CN105954763A - 一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，包括：至少四颗GPS卫星；GPS探空装置，用于接收卫星空间坐标信息和收集环境气象参数；地面接收机，用于接收GPS探空装置发出的卫星空间坐标信息和环境气象参数；数据处理系统，用于接收地面接收机输出的卫星空间坐标信息和环境气象参数，并根据卫星空间坐标信息计算得出GPS探空仪的空间坐标信息，实现单球体临近空间飞行器的定位；GPS探空装置包括多个第一GPS探空仪，多个第一GPS探空仪在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊的圆周方向间隔布设，至少一个第一GPS探空仪与地面接收机保持通信。该实时跟踪系统能够实现对临近空间飞行器的实时跟踪，有效确保临近空间飞行器不会失联。

Description

一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统

技术领域

本发明属于临近空间飞行器飞行试验技术领域，具体是涉及一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统。

背景技术

临近空间，通常是指距地表20～100千米处的空域，临近空间区域包括大气平流层(高度11-50千米)的大部分区域，中间大气层区域(高度50-80千米)和部分电离层区域(高度60-100千米)。临近空间的显著特点包括：空气相对稀薄；环境压力低；环境温度变化复杂；臭氧和太阳辐射强；20-40千米区域平均风速最小。

临近空间下面的空域(20千米以下)是传统航空器的主要活动空间，其上面的空域(100千米以上)是航天器的运行空间。顾名思义，临近空间飞行器是指高于普通飞行器飞行空间，而低于轨道飞行器运行空间区域的飞行器。国际上一般将距地面20-100千米的空域的飞行器视为临近空间飞行器。

目前，临近空间飞行器一般分为平流层飞艇、浮空气球、高空长航时无人机、高超声速巡航飞行器和亚轨道飞行器。

如图1所示，现有技术中有一种属于浮空气球类别的临近空间飞行器，称为单球体临近空间飞行器，这种单球体临近空间飞行器包括封闭球囊1，所述封闭球囊1的外壳镀有一层金属镀膜1-1，所述封闭球囊1的下方通过拉索绳6悬挂有吊舱2，所述吊舱2内设置有氦气容器5、用于将所述氦气容器5内的氦气冲入所述封闭球囊1或将所述封闭球囊1内的氦气抽入所述氦气容器5的气泵3，以及用于控制所述气泵3充气和抽气的气泵控制器4，但是，由于这种单球体临近空间飞行器在飞行试验时，通过雷达来实现对飞行器的跟踪，但是由于临近空间的环境变化复杂、以及封闭球囊1外表面金属镀膜1-1对无线电信号的屏蔽作用，经常会造成对飞行器的跟踪失败，使飞行器失联。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统。该实时跟踪系统能够实现对单球体临近空间飞行器的实时跟踪，有效确保单球体临近空间飞行器不会失联。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于，包括：

至少四颗GPS卫星，每颗GPS卫星将其卫星空间坐标信息发送出去；

GPS探空装置，用于接收所述卫星空间坐标信息和收集环境气象参数，并发送所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

地面接收机，用于接收所述GPS探空装置发出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并输出所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

数据处理系统，用于接收所述地面接收机输出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并根据所述卫星空间坐标信息计算得出GPS探空仪的空间坐标信息，进而实现单球体临近空间飞行器的定位；

所述GPS探空装置包括多个第一GPS探空仪，多个所述第一GPS探空仪在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊的圆周方向间隔布设，至少一个第一GPS探空仪与所述地面接收机保持通信。

上述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述第一GPS探空仪的数量为三个，三个所述第一GPS探空仪沿所述封闭球囊的圆周方向互成120°布设。

上述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述GPS探空装置还包括第二GPS探空仪，所述第二GPS探空仪安装在单球体临近空间飞行器的吊舱上。

上述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述封闭球囊的外侧面设置有多个用于盛装所述第一GPS探空仪的盛装袋，所述盛装袋与所述第一GPS探空仪一一对应。

上述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述盛装袋包括固定在所述封闭球囊的金属镀膜上的袋体，所述袋体上端设置有供所述第一GPS探空仪装入其内的开口，所述袋体上端连接有用于封闭所述开口的袋盖，所述袋盖与所述袋体用粘扣带相连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的GPS探空装置包括多个第一GPS探空仪，并且多个第一GPS探空仪在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊的圆周方向间隔布设，这样，无论该单球体临近空间飞行器在临近空间内的姿态如何变化，总有一个第一GPS探空仪与地面接收机保持通信，有效确保地面接收机能够实时接收到从单球体临近空间飞行器上第一GPS探空仪发送的信息，进而能够有效确保对单球体临近空间飞行器的定位和跟踪。同时，多个GPS探空仪协同工作，有效的提高了对单球体临近空间飞行器的定位精度。

2、本发明将第一GPS探空仪的数量定为三个，且三个第一GPS探空仪在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊的圆周方向互成120°布设，这样能够以最少的GPS探空仪数量，实现该单球体临近空间飞行器在临近空间内的姿态如何变化，总有一个第一GPS探空仪与地面接收机保持通信的目的。

3、本发明通过设置第二GPS探空仪，能够有效的对单球体临近空间飞行器的吊舱位置进行有效的定位，在对单球体临近空间飞行器跟踪过程中，发现第二GPS探空仪的空间坐标信息与第一GPS探空仪的空间坐标信息之间的差值超过第二GPS探空仪与第一GPS探空仪实际位置范围时，可以判断吊舱处于坠落状态，可以根据第二GPS探空仪的空间坐标信息的变化获知吊舱的掉落地点，避免吊舱丢失。

4、本发明采用特殊设计的盛装袋，能够快速、方便的实现第一GPS探空仪的安装，通过粘扣带将袋盖与袋体连接，避免第一GPS探空仪掉出来，并且还可以使第一GPS探空仪从袋体上端的开口伸出来。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术中单球体临近空间飞行器的结构示意图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明第一GPS探空仪和第二GPS探空仪在单球体临近空间飞行器上布设位置示意图。

图5为本发明盛装袋的结构示意图。

附图标记说明:

1—封闭球囊； 1-1—金属镀膜； 2—吊舱；

3—气泵； 4—气泵控制器； 5—氦气容器；

6—拉索绳； 7—GPS卫星； 8—GPS探空装置；

8-1—第一GPS探空仪； 8-2—第二GPS探空仪； 9—地面接收机；

10—数据处理系统； 11—盛装袋； 11-1—袋体；

11-2—开口； 11-3—袋盖； 11-4—粘扣带。

具体实施方式

如图2和图3所示的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，包括：

至少四颗GPS卫星7，每颗GPS卫星7将其卫星空间坐标信息发送出去；

GPS探空装置8，用于接收所述卫星空间坐标信息和收集环境气象参数，并发送所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

地面接收机9，用于接收所述GPS探空装置8发出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并输出所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

数据处理系统10，用于接收所述地面接收机9输出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并根据所述卫星空间坐标信息计算得出GPS探空仪的空间坐标信息，进而实现单球体临近空间飞行器的定位；

所述GPS探空装置8包括多个第一GPS探空仪8-1，多个所述第一GPS探空仪8-1在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊1的圆周方向间隔布设，至少一个第一GPS探空仪8-1与所述地面接收机9保持通信。

本实施例中，该实时跟踪系统在使用时，所述GPS探空装置8接收四颗GPS卫星7发送的四组卫星空间坐标信息，同时所述GPS探空装置8采集环境气象参数，并将所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息发送至地面接收机9，地面接收机9接收到所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息后，并将所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息发送给数据处理系统10，数据处理系统10接收到所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息后，根据所述四组卫星空间坐标信息计算出所述GPS探空装置8的空间坐标信息，进而实现对单球体临近空间飞行器的定位。

本实施例中，所述GPS探空装置8包括多个第一GPS探空仪8-1，并且多个所述第一GPS探空仪8-1在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊1的圆周方向间隔布设，这样，无论该单球体临近空间飞行器在临近空间内的姿态如何变化，总有一个第一GPS探空仪8-1与地面接收机9保持通信，有效确保地面接收机9能够实时接收到从单球体临近空间飞行器上第一GPS探空仪8-1发送的信息，进而能够有效确保对单球体临近空间飞行器的定位和跟踪。同时，多个GPS探空仪协同工作，有效的提高了对单球体临近空间飞行器的定位精度。

本实施例中，所述第一GPS探空仪8-1的数量为三个，三个所述第一GPS探空仪8-1沿所述封闭球囊1的圆周方向互成120°布设。

本实施例中，将第一GPS探空仪8-1的数量定为三个，且三个第一GPS探空仪8-1在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊1的圆周方向互成120°布设，这样能够以最少的GPS探空仪数量，实现该单球体临近空间飞行器在临近空间内的姿态如何变化，总有一个第一GPS探空仪8-1与地面接收机9保持通信的目的。

如图4所示，所述GPS探空装置8包括第二GPS探空仪8-2，所述第二GPS探空仪8-2安装在单球体临近空间飞行器的吊舱2上。

本实施例中，通过设置第二GPS探空仪8-2，能够有效的对单球体临近空间飞行器的吊舱2位置进行有效的定位，在使用时，第二GPS探空仪8-2接收四颗GPS卫星7发送的四组卫星空间坐标信息，同时所述第二GPS探空仪8-2采集环境气象参数，并将所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息发送至地面接收机9，地面接收机9接收到所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息后，并将所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息发送给数据处理系统10，数据处理系统10接收到所述环境气象参数和所述四组卫星空间坐标信息后，根据所述四组卫星空间坐标信息计算出所述第二GPS探空仪8-2的空间坐标信息，进而实现对单球体临近空间飞行器的定位。在对单球体临近空间飞行器跟踪过程中，发现第二GPS探空仪8-2的空间坐标信息与第一GPS探空仪8-1的空间坐标信息之间的差值超过第二GPS探空仪8-2与第一GPS探空仪8-1实际位置范围时，可以判断吊舱2处于坠落状态，可以根据第二GPS探空仪8-2的空间坐标信息的变化获知吊舱2的掉落地点，避免吊舱2丢失。

结合图4和图5，本实施例中，所述封闭球囊1的外侧面设置有多个用于盛装所述第一GPS探空仪8-1的盛装袋11，所述盛装袋11与所述第一GPS探空仪8-1一一对应。

本实施例中，通过设置盛装袋11，进而能够有效的实现了第一GPS探空仪8-1在封闭球囊1上的安装和拆卸。

如图5所示，所述盛装袋11包括固定在所述封闭球囊1的金属镀膜1-1上的袋体11-1，所述袋体11-1上端设置有供所述第一GPS探空仪8-1装入其内的开口11-2，所述袋体11-1上端连接有用于封闭所述开口11-2的袋盖11-3，所述袋盖11-3与所述袋体11-1用粘扣带11-4相连接。

本实施例中，采用这种特殊设计的盛装袋11，能够快速、方便的实现第一GPS探空仪8-1的安装，通过粘扣带11-4将袋盖11-3与袋体11-1连接，避免第一GPS探空仪8-1掉出来，并且还可以使第一GPS探空仪8-1从袋体11-1上端的开口11-2伸出来。

本实施例中，该实时跟踪系统在具体使用时，由于GPS卫星7的时间与GPS探空仪的时间存在一个时钟误差t，加上GPS探空仪的三维位置共计四个变量，因此，需要四颗以上的卫星信号才能给GPS探空仪定位。以下是数据处理系统10对GPS探空仪空间位置的计算过程：

在地心坐标系中，四颗卫星的卫星空间坐标信息分别为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)、(X₄,Y₄,Z₄)，设GPS探空仪的空间坐标信息为(x，y，z)，T₁、T₂、T₃分别为卫星发送信号时间，T₁′、T₂′、T₃′、T₄′分别为对应接收信号时间，c为电磁波传播速度，则：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(X_1-x)}^2+{(Y_1-y)}^2+{(Z_1-z)}^2}=c*(T_1-t-{T_1}^{\′})\\ \sqrt{{(X_2-x)}^2+{(Y_2-y)}^2+{(Z_2-z)}^2}=c*(T_2-t-{T_2}^{\′})\\ \sqrt{{(X_3-x)}^2+{(Y_3-y)}^2+{(Z_3-z)}^2}=c*(T_3-t-{T_3}^{\′})\\ \sqrt{{(X_4-x)}^2+{(Y_4-y)}^2+{(Z_4-z)}^2}=c*(T_4-t-{T_4}^{\′})\end{array}\right.$

由上式求得x、y、z的值，即：

$x=\frac{-B+\sqrt{A^2-4AD}}{2A}$

$y=g+\frac{fB}{2Ae}-\frac{f\sqrt{A^2-4AD}}{2Ae}$

$z=\frac{a}{c^2}(t_1-t_2)-\frac{hg}{c^2}+\frac{hf}{c^{2}e}\left(\frac{-B+\sqrt{A^2-4AD}}{2A}\right)$

其中：t₁＝T₁-T′₁；t₂＝T₂-T′₂；t₃＝T₃-T′₃；t₄＝T₄-T′₄；

$\begin{array}{c}a=\frac{x_4^2-x_3^2+y_4^2-y_3^2+z_4^2-z_3^2+c^2{t}_3^2-c^2{t}_4^2}{2}+\frac{t_4-t_3}{2(t_1-t_2)}(x_2^2-x_1^2+y_2^2-y_1^2+z_2^2-z_1^2-c^2{t}_2^2+\\ c^2{t}_1^2);\end{array}$

$\begin{array}{c}b=\frac{x_3^2-x_2^2+y_3^2-y_2^2+z_3^2-z_2^2+c^2{t}_2^2-c^2{t}_3^2}{2}+\frac{t_3-t_2}{2(t_1-t_2)}(x_2^2-x_1^2+y_2^2-y_1^2-z_2^2-z_1^2-c^2{t}_2^2+\\ c^2{t}_1^2);\end{array}$

h＝(z₄-z₃)(t₁-t₂)+(t₄-t₃)(z₂-z₁)

d＝(z₃-z₂)(t₁-t₂)+(t₃-t₂)(z₂-z₁)

e＝d[(y₄-y₃)(t₁-t₂)+(t₄-t₃)(y₂-y₁)]-h[(y₃-y₂)(t₁-t₂)+(t₃-t₂)(y₂-y₁)]

f＝d[(x₄-x₃)(t₁-t₂)+(t₄-t₃)(x₂-x₁)]-h[(x₃-x₂)(t₁-t₂)+(t₃-t₂)(x₂-x₁)]

$g=\frac{(hb-ad)(t_1-t_2)}{e}$

$i=\frac{a(t_1-t_2)}{h}-\frac{\[(y_4-y_3)(t_1-t_2)+(t_4-t_3)(y_2-y_1)\]g}{h}$

$j=-\frac{(x_4-x_3)(t_1-t_2)+(t_4-t_3)(x_2-x_1)}{h}+\frac{f\[(y_4-y_3)(t_1-t_2)+(t_4-t_3)(y_2-y_1)\]}{he}$

$k=-\frac{f}{e}$

$m=\frac{(x_2-x_1)}{c^2(t_1-t_2)}$

$n=\frac{(y_2-y_1)}{c^2(t_2-t_1)}$

$p=\frac{(z_2-z_1)}{c^2(t_2-t_1)}$

$q=\frac{c^2(t_2^2-t_1^2)-x_2^2+x_1^2-y_2^2+y_1^2-z_2^2+z_1^2}{2c^2(t_2-t_1)}$

r＝m-nk+pj

s＝ng+pi+q

A＝1+k²+j-c²r²

B＝-2x₁-2gk+2y₁k+2ji-2z₁j-2c²rs+2c²t₁r

$D={{-x}_1}^2+g^2-{y_1}^2+2y_{1}j-i^2-z_1^2+2z_{1}i+c^2{t}_1^2+c^2{s}^2-2c^2{t}_{1}s$

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于，包括：

至少四颗GPS卫星(7)，每颗GPS卫星(7)将其卫星空间坐标信息发送出去；

GPS探空装置(8)，用于接收所述卫星空间坐标信息和收集环境气象参数，并发送所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

地面接收机(9)，用于接收所述GPS探空装置(8)发出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并输出所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数；

数据处理系统(10)，用于接收所述地面接收机(9)输出的所述卫星空间坐标信息和所述环境气象参数，并根据所述卫星空间坐标信息计算得出GPS探空仪的空间坐标信息，进而实现单球体临近空间飞行器的定位；

所述GPS探空装置(8)包括多个第一GPS探空仪(8-1)，多个所述第一GPS探空仪(8-1)在水平方向上沿单球体临近空间飞行器封闭球囊(1)的圆周方向间隔布设，至少一个第一GPS探空仪(8-1)与所述地面接收机(9)保持通信。

2.根据权利要求1所述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述第一GPS探空仪(8-1)的数量为三个，三个所述第一GPS探空仪(8-1)沿所述封闭球囊(1)的圆周方向互成120°布设。

3.根据权利要求1所述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述GPS探空装置(8)还包括第二GPS探空仪(8-2)，所述第二GPS探空仪(8-2)安装在单球体临近空间飞行器的吊舱(2)上。

4.根据权利要求1所述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述封闭球囊(1)的外侧面设置有多个用于盛装所述第一GPS探空仪(8-1)的盛装袋(11)，所述盛装袋(11)与所述第一GPS探空仪(8-1)一一对应。

5.根据权利要求4所述的一种单球体临近空间飞行器飞行试验用实时跟踪系统，其特征在于：所述盛装袋(11)包括固定在所述封闭球囊(1)的金属镀膜(1-1)上的袋体(11-1)，所述袋体(11-1)上端设置有供所述第一GPS探空仪(8-1)装入其内的开口(11-2)，所述袋体(11-1)上端连接有用于封闭所述开口(11-2)的袋盖(11-3)，所述袋盖(11-3)与所述袋体(11-1)用粘扣带(11-4)相连接。