CN107014246B - 半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，该系统由发射决策单元、测控单元和无线接收机三个部分组成，其中所述测控单元用于监督火箭自检、探空仪加电、控制火箭点火、控制火箭舱的打开和关闭；所述接收机用于对探空仪进行自检，接收探空仪发回的数据并传送给所述测控单元；所述发射决策单元用于接受发射指令，从所述主控单元中获得船的航行姿态信息，根据船的倾角和转动角速度决定是否执行火箭发射程序，并从所述测控单元获得探空数据。本发明还涉及半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射方法。本发明完整解决了无人船上发射探空火箭的技术问题，节省人力物力，发射决策单元可以在风浪较大的海况中择机发射。

Description

半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统及方法

技术领域

本发明涉及半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统及方法，其广泛地应用于半潜式无人气象探测船子控制系统中。

背景技术

半潜式无人探测船为在海中具有自主动力，无人驾驶，体型类似潜艇，仅有部分船体露出水面的船只，与其他无人船相比特点是航速中等、续航时间长、耐波性好(抗风浪性能)。气象探空火箭为在对流层内进行大气廓线(或称剖面)探测的火箭，一般在地面或有人船只上发射，在空中释放下投探空仪，在伞降过程中获取气象数据。

在无人船上发射气象探空火箭，目前国内外还没有现成技术。比较相似的有太原融盛科技有限公司和山西利民工业有限责任公司获授权的“增雨防雹火箭弹发射装置”、航天四院41所(中天火箭的前身)获授权的“增雨防雹火箭发射装置”、二炮工程大学获授权的“一种多用途可遥控智能火控发射装置”等。但是，这些发射装置均依靠人工(或短距离遥控)操作，无法满足无人探测船需要的智能、自主决策和发射火箭，并采集数据等功能。

总之，现有探空火箭技术中需要人工干预发射流程，探空火箭需要准垂直发射，无法根据外界环境(船的倾斜程度、摆动幅度等)，选择发射窗口，现有的探空火箭仅有单一点火功能，没有集成数据采集功能。在无人船远洋探测中，复杂海况下风浪较大，船航行姿态不稳定，需要设计一个决策-发射系统来完成火箭发射的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提出一种半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统及方法。当无人探测船驶入远洋，需要通过卫星进行通讯，通讯时频受限(分钟以上级)，而火箭发射属于毫秒级操作，在通讯速度不能跟上的情况下，需要靠船上的决策和发射系统进行智能判断。当接收到岸基发射指令后，自动执行自检、开舱、发射、闭舱和后续连续接收数据的操作，若条件不合适，或仪器有故障，有自行暂停/取消发射的功能。

本发明涉及一种半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，该系统由发射决策单元、测控单元和无线接收机三个部分组成，其中所述测控单元位于火箭舱中，火箭舱设置在船体上，测控单元包括微控制器A、驱动舱盖的机械开关、以及控制点火的电气设备，测控单元用于监督火箭自检、探空仪加电、控制火箭点火、以及控制火箭舱的打开和关闭；所述接收机包括天线、信号采集器和解译微控制器，该接收机用于对探空仪进行自检，接收探空仪发回的数据并传送给所述测控单元；所述发射决策单元为微控制器B，与所述测控单元以及无人船主控单元通讯，发射决策单元用于接受发射指令，从所述主控单元中获得船的航行姿态信息，根据船的倾角和转动角速度决定是否执行火箭发射程序，并从所述测控单元获得探空数据。

其中所述火箭舱包括舱体、舱盖和电动推杆，所述电动推杆的一端与舱体固定连接，另一端与舱盖固定连接，舱盖通过铰链与舱体顶部铰接，在舱体中部设有电气安装板，所述测控单元安装在该电气安装板上，一体式发射筒通过固定板固定在舱体内。在所述舱体底部设有放水口。在舱体顶端上设有密封圈。

其中所述一体式发射筒的顶盖为由易碎材料构成的防水顶盖，顶盖上面刻有十字应力槽，底部预埋有防蚀钢筒。

本发明还涉及一种半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射方法，该方法包括如下步骤：

I.发射决策单元收到岸基发来的发射指令，要求测控单元启动火箭自检；

II.测控单元依次进行火箭加电自检、探空仪加电自检；

III.接收机在确定探空仪完成卫星定位后将数据发给发射决策单元；

IV.发射决策单元取得数据，判断传感器正常，向主控单元请求姿态数据进行发射窗口判断；

V.发射决策单元判断符合发射条件，指示测控单元点火，依次打开舱盖，火箭发射，关闭舱盖；

VI.测控单元点火后，继续向发射决策单元传输探测数据，发射决策单元此后将数据发送给主控单元；

VII.火箭落海后，发射与传输结束。

如果测控单元对火箭自检失败，进行更新火箭编号操作，然后关闭火箭电源，等待定位和发射窗口结果，如果判断还有火箭，则再次回到火箭加电自检步骤。

如果发射决策单元判断出传感器失灵，发出更换火箭请求，然后关闭探空仪电源，进入到上述的更新火箭编号操作。

如果发射决策单元判断没有发射窗口，则发出中止发射请求，然后依次关闭探空仪电源，关闭火箭电源，发射中止。

如果发射结束后收到发射失败报告，则进入到上述的判断是否还有火箭步骤。

本发明的关键在于实现“无人”操作，所有针对现有技术的改进和创新均围绕自动化操作，无需人工干预来考虑，主要有以下几点：

1.接收机上的信号解译微控制器具有自动锁定信号频率，自动定标高度和传感器参数，自动开始探测和发送数据等功能。

接收机、接收天线可以由外公司订制采购。解译微控制器主体是微处理器。在探空仪加电后，首先发送指令激活接收天线的频道搜索功能，在各个窄频段中试图匹配符合探空码特征的电信号，一旦匹配，即发送停止搜索指令，锁定信号频率；然后，解译微控制器从数据帧中读取并保存参数矩阵，用于后续数据计算；最后，判断探空码中的定位信息，当定位完成后，进行高度定标，把数据发送给测控单元。

2.发射决策单元起到了人工操作中指挥中心的作用，决定发射时机，监控数据质量。

发射决策单元的核心部件也是微处理器，通过与主控单元和测控单元的通讯，获取数据和信息，进行逻辑判断。合适的“发射时机”满足四个条件：一、岸基已提出发射要求；二、火箭自检状态良好；三、探空仪已完成卫星定位；四、船当前的姿态符合火箭发射条件。通讯协议中数据帧设置了校验和，当校验相符时，数据合格，反之数据存在瑕疵。

3.发射舱和发射筒的独特设计省略了火箭出库到安装上发射架等操作；

4.测控单元点火时通过阻值测量来判断各发射筒通道火箭是否工作，通过脉冲开关来激活箭载探空仪，代替了点火保险拆封和打开探空仪电源的人工动作。

附图说明

为了更容易理解本发明的技术方案和有益的技术效果，通过参照在附图中示出的本发明的具体实施方式来对本发明进行详细的描述。这些附图仅绘出了本发明的典型实施方式，并不构成对本发明的保护范围的限制，其中：

图1是根据本发明的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的一个实施方式的电气连接示意图。

图2是图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的火箭舱的结构示意图。

图3为图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的一体式火箭发射筒的结构示意图。

图4为图3所示的一体式火箭发射筒顶盖的端面视图。

图5是图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的无人船上探空火箭发射流程时序图。

图6是图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的接收机工作流程图。

图7是在电脑上工作的图6中的接收机的调试程序。

在图1-4中标示出的附图标记中：

1：发射决策单元；2：测控单元；3：接收机；4：火箭舱；5：船体；6：主控单元；7：舱体；8：舱盖；9：电动推杆；10：铰链；11：电气安装板；12：一体式发射筒；13：固定板；14：放水口；15：密封圈；16：顶盖；17：十字应力槽；18：防蚀钢筒。

具体实施方式

图1是根据本发明的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的一个实施方式的电气连接示意图。该火箭决策和发射系统由发射决策单元1、测控单元2和无线接收机3三个部分组成。其中测控单元2位于火箭舱4中，火箭舱4设置在船体5上。测控单元2包括微控制器(MCU)A、驱动舱盖的机械开关、以及控制点火的电气设备，其主要功能是监督火箭自检、探空仪加电、控制火箭点火、以及控制火箭舱4的打开和关闭。无线接收机3包括天线、信号采集器和解译微控制器，主要功能是对探空仪进行自检(卫星定位和传感器信号)，接收探空仪发回的数据并传送给测控单元2。发射决策单元1为微控制器B，与测控单元2、无人船主控单元6通讯，主要功能是接受发射指令，从主控单元6中获得船的航行姿态信息，根据船的倾角和转动角速度决定是否执行火箭发射程序，从测控单元2获得探空数据。

图2为火箭舱4的结构示意图，该火箭舱4包括舱体7、舱盖8和电动推杆9，电动推杆9的一端与舱体7固定连接，另一端与舱盖8固定连接，舱盖8通过铰链10与舱体7顶部铰接，在舱体7中部设有电气安装板11，测控单元2安装在该电气安装板11上，将发动机点火部与外界隔离，避免开舱时进水导致短路。测控单元2控制电动推杆9的伸缩以控制舱盖8的打开和关闭。一体式发射筒12通过固定板13固定在舱体7内，其顶盖为易碎材料，点火前密闭。在舱体7底部设有放水口14，浪花带入的水可以通过放水口14汇入动力循环水管中，随水流排出船外。在舱体7顶端上设有密封圈15，在舱盖8关闭时，密封圈15可以保证舱盖8与舱体7之间的密封，一体式发射筒12底部预埋防蚀钢筒18，避免点火时火焰烧蚀筒壁。

图3图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的一体式火箭发射筒的结构示意图。图4为图3所示的一体式火箭发射筒顶盖的端面视图。该顶盖16为防水顶盖，其上面刻有十字应力槽17，在火箭发射时，该顶盖16沿着十字应力槽破裂。

图5是图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的无人船上探空火箭发射流程时序图。其中深色线表示发起指令，浅色线表示应答指令。具体时序过程如下：

I.发射决策单元1收到岸基发来的发射指令，要求测控单元2启动火箭自检；

II.测控单元2依次进行火箭加电自检、探空仪加电自检；

III.接收机3在确定探空仪完成卫星定位后将数据发给发射决策单元1；

IV.发射决策单元1取得数据，判断传感器正常(温湿压合理)，向主控单元6请求姿态数据进行发射窗口判断；

V.发射决策单元1判断符合发射条件，指示测控单元2点火，依次打开舱盖8，火箭发射，关闭舱盖8；

VI.测控单元2点火后，继续向发射决策单元1传输探测数据，发射决策单元1此后将数据发送给主控单元6；

VII.火箭落海后，发射与传输结束。

如果测控单元2对火箭自检失败，进行更新火箭编号操作，然后关闭火箭电源，等待定位和发射窗口结果，如果判断还有火箭，则再次回到火箭加电自检步骤。

如果发射决策单元1判断出传感器失灵，发出更换火箭请求，然后关闭探空仪电源，进入到上述的更新火箭编号操作。

如果发射决策单元1判断没有发射窗口，则发出中止发射请求，然后依次关闭探空仪电源，关闭火箭电源，发射中止。

如果发射结束后收到发射失败报告，则进入到上述的判断是否还有火箭步骤。

图6是图1中的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统的接收机工作流程图。为克服海上复杂电磁条件，避免与其他设备互相干扰，探空仪使用的是窄频道通讯。因此测控单元2给探空仪上电后，接收机3先根据信号特征自动锁定频率，然后等待探空仪的GPS/BDS模块完成定位，定位后启动零点标定，向测控单元2发送数据。图7是在电脑上工作的图6中的接收机的调试程序，与图6的功能基本一样，不同的是多了人机界面，且锁频和标定需要人工操作。

本发明完整解决了无人船上发射气象探空火箭的技术问题，节省人力物力，现有技术方案不能解决；发射决策单元可以在风浪较大的海况中择机发射，获取风暴中的探空资料，而有人操作的船舶在风浪大时一般会停止探测作业，甚至靠港避险；发射决策单元与测控单元的协作模式可以满足无人探测船在远海航行时，当通讯不实时的情况下，仍可完成探测任务，这是其他无人快艇公司的宽带通讯无法办到的。

本发明可以以其他具体的形式进行体现，但这并不会脱离本发明的保护范围。比如测控单元、决策单元可以集成为一体；本发明的一体式发射筒顶盖为易碎材料设计，主要是为防水考虑，可替换为机械开盖方式；接收机的译码微控制器可以替换为mini-MAC之类的迷你PC机，这样可以直接用电脑兼容的遥测软件，缺点是功耗大幅增加。本发明的保护范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (10)

1.半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，该系统由发射决策单元、测控单元和无线接收机三个部分组成，其中所述测控单元位于火箭舱中，火箭舱设置在船体上，测控单元包括微控制器A、驱动舱盖的机械开关、以及控制点火的电气设备，测控单元用于监督火箭自检、探空仪加电、控制火箭点火、以及控制火箭舱的打开和关闭；所述接收机包括天线、信号采集器和解译微控制器，该接收机用于对探空仪进行自检，接收探空仪发回的数据并传送给所述测控单元；所述发射决策单元为微控制器B，与所述测控单元以及无人船主控单元通讯，发射决策单元用于接受发射指令，从所述主控单元中获得船的航行姿态信息，根据船的倾角和转动角速度决定是否执行火箭发射程序，并从所述测控单元获得探空数据。

2.根据权利要求1所述的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，其中所述火箭舱包括舱体、舱盖和电动推杆，所述电动推杆的一端与舱体固定连接，另一端与舱盖固定连接，舱盖通过铰链与舱体顶部铰接，在舱体中部设有电气安装板，所述测控单元安装在该电气安装板上，一体式发射筒通过固定板固定在舱体内。

3.根据权利要求2所述的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，其中在所述舱体底部设有放水口。

4.根据权利要求2所述的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，其中在舱体顶端上设有密封圈。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射系统，其中所述一体式发射筒的顶盖为由易碎材料构成的防水顶盖，顶盖上面刻有十字应力槽，底部预埋有防蚀钢筒。

6.半潜式无人探测船气象探空火箭决策和发射方法，该方法包括如下步骤：

I.发射决策单元收到岸基发来的发射指令，要求测控单元启动火箭自检；

II.测控单元依次进行火箭加电自检、探空仪加电自检；

III.接收机在确定探空仪完成卫星定位后将数据发给发射决策单元；

IV.发射决策单元取得数据，判断传感器正常，向主控单元请求姿态数据进行发射窗口判断；

V.发射决策单元判断符合发射条件，指示测控单元点火，依次打开舱盖，火箭发射，关闭舱盖；

VI.测控单元点火后，继续向发射决策单元传输探测数据，发射决策单元此后将数据发送给主控单元；

VII.火箭落海后，发射与传输结束。

7.根据权利要求6所述的方法，其中如果测控单元对火箭自检失败，进行更新火箭编号操作，然后关闭火箭电源，等待定位和发射窗口结果，如果判断还有火箭，则再次回到火箭加电自检步骤。

8.根据权利要求7所述的方法，其中如果发射决策单元判断出传感器失灵，发出更换火箭请求，然后关闭探空仪电源，进入到上述的更新火箭编号操作。

9.根据权利要求6所述的方法，其中如果发射决策单元判断没有发射窗口，则发出中止发射请求，然后依次关闭探空仪电源，关闭火箭电源，发射中止。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其中如果发射结束后收到发射失败报告，则进入到上述的判断是否还有火箭步骤。