CN107422313A - 一种常态化运行的高精度自动角反射器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，包括自动角反射器装置、电子罗盘、通信控制设备、GPS定位仪、供电设备、远程服务器；所述自动角反射器装置包括支撑平台、云台、安装支架、三角反射器、天线罩，所述天线罩将云台、安装支架、三角反射器罩于支撑平台上；所述云台底部固定连接在支撑平台上，所述云台顶部连接在安装支架一端，所述三角反射器连接在安装支架的另一端。本发明通过角反射器、云台的设计，云台的控制指向精度能够达到0.2°以内；通过支撑平台和天线罩的设计，保证自动角反射器系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，有效延长角反射器的使用寿命，满足SAR卫星定标常态化的需求。

Description

一种常态化运行的高精度自动角反射器系统

技术领域

本发明属于SAR(Synthetic Aperture Radar)卫星技术领域，涉及一种常态化运行的高精度自动角反射器系统。

背景技术

人工角反射器由于具有雷达截面积大、性能稳定、布设简单、成本低廉等优点，被国内外的专家学者广泛应用于SAR系统几何和辐射定标等。通过利用已知散射特性的角反射器点目标，可以测量系统定标常数、系统传递函数等，实现辐射定标；已知角反射器点的精确位置，通过精确提取角反射器成像点的中心点，可以对引起SAR图像几何失真的误差进行标定，实现几何定标。

传统的角反射器具有以下缺点：随着卫星运行时间的增长，定标参数的质量会下降，需要对卫星各项参数进行周期化定标更新定标参数，以满足SAR卫星影像高精度定位精度的需要，传统的布设方法耗费人力、财力大，不具备常态化和自动化运行能力；角反射器指向调节精度差，不能根据卫星轨道自动化运行；开放式角反射器缺少防护措施，容易受到恶劣天气影响和人为因素的干扰；缺乏相应的软件系统，实现对角反射器顶点坐标补偿、监控和控制角反射器等。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种常态化运行的高精度自动角反射器系统。为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，包括自动角反射器装置、电子罗盘、通信控制设备、GPS定位仪、供电设备、远程服务器；

所述自动角反射器装置包括支撑平台、云台、安装支架、三角反射器、天线罩，所述天线罩将云台、安装支架、三角反射器罩于支撑平台上；所述云台底部固定连接在支撑平台上，所述云台顶部连接在安装支架一端，所述三角反射器连接在安装支架的另一端；

所述电子罗盘和GPS定位仪设于自动角反射器装置内部，所述电子罗盘固定在三角反射器的底板边缘；

所述供电设备与通信控制设备和云台连接，提供通信控制设备与云台所需电能；

所述通信控制设备包括工控机和RTU模块，其中，

所述工控机分别与RTU模块、云台、GPS定位仪和电子罗盘连接，所述RTU模块与远程服务器通过GPRS信号连接，从而实现通过远程服务器的web网页端对所述工控机进行远程交互的功能；

所述远程服务器包括计算机、运行在计算机上的远程控制软件与角反射器顶点补偿软件，所述远程控制软件用于发出指令信息，通过通信控制设备实现自动角反射装置和供电设备的指令控制、状态监控，角反射器顶点补偿软件用于根据卫星信息计算角反射器方位角和俯仰角，对角反射器顶点在不同角度的三维坐标进行坐标补偿。

优选的，所述三角反射器底面与所述云台顶面的夹角为15°，所述云台控制三角反射器水平方向和垂直方向的旋转。

优选的，所述三角反射器由三个相互垂直的等腰直角三角面组成，直角边长1米。

优选的，所述天线罩采用蜂窝结构的玻璃钢材质，直径为3米，形状为半球状，所述天线罩通过连接法兰固定在支撑平台上。

优选的，所述供电设备的安装位置与天线罩间隔至少10米的距离。

优选的，所述支撑平台为12毫米厚钢板结构，支撑平台底部浇筑混凝土基础，所述混凝土基础外围布设角锥型吸波材料，防止混凝土基础对三角反射器回波产生干扰，所述混凝土基础设置有检修入口。

优选的，所述供电设备包括太阳能供电设备和风能供电设备。

优选的，所述RTU模块与终端设备通过GPRS信号连接，当RTU模块接收到手机短信唤醒的信号后，开启工控机和云台的通电开关，实现供电设备对工控机和云台的供电。

优选的，所述终端设备为手机。

与现有技术相比，本发明是的有益效果如下：

1、通过角反射器、云台的设计，云台的控制指向精度能够达到0.2°以内；

2、通过供电系统和通信控制设备，在安装完成后，角反射器能够自动运行，保证定标自动化、无人化；

3、通过支撑平台和天线罩的设计，保证自动角反射器系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，有效延长角反射器的使用寿命，满足SAR卫星定标常态化的需求；

4、经实际成像验证，自动角反射器在SAR影像中的成像效果较好，且其像点坐标的提取精度较高，可达0.1个像素。

5、能够对对角反射器顶点坐标进行坐标补偿，确保自动角反射器在不同姿态下的定位精度。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构连接示意图；

图2为本发明实施例中自动角反射装置结构示意图；

图3为本发明实施例中云台结构示意图，3(a)为侧面示意图，3(b)为剖面示意图；

图4为本发明实施例中硬件部分各个装置的连接示意图。

图2中标记，1-高精度角反射器，2-安装支架，3-云台，4-支撑平台，5-天线罩，6-混凝土基础，7-人工检修口；

图3中标记，31-外壳前盖，32-外壳后盖，33-支架，34-拨码开关盖，35-托板，36-护罩线缆出线孔，37-水准仪，38-出线孔，39--底座。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本发明的发明构思在于，随着卫星运行时间的增长，定标参数的质量会下降，需要对卫星各项参数进行周期化定标更新定标参数，传统的角反射器布设方法耗费人力、财力大，不具备常态化和自动化运行能力，不满足卫星周期化定标的要求，开放式自动角反射器具备自动化运行能力，但是日常运行中会受到天气等各种因素的影响，时间累积的磨损严重，达到定标常态化的要求。因此，本发明提出了一种常态化运行的高精度自动角反射器系统。其基本原理是：设计一种通信控制设备，连接远程服务器和云台，通过远程服务器实现对角反射器系统的自动控制和监控，通过云台实现对角反射器的指向角度高精度调整，保证整个系统能够自动化运行；设计一套供电设备和天线罩装置，通过供电设备提供整个系统运行的动力来源，通过天线装置将整个系统进行封闭，保护其不受高低温、雨雪、大风、沙尘暴等自然因素和各种人为因素的影响，保证整个系统能够常态化运行。

同时考虑到角反射器主要应用于几何定标等场景，在远程服务器端开发了远程控制软件和角反射器顶点补偿软件，能够根据卫星轨道信息计算方位角和俯仰角、监控和控制角反射器、补偿角反射器的顶点坐标，保证自动角反射器的高定位精度。

如图1所示，一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，硬件部分包括高精度自动三角反射器装置、电子罗盘、通信控制设备、GPS定位仪、供电设备，软件部分包括远程服务器端，装有远程控制监测软件、角反射器顶点坐标补偿软件。

自动角反射器装置的结构如图2，修建组装过程如下：首先浇筑混凝土基础6，混凝土基础保留检修入口7，浇筑完成后测量混凝土基础的中心点准确坐标，然后安装支撑平台4，支撑平台4为12毫米厚钢板结构，下方固定有支撑作用的网状钢板结构，通过膨胀螺栓固定在混凝土浇筑基础上。云台3底座与地面预制的钢制支撑平台4机械连接，在安装云台3底座时，保持云台水平泡在水平仪的中间位置。云台3顶部连接2安装支架，角反射器1的底部通过机械接口固定在安装支架2上，在待机状态下，角反射器1底部与云台3顶部保持15°的夹角，以保证所述角反射器1的平衡和快速响应、降低云台3俯仰角度范围的需求。在连接安装通信控制设备、供电设备后，安装天线罩5，天线罩5通过连接法兰固定在支撑平台4上，将云台3和角反射器1保护在封闭空间内。混凝土基础6外围布设角锥形吸波材料，该材料以高性能泡沫塑料为载体，阻燃耐高温，对雷达波束具有较好的散射和隔离衰减性能，能够有效消除微波污染。

高精度三角反射器1选用蜂窝铝板作为角反射器的材料，由三个等腰直角三角面组成，三角面的腰长度为1米，考虑到加工尺寸的误差会影响RCS(Radar Cross section)的精度，应将尺寸误差控制在1毫米以内，组成角反射器的三个金属板相互垂直，角度误差应控制在1°以内，同时尽量保持角反射器面的平整。

云台3的结构如图3，底座39通过标准机械接口安装在支撑平台4上，顶部通过左右轴的螺钉将角反射器1固定，使用十字螺丝刀松动靠近托板35出线一端的拨码开关盖34上的十字螺钉，将拨码开关盖34取下，对线路板上的拨码开关进行设置，设置角反射器1待机指向、云台通信协议、云台通信波特率、云台地址等。安装结束后，云台的电源线、信号线通过图4所示的方式连接。在运行之前，云台会进行自检，测试其各项基本动作是否正常。

天线罩5采用蜂窝结构的玻璃钢材质，直径为3米，形状为半球状(一体化成形)，外表面应保证平滑光亮、无气泡、针眼、龟裂、胶衣剥落缺陷及杂色，对雷达波束无干扰或者干扰极低，达到全向透波损耗在0.5dB±0.1dB左右的要求

通信控制设备由工控机和RTU模块组成，RTU模块负责介入互联网并自动接入远程服务器，工控机负责数据的双向传输和云台命令的解析和下达，工控机与RTU模块连接，最终通过远程服务器的web网页端对所述工控机进行远程交互。通信控制设备连接GPS定位仪，具备监测防盗功能，通信控制设备连接电子罗盘，电子罗盘固定在角反射器的底板边缘，姿态测量精度在1°以内，负责监控角反射器姿态。为防止云台对电子罗盘的电磁干扰，云台装有防磁材料。

供电设备由太阳能电池板、太阳能控制器、小型风力发电机、蓄电池和逆变器等组成，提供控制与通信设备、云台运行所需电能；太阳能电池板将太阳能转换为电能，风力发电机将风能转换为电能，两者均通过风光互补控制器连接到蓄电池；蓄电池存于蓄电池地埋箱中，并埋于地下，能够防水防腐蚀；蓄电池能够在饱和后没有风没有太阳能补充能量的情况下正常供电10天以上；太阳能电源转接模块能够平衡风能和太阳能充电，保证蓄电池始终处于最佳充电状态，并能够监测蓄电池的电压、电流、电量等参数，太阳能电源转接模块通过信号线与通信控制设备连接，可通过远程控制器实时监控供电设备状态；蓄电池通过变压器与通信控制模块连接，直接与云台连接，为两者提供电量供应，充电设备连接方式如图4。

图4为硬件部分各个设备的连线图，其中工控机、RTU模块(GPRS模块)、太阳能电源转接模块、变压器组装到一个机箱中，①②④⑤⑥⑦外①、外②、外④为电源线，负责硬件部分各个组件的电量供应，③为蓄电池的正负极线，连接变压器和太阳能电源转接模块，外⑤为云台信号线，负责云台和通信控制设备之间的信号传输，⑨为GPS数据线，连接GPS接收器，⑧为GPRS连接线，作为通信控制设备的天线，为电子罗盘数据线，连接电子罗盘，⑩为继电器线，、外③为电池线，连接蓄电池和太阳能电源转接模块。

手机短信唤醒功能的实现方式如下：不需要工控机、云台、电子罗盘、GPS定位仪工作时，供电设备工作，24小时给蓄电池充电，且只有RTU模块以心跳包的方式工作(节省电能)，而GPRS天线、工控机和云台等所有断电；需要设备工作时，RTU接收到手机短信唤醒的信号后，通过自身的继电器开关，给GPRS天线、工控机和云台等所有设备通电，因为工控机和云台的电源线，是从RTU模块接出来的，电源总线接到RTU模块上，从而实现对工控机和云台的通、关电的控制。其中，电子罗盘和GPS等设备是连接在工控机上的，工控机通电时，电子罗盘和GPS等设备自动也通电了，从而实现整体设备的唤醒功能，以节省电能，通电后，远程服务器可以通过GPRS信号实现远程控制功能。

远程服务器用来存储、处理数据和信息，以网站的形式实现远程控制。服务器发送的任何数据均从RTU模块的串口输出，串口接收到的信号会自动发到服务器端，服务器具备日志记录功能。远程服务器安装有远程控制软件和角反射器顶点补偿软件，功能包括根据卫星信息计算角反射器方位角和俯仰角、控制角反射器姿态、对角反射器顶点在不同角度的三维坐标进行坐标补偿，可进行云台断电启动、方位角、俯仰角设置、命令下达等。

根据卫星信息计算角反射器方位角和俯仰角的原理是由于云台系统内部零位指向与地理磁北方向存在安置误差，在运行时需要根据地理方位角和俯仰角减掉安装误差，得到云台的方位角和俯仰角。角反射器顶点坐标补偿原理是，由于云台的移动轴与角反射器顶点有一定的偏移，在实际运行时，需要根据云台实际转动的角度和云台角反射器之间的角度关系，得到真实的顶点坐标值，从而保证定标的准确性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：包括自动角反射器装置、电子罗盘、通信控制设备、GPS定位仪、供电设备、远程服务器；

所述自动角反射器装置包括支撑平台、云台、安装支架、三角反射器、天线罩，所述天线罩将云台、安装支架、三角反射器罩于支撑平台上；所述云台底部固定连接在支撑平台上，所述云台顶部连接在安装支架一端，所述三角反射器连接在安装支架的另一端；

所述电子罗盘和GPS定位仪设于自动角反射器装置内部，所述电子罗盘固定在三角反射器的底板边缘；

所述供电设备与通信控制设备和云台连接，提供通信控制设备与云台所需电能；

所述通信控制设备包括工控机和RTU模块，其中，

所述工控机分别与RTU模块、云台、GPS定位仪和电子罗盘连接，所述RTU模块与远程服务器通过GPRS信号连接，从而实现通过远程服务器的web网页端对所述工控机进行远程交互的功能；

所述远程服务器包括计算机、运行在计算机上的远程控制软件与角反射器顶点补偿软件，所述远程控制软件用于发出指令信息，通过通信控制设备实现自动角反射装置和供电设备的指令控制、状态监控，角反射器顶点补偿软件用于根据卫星信息计算角反射器方位角和俯仰角，对角反射器顶点在不同角度的三维坐标进行坐标补偿。

2.如权利要求1所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述三角反射器底面与所述云台顶面的夹角为15°，所述云台控制三角反射器水平方向和垂直方向的旋转。

3.如权利要求2所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述三角反射器由三个相互垂直的等腰直角三角面组成，直角边长1米。

4.如权利要求3所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述天线罩采用蜂窝结构的玻璃钢材质，直径为3米，形状为半球状，所述天线罩通过连接法兰固定在支撑平台上。

5.如权利要求4所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述供电设备的安装位置与天线罩间隔至少10米的距离。

6.如权利要求5所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述支撑平台为12毫米厚钢板结构，支撑平台底部浇筑混凝土基础，所述混凝土基础外围布设角锥型吸波材料，防止混凝土基础对三角反射器回波产生干扰，所述混凝土基础设置有检修入口。

7.如权利要求1所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述供电设备包括太阳能供电设备和风能供电设备。

8.如权利要求1所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述RTU模块与终端设备通过GPRS信号连接，当RTU模块接收到手机短信唤醒的信号后，开启工控机和云台的通电开关，实现供电设备对工控机和云台的供电。

9.如权利要求8所述的一种常态化运行的高精度自动角反射器系统，其特征在于：所述终端设备为手机。