CN2760565Y - 一种gps数字化电场探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型的用于航天器升空安全保障GPS数字化电场探测仪包括：置于水平旋转轴两侧的空心球形电场传感器；其上方设指向天空的GPS接收天线；旋转轴两端分别连使其旋转的电机和轴承；光电耦合器包括发光二极管和光电三极管分别固定在旋转轴端部轴心和轴承的固定架上，两管头部均为抛物面形并面对面放置；一传感器球内装有探测电路包括I/V变换器、电压放大器、单片机和A/D变换器、发光二极管的驱动器，二极管的正极接信号、负极接地；另一传感器球内装电池组；GPS接收机的信号和电场信号分别经各自的副载波调制器与相加器相连后；再与1680MHz发射机连接；发射机天线在其底部并指地。用GPS获得高度和对探空仪跟踪定位，成本低，易操作，运行可靠。

Description

一种GPS数字化电场探测仪

发明领域

本实用新型涉及一种球载双球式电场探测仪，特别是涉及一种适用于航天器发射场地等雷电重点防区上空雷电危险性和电环境情况探测与预警的GPS数字化电场探测仪。

背景技术

雷电是造成航天器意外事故的重要因素，为确保航天器在升空过程中不受雷击或诱发闪击，已将大气电场强度列为航天器安全升空规范中的重要参数。目前，航天器安全升空规范中的重要参数包括：地面大气电场强度不大于1kV/m，空间电场应小于10kV/m，因此，在航天器升空前，必需测量地面电场和空间电场。球载双球式电场仪自1994年投入使用以来，先后在西昌、酒泉和太原卫星发射中心参加了数十发航天器升空安全保障，所获得的探测数据为航天器不失时机发射提供了重要依据。

专利号为ZL962156434的专利公开了一种球载双球式电场探测仪，其结构：包括水平旋转轴及置于其两侧的两个空心球形电场传感器、一球形电场传感器内装有测量电场的电路和垂直位置传感器，另一球形电场传感器内装有电池；水平旋转轴的两端分别装有使旋转轴旋转的电机和轴承；旋转轴在轴承的一端中心处配有引出电场信号的电刷；气压计及其高标、低标测量电路；1680MHz发射机和发射天线；电刷引出的电场信号和气压测量信号及其高标、低标等信号送到发射机。并按时分的方法依次向地面发射。对电场探空仪的跟踪定位采用雷达或无线电经纬仪。

(1)垂直位置传感器是利用重力场和光电转换原理设计的；(2)轴球连接机构采用整体结构；(3)电场信号由双电刷引入到发射机；(4)两球形导体传感器采用可镀塑料制作。

该专利解决了国内当时尚无气球电场仪的问题，与国外同类产品相比，仪器的垂直位置传感器利用重力场和光电转换原理是较先进的，保障航天器在雷雨期间安全升空起了重要作用。然而，随着技术的发展，需要进一步提高和改善，ZL962156434专利已于2002年放弃。

原电场探空仪是通过测量大气压获得高度数据，采用雷达或无线电经纬仪来跟踪定位的。但由于(1)原使用美国的膜合气压传感器已不生产，国产气压传感器在10km以下误差较大；雷达或无线电经纬仪厐大而昂贵，因此双球电场探空仪***面临更新换代的选择，寻求其他获得高度的方法和改变地面的跟踪定位***。(2)原双球电场仪信号处理电路中对处理信号比较关健的一些元器件(如有效检测电路中的二极管和V/F变换器中大容量电容)温度系数比较大；同时电机也易受温度的影响，在环境温度-70℃至+50℃下，尽管采取了保温和温度补偿措施，仍难以获得很满意的结果。(3)原电场探测信号通过电刷传输到发射机，调试麻烦，有时出现接触不良现象。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述存在的问题，提供一种GPS数字化电场探测仪，该探测仪采用GPS定位以替代厐大而昂贵的雷达或无线电经纬仪，获得风速、风向和高度及电场探空仪的瞬时位置，使装置做得既轻便又便宜，节省经费，安装简单，操作方便，便于机动使用；同时避免了采用气压换算高度法需要定期(1年左右)校验气压计的麻烦和难以订购到合适气压计的后顾之忧；将双球电场仪探测线路数字化，易于与GPS的数据格式一致，同时便于在地面对数据的修正，减少环境温度和转速对探测数据的影响；又将机械电刷改用光电耦合，使调试简便，提高信号传输质量和精度及可靠性。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供的GPS数字化电场探测仪，包括：

一对相隔放置在一水平旋转轴杆2两侧的空心球形电场传感器100和200；其上方设置有指向天空的GPS接收天线5；所述水平旋转轴杆2的一端与驱动电机3相连，并由驱动电机3驱动绕轴心转动；其特征在于，还包括：

一光电耦合器6，其组成包括一红外波段的发光二极管和光电三极管，所述发光二极管固定在水平旋转轴杆2端部的轴心位置处，并随水平旋转轴杆2而旋转；所述光电三极管固定在水平旋转轴2的轴承固定框架上，其输出端通过一放大器与1680MHz发射机8中的副载波调制器13相连；所述光电三极管和发光二极管的头部均为抛物面形，其抛物面形顶点相对放置，彼此之间相距1-2mm，以确保光电三极管能接收到所要求的光强而又不影响发光二极管的转动；

所述空心球形电场传感器100的空心球体内设置有依次电连接的I/V变换器10、电压放大器11和A/D变换器12及其控制单片机16，所述A/D变换器12通过一光电二极管驱动器与光电耦合器6中的发光二极管的正极管脚相连，以驱动发光二极管发光，发光二极管的负极管脚接地；所述空心球形电场传感器200的空心球体内装有用于驱动所述空心球形电场传感器100内的所述各器件的电源电池；

所述GPS接收机7接收来自GPS接收天线5的信号，并与1680MHz发射机8中的GPS副载波调制器15电连接；

所述1680MHz发射机8中的GPS副载波调制器15和电场信号副载波调制器13的输出端分别与相加器14输入端相连接；

所述1680MHz发射机8的1680MHz发射天线9位于1680MHz发射机8的底部而指向地面，并与位于空心球形电场传感器100和200上方的GPS接收天线5背对背放置，两者相距3±0.2米；

一单片机16与空心球形电场传感器100中的A/D变换器12电连接，以控制A/D变换器的采样速率、并串行变换、数据传输格式等。

使用时，将本实用新型的GPS数字化电场探测仪由气球吊飞入空中对电场进行探测，其信号流程是这样的：来自空心球形电场传感器100和200的信号依次经I/V变换器10、电压放大器11、A/D变换器12、光电耦合器6和电场信号副载波调制器13，与来自于GPS接收天线5、经GPS接收机7、GPS副载波调制器15的GPS信号，同时被送到相加器15、相加后调制到1680MHz载波上由1680MHz发射机8、经1680MHz发射天线9发送到地面。

A/D变换器12是在单片机16控制下工作的，它将2-3Hz为准正弦的电场信号变换成数字码信号，单片机控制采样速率、完成串行码的变换、数据传输波特率、数据传输格式等。采用数字化后便于与GPS数字码信号共同传输和事后对信号波形的恢复(D/A变换)。

副载波调制器分GPS副载波调制器15和电场信号副载波调制器13。采用频分制遥测***传输两种以上的信号时，有一个先合后分的过程，即把每路信号调制在一副载波上，然后通过相加器14把各路信号叠加在一起再调制在一载波上发送到地面。在地面接收解调后再通过带通滤波器把各路信号分离出来，进行各自的副载波解调和进行各自的处理。

本实用新型的优点如下：

A、采用GPS获得经纬度和高度及时间数据，从中计算出电场探空仪所需要的瞬时位置数据、高度数据、风速和风向数据。避免了采用厐大而昂贵的雷达(第一期)或无线电经纬仪，使***做得既轻便，便于机动使用。且经费可降低到为原***的三分之一。安装简单，操作方便。

B、用1680MHz载波频率，比一般采用的400MHz载波频率，天线可作得小巧玲珑，同时仍可使用原电场探空仪***中接收机及其接收天线，也可节省部分成本和工作量。

C、于气压计测量精度受环境影响和放置时间的影响。必需在一年内标定一次，存在修正和再标定的麻烦。而用GPS代替气压计测高就避免了这些麻烦，增加了仪器的存放时间，缩短了发放准备工作时间。

D、对仪器探测信号进行数字化，便于和GPS数据具有相同的数据格式进行传输，并避免了在电场信号电路中采用温度系数较大的元件，减轻了环境温度对探测数据的影响；同时可获得仪器转速信息，便可对因转速变化造成探测数据变化部分进行修正，消除环境温度变化引起仪器转速变化对探测信号的影响，提高电场的测量精度。

E、将转动仪器的信号传输到静态的发射机由机械电刷改用光电耦合，调试简便，可提高信号传输质量，增加其可靠性。

附图说明

附图1为现有技术中电场探空仪的结构示意图；

附图2为本实用新型的结构示意图；

其中：空心球形电场传感器100、200   水平旋转轴杆2     驱动电机3

GPS接收天线5                      光电耦合器6       GPS接收机7

1680MHz发射机8                    1680MHz发射天线9

I/V变换器10                       电压放大器11      A/D变换器12

电场信号副载波调制器13             相加器14

GPS副载波调制器15                 单片机16

具体实施方式

附图2为本实用新型的结构示意图；由图可知，本实用新型提供的GPS数字化电场探测仪，包括：

一对相隔放置在一水平旋转轴杆2两侧的空心球形电场传感器100和200；其上方设置有指向天空的GPS接收天线5；所述水平旋转轴杆2的一端与驱动电机3相连，并由驱动电机3驱动绕轴心转动；其特征在于，还包括：

一光电耦合器6，其组成包括一红外波段的发光二极管和光电三极管，所述发光二极管固定在水平旋转轴杆2端部的轴心位置处，并随水平旋转轴杆2而旋转；所述光电三极管固定在水平旋转轴2的轴承固定框架上，其输出端通过一放大器与1680MHz发射机8中的副载波调制器13相连；所述光电三极管和发光二极管的头部均为抛物面形，其抛物面形顶点相对放置，彼此之间相距1-2mm，以确保光电三极管能接收到所要求的光强而又不影响发光二极管的转动；

所述空心球形电场传感器100的空心球体内设置有依次电连接的I/V变换器10、电压放大器11和A/D变换器12及单片机16，所述A/D变换器12通过一光电二极管驱动器与光电耦合器6中的发光二极管的正极管脚相连，以驱动发光二极管发光，发光二极管的负极管脚接地；所述空心球形电场传感器200的空心球体内装有用于驱动所述空心球形电场传感器100内的所述各器件的电源电池组；

所述GPS接收机7接收来自GPS接收天线5的信号，并与1680MHz发射机8中的GPS副载波调制器15电连接；

所述1680MHz发射机8中的GPS副载波调制器15和电场信号副载波调制器13的输出端分别与相加器14输入端相连接；

所述1680MHz发射机8的1680MHz发射天线9位于1680MHz发射机8的底部而指向地面，并与位于空心球形电场传感器100和200上方的GPS接收天线5背对背放置，两者相距3±0.2米；

一单片机16与空心球形电场传感器100中的A/D变换器12电连接，以控制A/D变换器的采样速率、并串行变换、数据传输格式等。

本实用新型采用全球卫星定位***GPS获得的经度、纬度、高度、航速、航向数据，由于载波频率1680MHz与GPS接收、发送频率1575MHz相近，有可能存在相互影响或干扰，尤其是发射信号对GPS的干扰。本实用新型采取了以下措施：1、将GPS接收天线置于空心球形电场传感器100、200的上方指向天空，而1680MHz发射机8的发射天线9在1680MHz发射机8的底部并向下指向地面，即两天线背对背的安装相距数米或更远(图1)；2、将发射机8的发射信号频谱控制在(1680±10)MHz范围内；3、在必要的情况下，还可在GPS接收机7的输入端加带通滤波器；另外4、还可采用时分方法，减少彼此之间的交叉干扰：在满足应用要求的情况下，可选择信息传输波特率为4800bit/s，利用GPS秒脉冲宽度可设置，将秒脉冲分成两部分，传输GPS经纬度、高度、航向、航速及时间信息占用时间小于1/2秒，其余的1/2秒传输电场探测信号。在地面接收***中通过时分开关将GPS信息和电场信号分开，进行分别处理获得电场数据和经纬度、高度、航速、航向数据，球载部分的时分开关和地面部分的时分开关均与GPS的秒脉冲同步。5、球载部分电场测量采用数字化后，采用波特率(bit/s)格式传输。这样在地面接收解调后可直接送入计算机处理，并可根据仪器的实时转速对探测电场数据进行修正，提高仪器的探测精度；6、采用光电耦合的方法，使传输可靠，调试简单。

仪器电路和电池组分别安装在空心球形电场传感器100、200的两个球内，两个电场传感器分别连接到电荷放大器的同相端和反相端，当两个球形电场传感器绕轴旋转时，垂直于旋转轴的电场分量分别在两球上感应出大小相等、极性相反的电荷，感应电荷量Q与外界电场的强度E₀成正比。在双球坐标下，若两个导体球通过电荷放大器而保持在同一电位，根据Davis关于在均匀电场中两球上感应电荷的解，有

式中，

为空气的介电常数，E₀为大气电场强度(kV/m)，Φ为E₀的矢量与两球心的夹角，a＝(D²-R²)^1/2为双球的尺度因子，而D为球心到两球之间中心点的距离，R为球的半径，μ＝ln(D+a/R)为球面的双球的尺度坐标，S₁为一级数函数，其一般表示式为

S_i(ξ)＝∑_N＝0 ^∞(2n+1)ⁱe^(2N+1)ξ/[e^{(2N+1)(μ1+μ2)}-1].        (2)代入两球的结构参数，可获得在CGSE制中的感应电荷量。电场仪的标定在一套由两块相互平行的平板导电体组成的电容式模拟电场装置和高压直流可控电源构成的电场标定***中进行。在不同的模拟电场值下，测量出仪器的输出值，在x、y坐标下，绘出仪器的输出值与模拟电场值的关系曲线，即仪器的标定曲线，本仪器有很好的线性。

Claims (2)

1、一种GPS数字化电场探测仪，包括：

一对相隔放置在一水平旋转轴杆(2)两侧的空心球形电场传感器(100)和(200)；其上方设置有指向天空的GPS接收天线(5)；所述水平旋转轴杆(2)的一端与驱动电机(3)相连，并由驱动电机(3)驱动绕轴心转动；其特征在于，还包括：

一光电耦合器(6)，其组成包括一红外波段的发光二极管和光电三极管，所述发光二极管固定在水平旋转轴杆(2)端部的轴心位置处，并随水平旋转轴杆(2)而旋转；所述光电三极管固定在水平旋转轴(2)的轴承固定框架上，其输出端通过一放大器与1680MHz发射机(8)中的副载波调制器(13)相连；所述光电三极管和发光二极管的头部均为抛物面形，其抛物面形顶点相对放置，彼此之间相距1-2mm，以确保光电三极管能接收到所要求的光强而又不影响发光二极管的转动；

所述空心球形电场传感器(100)的空心球体内设置有依次电连接的I/V变换器(10)、电压放大器(11)和A/D变换器(12)及其单片机(16)，所述A/D变换器(12)通过一光电二极管驱动器与光电耦合器(6)中的发光二极管的正极管脚相连，以驱动发光二极管发光，发光二极管的负极管脚接地；所述空心球形电场传感器(200)的空心球体内装有用于驱动所述空心球形电场传感器(100)内的所述各器件的电源电池组；

所述GPS接收机(7)接收来自GPS接收天线(5)的信号，并与1680MHz发射机(8)中的GPS副载波调制器(15)电连接；

所述1680MHz发射机(8)中的GPS副载波调制器(15)和电场信号副载波调制器(13)的输出端分别与相加器(14)输入端相连接；

所述1680MHz发射机(8)的1680MHz发射天线(9)位于1680MHz发射机(8)的底部而指向地面，并与位于空心球形电场传感器(100)和(200)上方的GPS接收天线(5)背对背放置，两者相距3±0.2米；

一单片机(16)与空心球形电场传感器(100)中的A/D变换器(12)电连接，以控制A/D变换器的采样速率、并串行变换、数据传输格式。

2、按权利要求1所述的GPS数字化电场探测仪，其特征在于，所述GPS接收机(7)的输入端加带通滤波器。

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