CN219201967U

CN219201967U - 一种基于gnss的火箭tpu探空仪

Info

Publication number: CN219201967U
Application number: CN202320027462.7U
Authority: CN
Inventors: 杨加春; 穆祥杰; 朱立超; 徐洁; 陈忠; 左吉桦
Original assignee: Tianjin Huayun Tianyi Special Meteorological Detection Technology Co ltd
Current assignee: Tianjin Huayun Tianyi Special Meteorological Detection Technology Co ltd
Priority date: 2023-01-05
Filing date: 2023-01-05
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2033-01-05

Abstract

本实用新型提供了一种基于GNSS的火箭TPU探空仪，属于气象探空技术领域，缓解了现有技术中存在的探空仪采集数据精度低技术问题。包括主控单元、定位导航单元、测量电路、传感器和射频收发电路；所述主控单元，用于控制所述定位导航单元、所述测量电路和所述射频收发电路；所述定位导航单元，其与所述主控单元相连，用于通过GNSS进行定位；所述测量电路，其与所述主控单元相连，用于采集所述传感器获取的数据；所述传感器，其与所述测量电路相连，用于获取温度值、湿度值和大气压力值；所述射频收发电路，其与所述主控单元相连，用于所述主控单元将数据通过射频收发电路发射。

Description

一种基于GNSS的火箭TPU探空仪

技术领域

本实用新型涉及气象探空技术领域，尤其是涉及一种基于GNSS的火箭TPU探空仪。

背景技术

火箭探空仪由近海台风探测远程投送到台风内部，探测台风内部温度、气压、湿度、风向、风速气象参数，并将探测参数传输给地面接收系统。以往传统探空仪结构复杂，功耗大、体积大、重量高，在实际使用时局限性较大；高空气象观测资料在大气遥感观测真实性检验和校准检验中发挥着无可替代的基准作用。鉴于此，观测数据资料的准确性就显得尤为重要。无线电探空仪因其探测数据实时、高效，已成为高空气象探测中最常用的探测工具。其具体工作原理为：探空仪收发设备负责将测量的原始值经计算转换为气象要素值，然后将相关信息通过编码调制模块传送给放大模块经天线发回地面接收，探空仪能够存储仪器参数，并能在地面基测时将信息传送给地面。由此可见探空仪的性能优劣，直接关系到测量精确度和稳定度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于GNSS的火箭TPU探空仪，缓解了现有技术中存在的探空仪采集数据精度低技术问题。

本实用新型提供的一种基于GNSS的火箭TPU探空仪，包括：主控单元、定位导航单元、测量电路、传感器和射频收发电路；

所述主控单元，用于控制所述定位导航单元、所述测量电路和所述射频收发电路；

所述定位导航单元，其与所述主控单元相连，用于通过GNSS进行定位；

所述测量电路，其与所述主控单元相连，用于采集所述传感器获取的数据；

所述传感器，其与所述测量电路相连，用于获取温度值、湿度值和大气压力值；

所述射频收发电路，其与所述主控单元相连，用于所述主控单元将数据通过射频收发电路发射。

进一步的，探空仪还包括电池和电源管理电路；

所述电池与所述电源管理电路相连，用于对电源管理器提供电能；

所述电源管理电路与探空仪相连，用于将电池或外接电源提供的电能进行转换，以对探空仪提供电源。

进一步的，探空仪还包括GNSS天线和收发天线；

所述GNSS天线，其与所述定位导航单元相连，用于获取定位信号；

所述收发天线，其与所述射频收发电路相连，用于接收数据或将所述射频收发电路的数据发送至外部。

进一步的，所述主控单元包括：微处理器、存储器和通信接口；

所述微处理器与所述主控单元相连，用于控制所述定位导航单元、所述测量电路和所述射频收发电路；

所述存储器与所述主控单元相连，用于数据存储；

所述通信接口与所述主控单元相连，用于将数据通过通信接口进行传输。

进一步的，所述主控单元与所述测量电路之间的通信接口包括：SPI、SQI、UART、定时器捕获通道、外部中断、GPIO；

所述主控单元与所述射频收发电路之间通过SQI连接；

所述主控单元与所述定位导航单元之间通过UART连接。

进一步的，所述测量电路包括：温度采集电路、湿度采集电路和大气压力采集电路，各电路分别采集所述传感器获取的温度值、湿度值和大气压力值。

进一步的，所述传感器包括：温度传感器、湿度传感器和硅压阻气压测量模块。

本实用新型通过主控单元、定位导航单元、测量电路、传感器和射频收发电路、电池和电源管理电路以及天线组成，主控单元通过通信接口控制温度/湿度/大气压力采集测量电路完成对应数据的采集。经过对数据进一步处理后，与定位导航单元发出的定位数据进行整合形成数据包。然后主控单元将数据包通过射频收发电路发射出去，并由地面接收系统对数据包进行接收处理。本实用新型提出集成风温度、大气压力、湿度多种类气象参数探测的下投式探空仪，具备在平流层中高层稀薄空气条件下高效测量的能力。传感器具有低功耗、高集成和智能化的特点，适应在平流层以下气象参数变化剧烈且分布范围大的环境，具备随投式探测应用与精确连续探测能力。探测参数能够进行补偿、校正与实时回传，以提高采集数据精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的探空仪结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的GNSS定位导航单元信号处理流程图；

图3为本实用新型实施例提供的通信接口示意图；

图4为本实用新型实施例提供的温度采集处理流程图；

图5为本实用新型实施例提供的大气压力采集处理流程图；

图6为本实用新型实施例提供的基于GNSS的火箭TPU探空仪的探测方法流程图；

图7为本实用新型实施例提供的遥控设备结构框图；

图8为为本实用新型实施例提供的火箭探空近程通信系统框图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图6所示，基于GNSS的火箭TPU探空仪的探测方法，包括以下步骤：

S1:GNSS天线接收导航定位信号。

S2:定位导航单元将信号处理为对应数据并将数据通过通信接口传输至主控单元。

S3:主控单元通过对应的通信接口控制温度采集测量电路、湿度采集测量电路和大气压力采集测量电路获取传感器对应的测量值。

S4:主控单元将测量值数据与定位导航单元发出的定位数据进行整合形成数据包。

S5:主控单元将数据包通过通信接口传输至射频收发电路，射频收发电路按照预设时长和预设发射频率传输至收发天线，收发天线对数据进行发送。

如图1至图6所示，基于GNSS的火箭TPU探空仪的探测方法，具体包括：

步骤S1具体包括：GNSS天线接收导航定位信号。

步骤S2具体包括：

S2-1：导航定位信号经过放大器与滤波器进行放大和滤波处理，处理后将信号传输至定位导航单元。

S2-2：定位导航单元对导航定位信号进行数据处理，并将对应数据通过UART接口传输至主控单元。

步骤S3具体包括：主控单元通过对应的通信接口控制温度采集测量电路、湿度采集测量电路和大气压力采集测量电路获取传感器对应的测量值。

步骤S4具体包括：将测量值数据与定位导航单元发出的定位数据进行整合形成数据包；

步骤S5具体包括：主控单元将数据包通过通信接口传输至400MHz射频收发电路，400MHz射频收发电路按照预设时长和预设发射频率传输至天线，以对数据进行发送。

具体而言：探空仪包括主控单元、定位导航单元、测量电路、传感器、射频收发电路、电源管理电路、GNSS天线和收发天线。

主控单元以微处理器为核心，还包括存储器和通信接口。

请参阅通信接口定义列表：

主控单元与所述测量电路之间的通信接口包括：SPI、SQI、UART、定时器捕获通道、外部中断、GPIO等多种接口。

其中，SPI接口负责控制温度的采集和大气压力的采集。AD_S0、AD_S1是GPIO用于切换多个温度采集通道；定时器捕获通道(IN0)负责进行湿度的测量。

主控单元与所述射频收发电路之间的通信接口为SQI。

其中，F_S0、F_S1是GPIO用于切换多个频率测量通道；SQI接口用于控制无线电发射相关数据以及接收相关设置参数。

主控单元与所述定位导航单元之间的通信接口为UART。

其中，VC1和VC2是GPIO用于在发射与接收状态之间的切换；UART接口用于接收数据以及发送相关设置参数。

电源管理电路包含一个多功能按键，能够实现“一键开关机”功能和探空仪工作模式切换。主电源采用锂电池或者外接电源供电，经过DC-DC变换环节后再经过LDO进行稳压，为整个系统提供电源。

其中，K_IN1、K_IN2、K_OUT用于“一键开关机”功能；I2C接口为预留接口；SWCK(G8)、SWIO(J4)、NRST(C4)、PRTRG(C5)为调试/下载接口。

具体而言，所述测量电路包括：温度采集电路、湿度采集电路和大气压力采集电路，各电路分别采集所述传感器获取的温度值、湿度值和大气压力值。

所述传感器包括：温度传感器、湿度传感器和硅压阻气压测量模块。

其中，根据温度传感器“温度-电阻”特性曲线，对温度的测量转换为对电阻的测量，再通过电阻分压电路将电阻的测量转换为电压的测量。通过高精度A/D转换器测量出分压后的电压值，经转换后最终得到温度测量值。

利用湿度传感器“湿度-电容”特性，通过555定时器芯片组成多谐振动器。电路的输出信号频率将随着湿度传感器的电容值的改变而改变。这就实现了将对湿度的测量转换为频率的测量。对于测量频率，可以通过主控单元内部的定时器捕获通道，由硬件自动测量出信号的周期，经过转换即可得到相应的信号频率值，进而计算得出湿度值。

大气压力的测量采用硅压阻气压测量模块。

本实用新型实施例具有以下技术效果：

1.硅压阻气压测量模块，其具有精度高、线性度以及长期稳定性和电磁兼容性好、封装小巧紧凑等特点，适用于低功耗应用场合。

2.400MHz射频收发电路具备半双工收/发功能，最大发射功率可达19±1dBm，能够用于探空数据的远距离传输，提高数据的传输效率。

3.各传感器具有低功耗、高集成和智能化的特点，适应在平流层以下气象参数变化剧烈且分布范围大的环境，具备随投式探测应用与精确连续探测能力。探测参数能够进行补偿、校正与实时回传。

4.本实施例具有硬件标准化、数据处理标准化和数据质量控制标准化的特点，能够提高数据的传输效率以及数据的精准性。

如图7和图8所示，本实施例中火箭探空近程通信系统为：

火箭探空中近程通信系统为星型网络，包括1个路由节点和6个终端节点。

其中，路由节点与遥控设备连接，6个终端节点与6个探空仪连接。通过遥控设备无线控制探空仪电源的通断，并在遥控端显示探空仪的部分状态。

遥控设备包括：电源模块、近程通信模块、触摸屏交互模块。

其中，近程通信模块包括：单片机MCU和功率放大器。

单片机MCU采用CC253X单片机，其内部集成了IEEE 802.15.4兼容无线收发器，可建立/加入ZigBee局域网络。

近程通信模块预留了TTL串口、下载调试接口。TTL串口用于与触摸屏交互模块进行数据交互。

探空仪端的近程通信模块与探空仪连接，其中，近程通新模块预留TTL串口、下载调试接口、休眠控制IO、电压采集IO。

功率放大器采用RFX2401C。

遥控设备、探空仪均配备近程通信模块，上电自动建立和加入ZigBee局域网络中。每个近程通信模块预留TTL串口，用于与探空仪或上位机进行数据交互。

遥控设备的程通信模块上电自动建立ZigBee局域网络，遥控设备的触摸屏可用于显示探空仪的各种状态及信息，如：入网状态、休眠状态、电池电压等，也可用于无线控制探空仪进入、退出休眠，开始、停止电压采集。

探空仪配备的近程通信模块上电自动加入局域网络中，上电默认不休眠。

本系统具有以下技术效果：

火箭探空任务中利用近程通信模块实现探空仪进入、退出休眠的无线控制。探空仪装入火箭舱体后，在一定范围内通过遥控设备与探空仪进行无线交互，灵活方便。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例所提供的装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本实用新型实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本实用新型的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

又例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，再例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于GNSS的火箭TPU探空仪，其特征在于，包括：主控单元、定位导航单元、测量电路、传感器和射频收发电路；

2.根据权利要求1所述的探空仪，其特征在于，还包括电池和电源管理电路；

3.根据权利要求1所述的探空仪，其特征在于，还包括GNSS天线和收发天线；

4.根据权利要求1所述的探空仪，其特征在于，所述主控单元包括：微处理器、存储器和通信接口；

所述存储器与所述主控单元相连，用于数据存储；

5.根据权利要求4所述的探空仪，其特征在于，所述主控单元与所述测量电路之间的通信接口包括：SPI、SQI、UART、定时器捕获通道、外部中断、GPIO；

所述主控单元与所述射频收发电路之间通过SQI连接；

所述主控单元与所述定位导航单元之间通过UART连接。

6.根据权利要求5所述的探空仪，其特征在于，所述测量电路包括：温度采集电路、湿度采集电路和大气压力采集电路，各电路分别采集所述传感器获取的温度值、湿度值和大气压力值。

7.根据权利要求6所述的探空仪，其特征在于，所述传感器包括：温度传感器、湿度传感器和硅压阻气压测量模块。