專利名稱：球載觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種裝載到高空科學(xué)探測(cè)氣球上使用的球載觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置。
在空間天文及高能物理的研究工作中，高空科學(xué)氣球是一種具有優(yōu)勢(shì)的新工具。將天文望遠(yuǎn)鏡等天文觀測(cè)儀器裝載到高空科學(xué)氣球上，升到30-40公里的高空進(jìn)行觀測(cè)，由于沒(méi)有大氣吸收和干擾，能獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面觀測(cè)的效果。與人造衛(wèi)星、宇宙飛船相比，其成本要低很多；研制周期也短得多。所以高空科學(xué)氣球在γ射線、遠(yuǎn)紅外、遠(yuǎn)紫外等天文現(xiàn)測(cè)研究中，以及氣象、廣播、通訊及軍事領(lǐng)域都有廣泛的用途。由于天體信息較弱，天文望遠(yuǎn)鏡等探測(cè)器必需長(zhǎng)時(shí)間精確跟蹤目標(biāo)才能得到有效信息。而氣球飄浮在大氣中，其地理位置與高度在不斷改變，這一改變還不斷地受到各種氣流及氣溫變化的影響，是一個(gè)復(fù)雜的變數(shù)。球載探測(cè)器隨著氣球不斷變換位置，同時(shí)要始終精確地跟蹤目標(biāo)，這對(duì)研制自動(dòng)跟蹤裝置提出了十分嚴(yán)格的技術(shù)要求。在現(xiàn)有技術(shù)中，跟蹤裝置是由球載控制計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)操縱探測(cè)器(例如天文望遠(yuǎn)鏡)。按定位方式的不同，分為兩種自動(dòng)跟蹤裝置，一是程控跟蹤裝置它將氣球飛行路線與基本氣象參數(shù)輸入微機(jī)，由微機(jī)計(jì)算出探測(cè)器跟蹤目標(biāo)所需要的修正量；另一種是由地面雷達(dá)對(duì)氣球作跟蹤定位，再將雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸給氣球，球載控制計(jì)算機(jī)以此作為跟蹤目標(biāo)的依據(jù)。第一種裝置無(wú)法及時(shí)考慮千變?nèi)f化的氣流方向、氣流流速以及氣溫等因素，不易對(duì)大氣的干擾進(jìn)行準(zhǔn)確修正，其算法也很復(fù)雜，長(zhǎng)時(shí)間飛行的定位精度無(wú)法達(dá)到實(shí)際觀測(cè)的要求。雷達(dá)定位系統(tǒng)的裝置復(fù)雜龐大，對(duì)地面支持系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣球的自主工作模式。同時(shí)，因變量繁多，算法復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)工作的可靠性會(huì)下降。
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型將提供一種全新的目標(biāo)跟蹤裝置，它應(yīng)能及時(shí)、準(zhǔn)確地修正風(fēng)向、風(fēng)速等變化帶來(lái)的干擾，并脫離對(duì)地面雷達(dá)的依賴，以氣球的自主工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的閉環(huán)自動(dòng)跟蹤。同時(shí)該方案應(yīng)能減化計(jì)算機(jī)的計(jì)算，并以比較輕巧的裝置實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度。
為了完成上述任務(wù)，本實(shí)用新型采用以GPS(人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng))定位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)定位裝置，其方案為與現(xiàn)有技術(shù)相同，球載控制計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是設(shè)有GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)，該接收機(jī)的輸出接控制計(jì)算機(jī)。這里所說(shuō)的“GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)”可使用現(xiàn)有的飛機(jī)、船舶或汽車所使用的GPS定位系統(tǒng)中的接收機(jī)，也可以是為高空氣球設(shè)計(jì)的專用GPS接收機(jī)；所說(shuō)的“探測(cè)器”包括天文、氣象、廣播、通訊、軍事等領(lǐng)域使用的高空氣球探測(cè)器，較常使用的是各種天文望遠(yuǎn)鏡；所說(shuō)的“控制計(jì)算機(jī)”采用能夠抗高空惡劣工作環(huán)境的專用單片機(jī)或單板機(jī)；所說(shuō)的“探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置”可以包括作探測(cè)器方位控制的氣球姿態(tài)控制裝置和作探測(cè)器俯仰控制的仰角控制裝置。作探測(cè)器方位控制的氣球姿態(tài)控制裝置可以采用現(xiàn)有的高空氣球姿態(tài)控制系統(tǒng)；作探測(cè)器俯仰控制的仰角控制裝置可以采用現(xiàn)有的天文望遠(yuǎn)鏡俯仰控制裝置。在姿態(tài)控制裝置中還接有一個(gè)地磁敏感器，以提供方位0點(diǎn)。
由于GPS系統(tǒng)已在全球開通使用，在球載控制裝置中增設(shè)GPS接收機(jī)十分簡(jiǎn)便，而采用了定位精度較高的GPS數(shù)據(jù)為氣球定位依據(jù)，能及時(shí)、準(zhǔn)確地修正風(fēng)向、風(fēng)速等變化帶來(lái)的干擾，并脫離對(duì)地面雷達(dá)的依賴，以氣球的自主工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的閉環(huán)自動(dòng)跟蹤。該方案比雷達(dá)定位裝置重量大幅度減輕，比程控定位裝置精度高得多，同時(shí)還減化了算法，是高空氣球球載探測(cè)器目標(biāo)跟蹤的理想裝備。
現(xiàn)結(jié)合附圖與實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；圖3、圖4為使用效果實(shí)測(cè)曲線。
實(shí)施例1，天文望遠(yuǎn)鏡目標(biāo)跟蹤裝置，參照?qǐng)D1、圖2本裝置由球載控制計(jì)算機(jī)、姿態(tài)穩(wěn)定裝置和GPS接收機(jī)組成，是一個(gè)自主工作的閉環(huán)控制裝置，所有球上數(shù)據(jù)經(jīng)8PSK調(diào)制后由數(shù)傳臺(tái)發(fā)回地面。其中球載計(jì)算機(jī)是按IEEE-961標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的模塊化SJO系統(tǒng)，由80C196CPU主板，數(shù)字I/O驅(qū)動(dòng)器組成。算法軟件是由PLM96高級(jí)語(yǔ)言編制，采用浮點(diǎn)運(yùn)算，求出要求的望遠(yuǎn)鏡方位角A和仰角2，并給出修正量ΔA,Δ2，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器，以每步0.1°修正望遠(yuǎn)鏡指向。反捻式姿態(tài)穩(wěn)定裝置穩(wěn)定吊籃，為望遠(yuǎn)鏡提供一個(gè)穩(wěn)定工作平臺(tái)，并由地磁敏感器建立指向基準(zhǔn)，正北為0點(diǎn)0°，順時(shí)針0～360°。方位A的變化通過(guò)反捻式姿態(tài)穩(wěn)定裝置轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)吊籃實(shí)現(xiàn)，而仰角直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。GPS接收機(jī)選用了Rockwell公司產(chǎn)品，由它提供實(shí)時(shí)地理經(jīng)緯度和時(shí)間(γ、ψ、T)。定位數(shù)據(jù)每秒更新一次，采用C/A碼，定位精度≤30m，時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度為1000PS。定位誤差相當(dāng)于A、2的角秒級(jí)。望遠(yuǎn)鏡指向系統(tǒng)建立在地平坐標(biāo)上，天體的位置由赤道坐標(biāo)表示，計(jì)算機(jī)從GPS讀入當(dāng)前實(shí)時(shí)位置后，即計(jì)算方位A、仰角2，再按以下公式計(jì)算，調(diào)整望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。
cos2=sinψ+cosψcosδcos(S-α) ①sin2sinA=cosδsin(S-α)②sin2cosA=sinδcosψ+sinψcosδcos(S-α)③S=S0+(1+μ)(T-8)+λ④式中α,δ為要觀測(cè)天體的赤經(jīng)、赤緯，λ、ψ、T為GPS給出的氣球地理經(jīng)緯度和北京時(shí)間，S是地方恒星時(shí)，與觀測(cè)時(shí)間及T、λ有關(guān)。S0是世界時(shí)Oh的恒星時(shí)，λ=1/365.2422。在氣球起飛之前，先使用本裝置跟蹤太陽(yáng)，以完成天文觀測(cè)的零點(diǎn)校正。本裝置的跟蹤效果，參照?qǐng)D3、圖4；圖中虛線是理論跟蹤軌跡，粗線是實(shí)際跟蹤值。兩者符合很好，達(dá)到最佳跟蹤精度。
權(quán)利要求1.一種球載觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置，球載控制計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是設(shè)有GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)，該接收機(jī)的輸出接控制計(jì)算機(jī)。
2.按照權(quán)利要求1所述的球載觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置，其特征是所說(shuō)的探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置包括作探測(cè)器方位控制的氣球姿態(tài)控制裝置和作探測(cè)器俯仰控制的仰角控制裝置，其中姿態(tài)控制裝置中接有一個(gè)地磁敏感器。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的球載觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置，其特征是所說(shuō)的姿態(tài)控制裝置是用來(lái)穩(wěn)定或轉(zhuǎn)動(dòng)吊籃方位角的反捻式姿態(tài)穩(wěn)定裝置。
專利摘要在高空科學(xué)探測(cè)氣球上使用的球載天文觀測(cè)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤裝置,球載控制計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置,特征是設(shè)有GPS數(shù)據(jù)接收機(jī),接收機(jī)的輸出接控制計(jì)算機(jī)。探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)裝置包括作探測(cè)器方位控制的氣球姿態(tài)控制裝置和作探測(cè)器俯仰控制的仰角控制裝置。由于采用定位精度較高的GPS數(shù)據(jù),本裝置能及時(shí)、準(zhǔn)確地修正風(fēng)向、風(fēng)速等干擾,脫離對(duì)地面雷達(dá)的依賴,以自主工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的閉環(huán)自動(dòng)跟蹤。
文檔編號(hào)G05D1/00GK2348417SQ98242508
公開日1999年11月10日 申請(qǐng)日期1998年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月28日
發(fā)明者李小青 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)