專利名稱：下投式數字測風裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及大氣探測儀器領域中的一種下投式數字測風裝置，特別適用于對高空風速、風向進行實時測量應用的一種測風儀器設備。
背景技術：
定位系統(tǒng)(簡稱GPS)技術測風是20世紀90年代獲得應用的測量系統(tǒng)，目前已成為大氣風場測量的重要手段。GPS定位系統(tǒng)其測風原理是利用衛(wèi)星通過確定大氣中自由運動目標的位置變化來確定目標所在處的風向和風速。由于GPS系統(tǒng)可以對目標進行高精度的定值，因此理論上，這種測風系統(tǒng)的精度也較高。
目前采用GPS技術測風有兩種方式。一種是測多卜勒頻移方式，美國AIR公司和芬蘭Vaisala公司都采用了測多卜勒方式測量風速、風向。該方式測量GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號到達探空儀時，由于探空儀與GPS衛(wèi)星的相對運動而產生的多卜勒頻移，并由此計算風向風速。這在當時的條件下，選定這種方式，顯然是合適的。但隨著GPS應用的迅速發(fā)展，這種方式設備復雜、成本價格貴、用戶使用困難。
另一種稱之為定位方式。目前國內已經出現采用探空氣球攜帶GPS及傳感器進行上升式高空風速、風向的測量，可是對于一些特殊的使用場所、環(huán)境和用途，如不能滿足測試人員進行現場地面釋放探空儀的場地，就不能滿足對高空風速實時探測的要求。同樣使用中存在一定的困難。

發(fā)明內容
實用新型的目的在于避免上述背景技術中的不足之處而提供一種下投探空儀自動完成對高空風速、風向進行高精度實時測量的下投式數字測風裝置，且本實用新型還具有操作應用方便、數字集成化程度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強、能在特殊環(huán)境條件下應用等特點。
本實用新型的目的是這樣實現的它的機載控制解算部分由接口模塊1、控制解算器2、接收模塊3、信號轉發(fā)器模塊4、探空儀投落控制器5組成，探空儀部分由減速機構6、發(fā)射模塊7、定位模塊8、電源開關控制模塊9、電源模塊10組成，其中接口模塊1出入端口1與飛行器控制信號端口A連接，其出入信號端口2、4、5分別與控制解算器2、接收模塊3、探空儀投落控制器5各出入端口1連接，其入端口6與外接電源+V2電壓端連接，其出端電源+V2電壓端口7、3、8、9分別與控制解算器2、信號轉發(fā)器模塊4、接收模塊3、探空儀投落控制器5各電源入端口2連接；接收模塊3入端口3與發(fā)射模塊7出端口2信號接收發(fā)送連接，信號轉發(fā)器模塊4出端口1與定位模塊8入端口2信號接收發(fā)送連接，探空儀投落控制器5出端口3與減速機構6入端口2連接，電源開關控制模塊9各出入端口1、2、3分別與減速機構6、發(fā)射模塊7、定位模塊8各出入端口1連接，電源模塊10出端+V1電壓端與電源開關控制模塊9入端口4連接。
本實用新型的目的還可以通過以下措施達到本實用新型機載控制解算部分中的控制解算器2由控制解算模塊11、控制驅動模塊12、電源模塊13、串口驅動模塊14、存儲模塊15、時鐘模塊16、液晶顯示器17組成，其中串口驅動模塊14出入端1至8腳通過8根數據總線與控制解算模塊11出入端17至24腳連接，其入端9腳與接口模塊1信號端口2連接；控制解算模塊11出入端1至8腳通過8根數據總線與控制驅動模塊12出入端1至8腳連接、其出入端9至16腳通過8根總線與電源模塊13出入端1至8腳連接、出入端25至32腳通過8根數據總線與存儲模塊15出入端1至8腳連接、入端33腳與時鐘模塊16出端1腳連接、入端34腳與接口模塊1出端口7電源+V2電壓端并接、入端35腳接地端、入端36至43腳與液晶顯示器17入端1至8腳連接；控制驅動模塊12、電源模塊13、串口驅動模塊14、存儲模塊15、時鐘模塊16各入端10腳分別與接口模塊1出端口7電源+V2電壓端并接、各入端11腳并接地端。
本實用新型機載控制解算部分中的信號轉發(fā)器模塊4由外天線18、兩路低噪放大器19-1、19-2、兩路主放大器20-1、20-2、功率合成器21、緩沖放大器22、內天線23組成，其中外天線18出端1腳與一路低噪放大器19-1入端1腳連接、出端2腳與另一路低噪放大器19-2入端1腳連接、兩路低噪放大器19-1、19-2各出端2腳分別串接兩路主放大器20-1、20-2后分別與功率合成器21入端1、2腳連接；功率合成器21出端3腳串接緩沖放大器22后與內天線23入端1腳連接、兩路低噪放大器19-1、19-2、兩路主放大器20-1、20-2、緩沖放大器22各入端5腳分別與接口模塊1出端口3電源+V2電壓端并接、各入端4腳與地端并接；外天線18入端3腳與海事衛(wèi)星信號、及GPSL1、GPSL2定位信號出端口B連接，內天線23出端2腳發(fā)送信號至定位模塊8入端口2。
本實用新型探空儀部分的減速機構6包括下投控制器25、切割器26、引導傘27、傘包28、主傘29、探測線30、控制線31、捆綁繩32，其中探空儀投落控制器5出端口3通過探測線30與下投控制器25入端2腳連接，下投控制器25出端1腳通過控制線31與切割器26入端1腳連接、其入端4腳接地端，下投控制器25、切割器26各入端3腳與電源開關控制模塊9出端口2電源+V1電壓端連接、切割器26通過捆綁繩32與引導傘27連接，引導傘27與傘包28、主傘29、電源開關控制模塊9之間通過繩子串連連接。
本實用新型相比背景技術具有如下優(yōu)點1.本實用新型由于在機載控制解算部分中設置了控制解算器2、信號轉發(fā)器模塊4、探空儀部分中設置了定位模塊8，能實時完成對高空風速、風向的測量，同時大大的提高了測量精度。
2.本實用新型由于設置了探空儀投落控制器5、減速機構6等部件能自動完成整個測風過程，不需要人工干預，用戶操作應用方便。
3.本實用新型應用器件采用大規(guī)模可編程集成電路制作，因而具有集成化程度高、體積小、功耗低、數字式工作抗干擾能力強，特別能在一些特殊環(huán)境條件下完成風速、風向測量。


圖1是本實用新型的電原理方塊圖。
圖2是本實用新型機載控制解算部分中控制解算器2的實施例電原理圖。
圖3是本實用新型機載控制解算部分中信號轉發(fā)器模塊4的實施例電原理圖。
圖4是本實用新型探空儀部分中減速機構6的實施例電原理及連接示意圖。
具體實施方式
參照圖1至圖4，本實用新型機載控制解算部分由接口模塊1、控制解算器2、接收模塊3、信號轉發(fā)器模塊4、探空儀投落控制器5組成，探空儀部分由減速機構6、發(fā)射模塊7、定位模塊8、電源開關控制模塊9、電源模塊10組成，整個裝置按圖1連接線路組裝，其中接口模塊1作用完成機載控制解算部分與飛行器之間的電源和通信接口，其入端口6外接飛行器提供+V2電源電壓，由接口模塊1對提供的+V2電壓進行DC-DC轉換，然后對其他模塊電路提供變換后的+V2電壓，實施例由飛行器提供的+5V電壓變換成+3V電壓對其他模塊電路供電，同時接口模塊1還對控制解算器2、接收模塊3、探空儀投落控制器5之間的通信信號和控制信號進行轉接，其入端口1與控制信號端口A輸入飛行器提供的投落通信進行轉接傳輸給其他模塊電路，實施例接口模塊1中+V2電壓DC-DC轉換電路采用LM117型DC轉換集成芯片制作、TTL電平轉RS232接口電平采用MAX3231型由集成芯片制作、控制通信信號接口采用EPM3064型譯碼集成芯片制作。
本實用新型控制解算器2其作用接受飛行器由A端口經接口模塊1輸入的指令，控制探空儀投落控制器5對探空儀部分進行投落，接收模塊3接收探空儀部分位置信息輸入控制解算器2由其對位置信息進行實時處理，獲得實時風速、風向的解算結果。本實用新型控制解算器2由控制解算模塊11、控制驅動模塊12、電源模塊13、串口驅動模塊14、存儲模塊15、時鐘模塊16、液晶顯示器17組成，圖2是本實用新型控制解算器2的實施例電原理圖，且按其連接線路?？刂平馑隳K11其作用是提供對風速、風向測量控制及實時計算風速、風向測量結果，實施例采用市售M6117D型可編程集成芯片制作?？刂乞寗幽K12作用是提供探空儀投落控制器5的投落控制操作指令信號，由其1至8腳輸入控制解算模塊11處理后經接口模塊1輸入探空儀投落控制器5，實施例采用市售SN764245型控制集成芯片制作。電源模塊13作用提供DC-DC轉換，把飛行器提供+V2電源的+5V電壓轉換成+V2電源的+3V電壓，作為各部件的供電電壓，實施例采用市售LM2672型電源轉換模塊制作。串口驅動模塊14作用提供接收模塊3的對應通信接口，接收模塊3接收的測試數據通過接口模塊1、再經串口驅動模塊14的其1至8腳輸入控制解算模塊11處理，完成測試過程，實施例采用市售MAX232型串口集成芯片制作。存儲模塊15作用是存儲測風數據，由其1至8腳與控制解算模塊11連接完成數據的存儲過程，實施例采用市售MD2202-D16-X型存儲集成芯片制作。時鐘模塊16作用是提供控制解算模塊11的50至80MHz的時鐘信號，作為測量參考基準信號源，實施例采用市售通用集成晶振源制作。液晶顯示器17作用是對控制解算模塊11提供的實時風速、風向測試結果進行顯示，實施例采用市售TP6508IQ型液晶顯示集成芯片制作。
本實用新型接收模塊3作用接收探空儀部分發(fā)射模塊7傳遞的測風數據信號，把接收的測風數據信號經接口模塊1輸入控制解算器2數據處理獲得測試結果，實施例采用市售通用的商用接收機制作。探空儀投落控制器5其作用接收控制解算器2輸入的投落控制操作指令信號，輸入至探空儀部分的減速機構6，控制探空儀部分的投落，實施例采用市售EPM306C型譯碼可編程集成芯片制作。本實用新型信號轉發(fā)器模塊4作用是將飛行器外部的海事衛(wèi)星信號和GPS-L1、GPS-L2定位信號轉發(fā)到飛行器內部，即將上述三種信號接收并發(fā)送至探空儀部分中的定位模塊8，供定位模塊8初始化。信號轉發(fā)器模塊4由外天線18、兩路低噪放大器19-1、19-2、兩路主放大器20-1、20-2、功率合成器21、緩沖放大器22、內天線23組成，圖3是本實用新型信號轉發(fā)器模塊4實施例電原理圖，且按其連接線路。外天線8用來同時接收海事衛(wèi)星信號和GPS-L1、GPS-L2信號，實施例采用通用微帶天線制作，一般安裝在飛行器外部。兩路低噪放大器19及兩路主放大器20作用是放大器接收的海事衛(wèi)星信號和GPS-L1、GPS-L2定位信號，第一路低噪放大器19-1及主放大器20-1主要用來放大海事衛(wèi)星信號和GPS-L1定位信號，第二路低噪放大器19-2及主放大器20-2主要用來放大GPS-L2定位信號，實施例低噪放大器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作用把經過放大后的一路海事衛(wèi)星信號和兩路GPS-L1、GPS-L2定位信號合成一路信號輸出至緩沖放大器22，再經緩沖放大器22放大后由內天線23把合成一路的三個信號發(fā)送至定位模塊8，實施例功率合成器21采用自制的功率合成器件制作，緩沖放大器22采用市售ADA-4743型集成放大器件制作，內天線23采用通用微帶天線制作，一般安裝在飛行器內部。
本實用新型探空儀部分的發(fā)射模塊7作用發(fā)送定位模塊8輸出的精確實時定位信號及風速、風向數據信號至接收模塊3，與接收模塊3組成通信鏈路，實施例采用市售商用發(fā)送機制作。定位模塊8作用是采用廣域差分原理實時解算探空儀部分精確位置，以及被測的風速、風向數據信號，實施例采用市售GDS型接收模塊制作。電源開關控制模塊9作用控制發(fā)射模塊7、定位模塊8定時加電，提供工作電源電壓，控制減速機構6中下投控制器25工作投落操作，工作電源電壓由電源模塊10提供，實施例電源開關控制模塊9中信號控制部分采用市售LM267型控制集成塊制作，電源開關控制部分采用NDS940型開關集成塊制作。電源模塊10采用市售鋰離子電源制作。
本實用新型探空儀部分的減速機構6其作用控制探空儀的投落及探空儀的穩(wěn)降速度，它由下投控制器25、切割器26、引導傘27、傘包28、主傘29、探測線30、控制線31、捆綁繩32構成，圖4是本實用新型減速機構6實施例電原理及連接示意圖，且按其連接線路及安裝引導傘27、傘包28、主傘29。由探空儀投落控制器5通過探測線30提供投落指令至下投控制器25，下投控制器25通過控制線31發(fā)送開傘信號至切割器26，切割器26接到開傘信號后切斷捆綁繩32，使探空儀部分各部件下投降落，打開引導傘27、傘包28、主傘29控制穩(wěn)降速度，進行實用風速、風向的測量。實施例下投控制器25采用EPLD EPM3024型可編程邏輯器件制作，切割器26采用市售通用的WD803型切割器制作，探測線30及控制線32均采用一般的連接導線制作，捆綁繩32采用市售尼龍繩制作。引導傘27、傘包28、主傘29均采用尼龍布材料自制而成下投穩(wěn)速降落傘型裝具。
本實用新型簡要工作原理如下風速、風向是指空氣水平運動的速度和方向。其原理空氣中自由下落的物體受到風力的作用在水平方向將產生一定的運動。如果能夠精確地測量出物體的運動軌跡，建立合理的測風數學模型就能夠解算出作用在物體上風力的風速、風向參數。物體的運動軌跡由一些離散的位置信息組成，其精度將直接影響到風速、風向參數解算的精度。
本實用新型在測風時，在飛行器起飛之前，首先設定電源開關控制模塊9的定時開關時間，使定位模塊8在開始測風前進行自動加電工作，且接收信號轉發(fā)器模塊4發(fā)送的海事衛(wèi)星信號和GPS-L1、GPS-L2定位信號進行初始化。完成初始化后，飛行器通過A端口及接口模塊1向控制解算器2發(fā)送下投指令，控制解算器2接受該指令并向探空儀投落控制器5發(fā)送投落控制信號，探空儀投落控制器5控制下投控制器25、切割器26，切斷捆綁繩32下投探空儀部分各部件，探空儀部分各部件下落過程中經過開傘、穩(wěn)定后開始以1次/秒的頻度輸出定位模塊8的精度位置信息，并將該信息經過電源開關控制模塊9傳送至發(fā)送模塊7進行發(fā)送，發(fā)送的定位信息由接收模塊3接收后通過接口模塊1傳送給控制解算器2，控制解算器2根據該信息依據測風數學模型解算出不同高度的風速、風向，由液晶顯示器17顯示實時測風結果，完成整個測風過程。
本實用新型安裝結構如下首先把機載控制解算部分各部件安裝在一個長×寬×高為215×120×55毫米的屏敝結構件中，把探空儀部分的各電路部件及引導傘27、傘包28、主傘29組裝成能下投的探空儀，然后把圖1中所有部件按上下兩部分分別安裝在一個長×寬×高為262×171×388毫米的測風箱體內，探空儀部分通過4根繩子吊掛在測風箱體頂部，在測風箱體頂部上還安裝測風指令輸入端口A及與飛行器主控器連接的插座，組裝成本實用新型。
權利要求1.一種下投式數字測風裝置，機載控制解算部分由接口模塊(1)、接收模塊(3)、探空儀投落控制器(5)組成，探空儀部分由發(fā)射模塊(7)、定位模塊(8)、電源開關控制模塊(9)、電源模塊(10)組成，其特征在于機載控制解算部分還有控制解算器(2)、信號轉發(fā)器模塊(4)組成，探空儀部分還有減速機構(6)組成，其中接口模塊(1)出入端口1與飛行器控制信號端口(A)連接，其出入信號端口2、4、5分別與控制解算器(2)、接收模塊(3)、探空儀投落控制器(5)各出入端口1連接，其入端口6與外接電源+V2電壓端連接，其出端電源+V2電壓端口7、3、8、9分別與控制解算器(2)、信號轉發(fā)器模塊(4)、接收模塊(3)、探空儀投落控制器(5)各電源入端口2連接；接收模塊(3)入端口3與發(fā)射模塊(7)出端口2信號接收發(fā)送連接，信號轉發(fā)器模塊(4)出端口1與定位模塊(8)入端口2信號接收發(fā)送連接，探空儀投落控制器(5)出端口3與減速機構(6)入端口2連接，電源開關控制模塊(9)各出入端口1、2、3分別與減速機構(6)、發(fā)射模塊(7)、定位模塊(8)各出入端口1連接，電源模塊(10)出端+V1電壓端與電源開關控制模塊(9)入端口4連接。
2.根據權利要求1所述的下投式數字測風裝置，其特征在于機載控制解算部分中的控制解算器(2)由控制解算模塊(11)、控制驅動模塊(12)、電源模塊(13)、串口驅動模塊(14)、存儲模塊(15)、時鐘模塊(16)、液晶顯示器(17)組成，其中串口驅動模塊(14)出入端1至8腳通過8根數據總線與控制解算模塊(11)出入端17至24腳連接，其入端9腳與接口模塊(1)信號端口2連接；控制解算模塊(11)出入端1至8腳通過8根數據總線與控制驅動模塊(12)出入端1至8腳連接、其出入端9至16腳通過8根總線與電源模塊(13)出入端1至8腳連接、出入端25至32腳通過8根數據總線與存儲模塊(15)出入端1至8腳連接、入端33腳與時鐘模塊(16)出端1腳連接、入端34腳與接口模塊(1)出端口7電源+V2電壓端并接、入端35腳接地端、入端36至43腳與液晶顯示器(17)入端1至8腳連接；控制驅動模塊(12)、電源模塊(13)、串口驅動模塊(14)、存儲模塊(15)、時鐘模塊(16)各入端10腳分別與接口模塊(1)出端口7電源+V2電壓端并接、各入端11腳并接地端。
3.根據權利要求1或2所述的下投式數字測風裝置，其特征在于機載控制解算部分中的信號轉發(fā)器模塊(4)由外天線(18)、兩路低噪放大器(19-1)、(19-2)、兩路主放大器(20-1)、(20-2)、功率合成器(21)、緩沖放大器(22)、內天線(23)組成，其中外天線(18)出端1腳與一路低噪放大器(19-1)入端1腳連接、出端2腳與另一路低噪放大器(19-2)入端1腳連接、兩路低噪放大器(19-1)、(19-2)各出端2腳分別串接兩路主放大器(20-1)、(20-2)后分別與功率合成器(21)入端1、2腳連接；功率合成器(21)出端3腳串接緩沖放大器(22)后與內天線(23)入端1腳連接、兩路低噪放大器(19-1)、(19-2)、兩路主放大器(20-1)、(20-2)、緩沖放大器(22)各入端5腳分別與接口模塊(1)出端口3電源+V2電壓端并接、各入端4腳與地端并接；外天線(18)入端3腳與海事衛(wèi)星信號、及GPSL1、GPSL2定位信號出端口(B)連接，內天線(23)出端2腳發(fā)送信號至定位模塊(8)入端口2。
4.根據權利要求3所述的下投式數字測風裝置，其特征在于探空儀部分的減速機構(6)包括下投控制器(25)、切割器(26)、引導傘(27)、傘包(28)、主傘(29)、探測線(30)、控制線(31)、捆綁繩(32)，其中探空儀投落控制器(5)出端口3通過探測線(30)與下投控制器(25)入端2腳連接，下投控制器(25)出端1腳通過控制線(31)與切割器(26)入端1腳連接、其入端4腳接地端，下投控制器(25)、切割器(26)各入端3腳與電源開關控制模塊(9)出端口2電源+V1電壓端連接、切割器(26)通過捆綁繩(32)與引導傘(27)連接，引導傘(27)與傘包(28)、主傘(29)、電源開關控制模塊(9)之間通過繩子串連連接。
專利摘要本實用新型公開了一種下投式數字測風裝置，它涉及大氣探測儀器領域中的一種對高空風速、風向進行實時測量的測風儀器設備。它由接口模塊、控制解算器、接收模塊、信號轉發(fā)器模塊、投落控制器等部件構成機載控制解算部分，由發(fā)送模塊、定位模塊、減速機構、電源開關控制模塊、電源模塊等部件構成探空儀部分。它采用飛行器下投探空儀自動完成對高空風速風向實時高精度測量的目的。本實用新型還具有集成化程度高、體積小、功耗低、抗干擾能力強、操作應用方便等特點，特別適用于在特殊環(huán)境條件下作高空風速、風向實時測量的測風裝置。
文檔編號G01W1/02GK2771877SQ20052002363
公開日2006年4月12日 申請日期2005年3月17日 優(yōu)先權日2005年3月17日
發(fā)明者費滿鋒, 王方, 許斌, 陳強, 張小平 申請人:中國電子科技集團公司第五十四研究所