CN2771877Y - 下投式数字测风装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种下投式数字测风装置，它涉及大气探测仪器领域中的一种对高空风速、风向进行实时测量的测风仪器设备。它由接口模块、控制解算器、接收模块、信号转发器模块、投落控制器等部件构成机载控制解算部分，由发送模块、定位模块、减速机构、电源开关控制模块、电源模块等部件构成探空仪部分。它采用飞行器下投探空仪自动完成对高空风速风向实时高精度测量的目的。本实用新型还具有集成化程度高、体积小、功耗低、抗干扰能力强、操作应用方便等特点，特别适用于在特殊环境条件下作高空风速、风向实时测量的测风装置。

Description

下投式数字测风装置

技术领域

本实用新型涉及大气探测仪器领域中的一种下投式数字测风装置，特别适用于对高空风速、风向进行实时测量应用的一种测风仪器设备。

背景技术

定位系统(简称GPS)技术测风是20世纪90年代获得应用的测量系统，目前已成为大气风场测量的重要手段。GPS定位系统其测风原理是利用卫星通过确定大气中自由运动目标的位置变化来确定目标所在处的风向和风速。由于GPS系统可以对目标进行高精度的定值，因此理论上，这种测风系统的精度也较高。

目前采用GPS技术测风有两种方式。一种是测多卜勒频移方式，美国AIR公司和芬兰Vaisala公司都采用了测多卜勒方式测量风速、风向。该方式测量GPS卫星发出的信号到达探空仪时，由于探空仪与GPS卫星的相对运动而产生的多卜勒频移，并由此计算风向风速。这在当时的条件下，选定这种方式，显然是合适的。但随着GPS应用的迅速发展，这种方式设备复杂、成本价格贵、用户使用困难。

另一种称之为定位方式。目前国内已经出现采用探空气球携带GPS及传感器进行上升式高空风速、风向的测量，可是对于一些特殊的使用场所、环境和用途，如不能满足测试人员进行现场地面释放探空仪的场地，就不能满足对高空风速实时探测的要求。同样使用中存在一定的困难。

发明内容

实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种下投探空仪自动完成对高空风速、风向进行高精度实时测量的下投式数字测风装置，且本实用新型还具有操作应用方便、数字集成化程度高、体积小、功耗低、抗干扰能力强、能在特殊环境条件下应用等特点。

本实用新型的目的是这样实现的：它的机载控制解算部分由接口模块1、控制解算器2、接收模块3、信号转发器模块4、探空仪投落控制器5组成，探空仪部分由减速机构6、发射模块7、定位模块8、电源开关控制模块9、电源模块10组成，其中接口模块1出入端口1与飞行器控制信号端口A连接，其出入信号端口2、4、5分别与控制解算器2、接收模块3、探空仪投落控制器5各出入端口1连接，其入端口6与外接电源+V2电压端连接，其出端电源+V2电压端口7、3、8、9分别与控制解算器2、信号转发器模块4、接收模块3、探空仪投落控制器5各电源入端口2连接；接收模块3入端口3与发射模块7出端口2信号接收发送连接，信号转发器模块4出端口1与定位模块8入端口2信号接收发送连接，探空仪投落控制器5出端口3与减速机构6入端口2连接，电源开关控制模块9各出入端口1、2、3分别与减速机构6、发射模块7、定位模块8各出入端口1连接，电源模块10出端+V1电压端与电源开关控制模块9入端口4连接。

本实用新型的目的还可以通过以下措施达到：

本实用新型机载控制解算部分中的控制解算器2由控制解算模块11、控制驱动模块12、电源模块13、串口驱动模块14、存储模块15、时钟模块16、液晶显示器17组成，其中串口驱动模块14出入端1至8脚通过8根数据总线与控制解算模块11出入端17至24脚连接，其入端9脚与接口模块1信号端口2连接；控制解算模块11出入端1至8脚通过8根数据总线与控制驱动模块12出入端1至8脚连接、其出入端9至16脚通过8根总线与电源模块13出入端1至8脚连接、出入端25至32脚通过8根数据总线与存储模块15出入端1至8脚连接、入端33脚与时钟模块16出端1脚连接、入端34脚与接口模块1出端口7电源+V2电压端并接、入端35脚接地端、入端36至43脚与液晶显示器17入端1至8脚连接；控制驱动模块12、电源模块13、串口驱动模块14、存储模块15、时钟模块16各入端10脚分别与接口模块1出端口7电源+V2电压端并接、各入端11脚并接地端。

本实用新型机载控制解算部分中的信号转发器模块4由外天线18、两路低噪放大器19-1、19-2、两路主放大器20-1、20-2、功率合成器21、缓冲放大器22、内天线23组成，其中外天线18出端1脚与一路低噪放大器19-1入端1脚连接、出端2脚与另一路低噪放大器19-2入端1脚连接、两路低噪放大器19-1、19-2各出端2脚分别串接两路主放大器20-1、20-2后分别与功率合成器21入端1、2脚连接；功率合成器21出端3脚串接缓冲放大器22后与内天线23入端1脚连接、两路低噪放大器19-1、19-2、两路主放大器20-1、20-2、缓冲放大器22各入端5脚分别与接口模块1出端口3电源+V2电压端并接、各入端4脚与地端并接；外天线18入端3脚与海事卫星信号、及GPSL1、GPSL2定位信号出端口B连接，内天线23出端2脚发送信号至定位模块8入端口2。

本实用新型探空仪部分的减速机构6包括下投控制器25、切割器26、引导伞27、伞包28、主伞29、探测线30、控制线31、捆绑绳32，其中探空仪投落控制器5出端口3通过探测线30与下投控制器25入端2脚连接，下投控制器25出端1脚通过控制线31与切割器26入端1脚连接、其入端4脚接地端，下投控制器25、切割器26各入端3脚与电源开关控制模块9出端口2电源+V1电压端连接、切割器26通过捆绑绳32与引导伞27连接，引导伞27与伞包28、主伞29、电源开关控制模块9之间通过绳子串连连接。

本实用新型相比背景技术具有如下优点：

1.本实用新型由于在机载控制解算部分中设置了控制解算器2、信号转发器模块4、探空仪部分中设置了定位模块8，能实时完成对高空风速、风向的测量，同时大大的提高了测量精度。

2.本实用新型由于设置了探空仪投落控制器5、减速机构6等部件能自动完成整个测风过程，不需要人工干预，用户操作应用方便。

3.本实用新型应用器件采用大规模可编程集成电路制作，因而具有集成化程度高、体积小、功耗低、数字式工作抗干扰能力强，特别能在一些特殊环境条件下完成风速、风向测量。

附图说明

图1是本实用新型的电原理方块图。

图2是本实用新型机载控制解算部分中控制解算器2的实施例电原理图。

图3是本实用新型机载控制解算部分中信号转发器模块4的实施例电原理图。

图4是本实用新型探空仪部分中减速机构6的实施例电原理及连接示意图。

具体实施方式

参照图1至图4，本实用新型机载控制解算部分由接口模块1、控制解算器2、接收模块3、信号转发器模块4、探空仪投落控制器5组成，探空仪部分由减速机构6、发射模块7、定位模块8、电源开关控制模块9、电源模块10组成，整个装置按图1连接线路组装，其中接口模块1作用完成机载控制解算部分与飞行器之间的电源和通信接口，其入端口6外接飞行器提供+V2电源电压，由接口模块1对提供的+V2电压进行DC-DC转换，然后对其他模块电路提供变换后的+V2电压，实施例由飞行器提供的+5V电压变换成+3V电压对其他模块电路供电，同时接口模块1还对控制解算器2、接收模块3、探空仪投落控制器5之间的通信信号和控制信号进行转接，其入端口1与控制信号端口A输入飞行器提供的投落通信进行转接传输给其他模块电路，实施例：接口模块1中+V2电压DC-DC转换电路采用LM117型DC转换集成芯片制作、TTL电平转RS232接口电平采用MAX3231型由集成芯片制作、控制通信信号接口采用EPM3064型译码集成芯片制作。

本实用新型控制解算器2其作用接受飞行器由A端口经接口模块1输入的指令，控制探空仪投落控制器5对探空仪部分进行投落，接收模块3接收探空仪部分位置信息输入控制解算器2由其对位置信息进行实时处理，获得实时风速、风向的解算结果。本实用新型控制解算器2由控制解算模块11、控制驱动模块12、电源模块13、串口驱动模块14、存储模块15、时钟模块16、液晶显示器17组成，图2是本实用新型控制解算器2的实施例电原理图，且按其连接线路。控制解算模块11其作用是提供对风速、风向测量控制及实时计算风速、风向测量结果，实施例采用市售M6117D型可编程集成芯片制作。控制驱动模块12作用是提供探空仪投落控制器5的投落控制操作指令信号，由其1至8脚输入控制解算模块11处理后经接口模块1输入探空仪投落控制器5，实施例采用市售SN764245型控制集成芯片制作。电源模块13作用提供DC-DC转换，把飞行器提供+V2电源的+5V电压转换成+V2电源的+3V电压，作为各部件的供电电压，实施例采用市售LM2672型电源转换模块制作。串口驱动模块14作用提供接收模块3的对应通信接口，接收模块3接收的测试数据通过接口模块1、再经串口驱动模块14的其1至8脚输入控制解算模块11处理，完成测试过程，实施例采用市售MAX232型串口集成芯片制作。存储模块15作用是存储测风数据，由其1至8脚与控制解算模块11连接完成数据的存储过程，实施例采用市售MD2202-D16-X型存储集成芯片制作。时钟模块16作用是提供控制解算模块11的50至80MHz的时钟信号，作为测量参考基准信号源，实施例采用市售通用集成晶振源制作。液晶显示器17作用是对控制解算模块11提供的实时风速、风向测试结果进行显示，实施例采用市售TP6508IQ型液晶显示集成芯片制作。

本实用新型接收模块3作用接收探空仪部分发射模块7传递的测风数据信号，把接收的测风数据信号经接口模块1输入控制解算器2数据处理获得测试结果，实施例采用市售通用的商用接收机制作。探空仪投落控制器5其作用接收控制解算器2输入的投落控制操作指令信号，输入至探空仪部分的减速机构6，控制探空仪部分的投落，实施例采用市售EPM306C型译码可编程集成芯片制作。本实用新型信号转发器模块4作用是将飞行器外部的海事卫星信号和GPS-L1、GPS-L2定位信号转发到飞行器内部，即将上述三种信号接收并发送至探空仪部分中的定位模块8，供定位模块8初始化。信号转发器模块4由外天线18、两路低噪放大器19-1、19-2、两路主放大器20-1、20-2、功率合成器21、缓冲放大器22、内天线23组成，图3是本实用新型信号转发器模块4实施例电原理图，且按其连接线路。外天线8用来同时接收海事卫星信号和GPS-L1、GPS-L2信号，实施例采用通用微带天线制作，一般安装在飞行器外部。两路低噪放大器19及两路主放大器20作用是放大器接收的海事卫星信号和GPS-L1、GPS-L2定位信号，第一路低噪放大器19-1及主放大器20-1主要用来放大海事卫星信号和GPS-L1定位信号，第二路低噪放大器19-2及主放大器20-2主要用来放大GPS-L2定位信号，实施例低噪放大器19采用市售MGA-53543型集成低噪放大器件制作，主放大器20采用市售ADA-4643型放大集成器件制作。功率合成器21作用把经过放大后的一路海事卫星信号和两路GPS-L1、GPS-L2定位信号合成一路信号输出至缓冲放大器22，再经缓冲放大器22放大后由内天线23把合成一路的三个信号发送至定位模块8，实施例功率合成器21采用自制的功率合成器件制作，缓冲放大器22采用市售ADA-4743型集成放大器件制作，内天线23采用通用微带天线制作，一般安装在飞行器内部。

本实用新型探空仪部分的发射模块7作用发送定位模块8输出的精确实时定位信号及风速、风向数据信号至接收模块3，与接收模块3组成通信链路，实施例采用市售商用发送机制作。定位模块8作用是采用广域差分原理实时解算探空仪部分精确位置，以及被测的风速、风向数据信号，实施例采用市售GDS型接收模块制作。电源开关控制模块9作用控制发射模块7、定位模块8定时加电，提供工作电源电压，控制减速机构6中下投控制器25工作投落操作，工作电源电压由电源模块10提供，实施例电源开关控制模块9中信号控制部分采用市售LM267型控制集成块制作，电源开关控制部分采用NDS940型开关集成块制作。电源模块10采用市售锂离子电源制作。

本实用新型探空仪部分的减速机构6其作用控制探空仪的投落及探空仪的稳降速度，它由下投控制器25、切割器26、引导伞27、伞包28、主伞29、探测线30、控制线31、捆绑绳32构成，图4是本实用新型减速机构6实施例电原理及连接示意图，且按其连接线路及安装引导伞27、伞包28、主伞29。由探空仪投落控制器5通过探测线30提供投落指令至下投控制器25，下投控制器25通过控制线31发送开伞信号至切割器26，切割器26接到开伞信号后切断捆绑绳32，使探空仪部分各部件下投降落，打开引导伞27、伞包28、主伞29控制稳降速度，进行实用风速、风向的测量。实施例下投控制器25采用EPLD EPM3024型可编程逻辑器件制作，切割器26采用市售通用的WD803型切割器制作，探测线30及控制线32均采用一般的连接导线制作，捆绑绳32采用市售尼龙绳制作。引导伞27、伞包28、主伞29均采用尼龙布材料自制而成下投稳速降落伞型装具。

本实用新型简要工作原理如下：

风速、风向是指空气水平运动的速度和方向。其原理空气中自由下落的物体受到风力的作用在水平方向将产生一定的运动。如果能够精确地测量出物体的运动轨迹，建立合理的测风数学模型就能够解算出作用在物体上风力的风速、风向参数。物体的运动轨迹由一些离散的位置信息组成，其精度将直接影响到风速、风向参数解算的精度。

本实用新型在测风时，在飞行器起飞之前，首先设定电源开关控制模块9的定时开关时间，使定位模块8在开始测风前进行自动加电工作，且接收信号转发器模块4发送的海事卫星信号和GPS-L1、GPS-L2定位信号进行初始化。完成初始化后，飞行器通过A端口及接口模块1向控制解算器2发送下投指令，控制解算器2接受该指令并向探空仪投落控制器5发送投落控制信号，探空仪投落控制器5控制下投控制器25、切割器26，切断捆绑绳32下投探空仪部分各部件，探空仪部分各部件下落过程中经过开伞、稳定后开始以1次/秒的频度输出定位模块8的精度位置信息，并将该信息经过电源开关控制模块9传送至发送模块7进行发送，发送的定位信息由接收模块3接收后通过接口模块1传送给控制解算器2，控制解算器2根据该信息依据测风数学模型解算出不同高度的风速、风向，由液晶显示器17显示实时测风结果，完成整个测风过程。

本实用新型安装结构如下：首先把机载控制解算部分各部件安装在一个长×宽×高为215×120×55毫米的屏敝结构件中，把探空仪部分的各电路部件及引导伞27、伞包28、主伞29组装成能下投的探空仪，然后把图1中所有部件按上下两部分分别安装在一个长×宽×高为262×171×388毫米的测风箱体内，探空仪部分通过4根绳子吊挂在测风箱体顶部，在测风箱体顶部上还安装测风指令输入端口A及与飞行器主控器连接的插座，组装成本实用新型。

Claims (4)

1.一种下投式数字测风装置，机载控制解算部分由接口模块(1)、接收模块(3)、探空仪投落控制器(5)组成，探空仪部分由发射模块(7)、定位模块(8)、电源开关控制模块(9)、电源模块(10)组成，其特征在于：机载控制解算部分还有控制解算器(2)、信号转发器模块(4)组成，探空仪部分还有减速机构(6)组成，其中接口模块(1)出入端口1与飞行器控制信号端口(A)连接，其出入信号端口2、4、5分别与控制解算器(2)、接收模块(3)、探空仪投落控制器(5)各出入端口1连接，其入端口6与外接电源+V2电压端连接，其出端电源+V2电压端口7、3、8、9分别与控制解算器(2)、信号转发器模块(4)、接收模块(3)、探空仪投落控制器(5)各电源入端口2连接；接收模块(3)入端口3与发射模块(7)出端口2信号接收发送连接，信号转发器模块(4)出端口1与定位模块(8)入端口2信号接收发送连接，探空仪投落控制器(5)出端口3与减速机构(6)入端口2连接，电源开关控制模块(9)各出入端口1、2、3分别与减速机构(6)、发射模块(7)、定位模块(8)各出入端口1连接，电源模块(10)出端+V1电压端与电源开关控制模块(9)入端口4连接。

2.根据权利要求1所述的下投式数字测风装置，其特征在于：机载控制解算部分中的控制解算器(2)由控制解算模块(11)、控制驱动模块(12)、电源模块(13)、串口驱动模块(14)、存储模块(15)、时钟模块(16)、液晶显示器(17)组成，其中串口驱动模块(14)出入端1至8脚通过8根数据总线与控制解算模块(11)出入端17至24脚连接，其入端9脚与接口模块(1)信号端口2连接；控制解算模块(11)出入端1至8脚通过8根数据总线与控制驱动模块(12)出入端1至8脚连接、其出入端9至16脚通过8根总线与电源模块(13)出入端1至8脚连接、出入端25至32脚通过8根数据总线与存储模块(15)出入端1至8脚连接、入端33脚与时钟模块(16)出端1脚连接、入端34脚与接口模块(1)出端口7电源+V2电压端并接、入端35脚接地端、入端36至43脚与液晶显示器(17)入端1至8脚连接；控制驱动模块(12)、电源模块(13)、串口驱动模块(14)、存储模块(15)、时钟模块(16)各入端10脚分别与接口模块(1)出端口7电源+V2电压端并接、各入端11脚并接地端。

3.根据权利要求1或2所述的下投式数字测风装置，其特征在于：机载控制解算部分中的信号转发器模块(4)由外天线(18)、两路低噪放大器(19-1)、(19-2)、两路主放大器(20-1)、(20-2)、功率合成器(21)、缓冲放大器(22)、内天线(23)组成，其中外天线(18)出端1脚与一路低噪放大器(19-1)入端1脚连接、出端2脚与另一路低噪放大器(19-2)入端1脚连接、两路低噪放大器(19-1)、(19-2)各出端2脚分别串接两路主放大器(20-1)、(20-2)后分别与功率合成器(21)入端1、2脚连接；功率合成器(21)出端3脚串接缓冲放大器(22)后与内天线(23)入端1脚连接、两路低噪放大器(19-1)、(19-2)、两路主放大器(20-1)、(20-2)、缓冲放大器(22)各入端5脚分别与接口模块(1)出端口3电源+V2电压端并接、各入端4脚与地端并接；外天线(18)入端3脚与海事卫星信号、及GPSL1、GPSL2定位信号出端口(B)连接，内天线(23)出端2脚发送信号至定位模块(8)入端口2。

4.根据权利要求3所述的下投式数字测风装置，其特征在于：探空仪部分的减速机构(6)包括下投控制器(25)、切割器(26)、引导伞(27)、伞包(28)、主伞(29)、探测线(30)、控制线(31)、捆绑绳(32)，其中探空仪投落控制器(5)出端口3通过探测线(30)与下投控制器(25)入端2脚连接，下投控制器(25)出端1脚通过控制线(31)与切割器(26)入端1脚连接、其入端4脚接地端，下投控制器(25)、切割器(26)各入端3脚与电源开关控制模块(9)出端口2电源+V1电压端连接、切割器(26)通过捆绑绳(32)与引导伞(27)连接，引导伞(27)与伞包(28)、主伞(29)、电源开关控制模块(9)之间通过绳子串连连接。

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