘，可实时测量装置的航向角、俯仰角和横滚角，与STM32F103ZET6 的串口1相连。5为三维电子陀螺仪模块，典型选用MPU3300型陀螺仪，可实时测量装置的三轴加速度和三轴角速度，以实现对运动误差的补偿，与STM32F103ZET6的串口3相连。 6为无线数据收发模块，典型选用A1276型无线数据收发模块，通信距离达10KM，可将测量数据实时传送至远端数据接收计算机，与STM32F103ZET6的串口4相连。

三个定向电场测量原理为：通过一个HCM500B三维电子罗盘等军用级高精度传感器，实现对三维电场仪姿态信息的采集。测量方法如图3所示，设被测的三维电场强度为E，由三维电场测量模块测得的E沿着X、Y、Z轴三个相互垂直的电场分量分别为E1、E2和E3。由于三维电子罗盘测量轴分别与三维电场X、Y、Z的三个测量轴平行。这样通过三维电子罗盘可测出电场三个分量E1、E2、E3的俯仰角、与地理北极之间的夹角即航向角、以及横向水平偏角，按照投影与坐标变换，可计算得电场E1、E2、E3在地理南北、东西和铅锤三个方向上的矢量分量，再进行累加，即可求出大气电场沿地理北向、地理东向、以及铅锤方向的分量大小。可参考如下公式进行计算。

沿水平地理北极方向的电场强度为：

E_N＝[E₂cosα+(E₁sinβ-E₃cosβ)sinα]cosθ-[E₁cosβ+E₃sinβ]sinθ

沿水平地理东方向的电场强度为：

E_E＝[E₂cosα+(E₁sinβ-E₃cosβ)sinα]sinθ+[E₁cosβ+E₃sinβ]cosθ

沿水平垂直向上方向的电场强度为：

E_V＝[e₂sinα+(-e₁sinβ+e₃cosβ)cosα]

本发明通过集成三维罗盘模块和GPS模块采集的电场测量装置三维方向信息和位置信息，可实时将采集的三维电场信息分解变换为地理南北向、东西向和铅锤方向的电场大小，解决了电场移动测量时的可定向、定位三维电场测量问题。

Claims (2)

1.一种空中三维电场可定向无线测量装置，其特征在于，包括：

1个微处理器模块(1)，用于处理三维电场数据、测量装置的位置坐标数据和测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据，得到实时定向、定位的三维电场信息；

1个三维电场测量模块(2)，用于采集三维电场数据；

1个GPS模块(3)，用于采集测量装置的位置坐标数据；

1个三维电子罗盘(4)，用于采集测量装置的航向角、俯仰角及横滚角数据；

1个三维电子陀螺仪(5)，用于采集测量装置运动的三维加速度和角速度信息，以补偿测量装置运动对测量数据的影响；

1个无线数据收发模块(6)，用于接收测量指令和将实时定向、定位的三维电场信息发送至远端数据接收计算机；

电源模块(7)，用于向各功能模块供电；

所述三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)和三维电子陀螺仪(5)均与微处理器模块(1)的数据输入端相连，所述微处理器模块(1)的数据输出端与无线数据收发模块(6)相连，所述电源模块(7)分别与所述微处理器模块(1)、三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)、三维电子陀螺仪模块(5)及无线数据收发模块(6)相连接；

还包括一刚性框架(8)，所述三维电场测量模块(2)、GPS模块(3)、三维电子罗盘模块(4)和三维电子陀螺仪模块(5)固定设置在所述刚性框架(8)上；

所述固定设置在刚性框架(8)上的三维电子罗盘(4)的三个测量轴方向分别与三维电场测量模块(2)的三个测量轴平行，三维电子陀螺仪模块(5)的三个测量轴也与三维电场测量模块2的三个测量轴平行；

按以下公式可求出大气电场沿地理北向、地理东向、以及铅锤方向的分量大小,

沿水平地理北极方向的电场强度为：

E_N＝[E₂cosα+(E₁sinβ-E₃cosβ)sinα]cosθ-[E₁cosβ+E₃sinβ]sinθ

沿水平地理东方向的电场强度为：

E_E＝[E₂cosα+(E₁sinβ-E₃cosβ)sinα]sinθ+[E₁cosβ+E₃sinβ]cosθ

沿铅锤方向的电场强度为：

E_V＝[E₂sinα+(-E₁sinβ+E₃cosβ)cosα]，

式中：E₁为测量轴X方向电场强度，E₂为测量轴Y方向电场强度，E₃为测量轴Z方向电场强度，θ为三维电子罗盘测得航向角，β为三维电子罗盘测得横滚角，α为三维电子罗盘测得俯仰角。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述三维电子罗盘模块(4)为HCM500B高精度倾角补偿式三维电子罗盘。