低空探空仪雷达盲区辅助校准系统的制作方法

本申请属于气象技术领域，具体涉及一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统。

背景技术：

测量近地面层以上大气的物理、化学特性的技术，称为高空观测或高空探测。基于电子探空仪的高空探测系统(例如GTS1数字探空仪与GFE(L)1型二次雷达联合探空系统)是气象业务中广泛使用的一种自动高空探测系统，其可以综合观测地面至高空30km范围内不同高度的大气温度、压力、相对湿度和风向风速。探测过程中，气象球携带随风漂移的探空仪和回答器提供观测信息。作为一种地面设备，雷达对接收到的观测信息进行精密的跟踪、测定、解码和译码，并通过计算机的运算和处理，得到所需要的各种高空气象资料。探空仪自动跟踪系统要求地面雷达实时调整转台，从而使雷达波束指向探空仪，并与探空仪保持实时通信。

然而，本申请的发明人在研发过程中发现：气象局在使用基于电子探空仪的高空探测系统进行高空探测时，在探空仪距离地面雷达3km以内的低空，往往会遇到一系列难以避免地突发的恶劣复杂天气，例如大风、暴雨和沙尘暴等，这种天气会导致气象球快速脱离原定升空轨道；机械扫描雷达具有的波束扫描速率慢和天线波束低空探测区域小的特点，容易造成地面雷达无法实时跟踪探空仪，进而形成雷达盲区；如果无法及时调整地面雷达的方向，就容易造成气象数据接收中断。

目前，地方气象局主要采取的方法是通过人眼视觉实时观测确定目标位置，手动调整地面雷达的俯仰角和方位角等参数进而对准目标进行自动跟踪，这种方法不仅效率低下且存在误判，无法满足气象部门智能化需求。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统。

根据本申请实施例的一方面，本申请提供了一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统，其包括探空仪和地面控制台，所述探空仪包括第一微控制器以及与所述第一微控制器连接的第一GPS模块和无线发射模块；所述地面控制台包括第二微控制器以及与所述第二微控制器连接的第二GPS模块、无线接收模块和地面雷达控制单元；无线发射模块与无线接收模块进行通信。

进一步地，所述探空仪还包括GSM通信模块，所述GSM通信模块与第一微控制器连接。

进一步地，所述探空仪还包括第一供电模块，所述第一供电模块与第一微控制器、第一GPS模块和无线发射模块连接。

更进一步地，所述第一供电模块包括太阳能电池板、充电电路、蓄电池、一次电池、电压比较电路和电源转换电路；所述太阳能电池板通过所述充电电路与所述蓄电池连接，所述蓄电池和一次电池均通过所述电压比较电路与电源转换电路连接，所述电源转换电路与第一微控制器、第一GPS模块和无线发射模块连接。

进一步地，所述地面控制台还包括第二供电模块，所述第二供电模块与第二微控制器、第二GPS模块和无线接收模块连接。

更进一步地，所述地面控制台还包括显示器，所述显示器与第二微控制器连接。

具体地，所述第一GPS模块和第二GPS模块均采用型号为NEO-6M的GPS和有源天线一体模块。

具体地，所述GSM通信模块采用SIM900A模块。

具体地，所述第一微控制器和第二微控制器均采用MSP430系列的单片机。

具体地，所述无线发射模块采用型号为E32-TTL-100的无线串口模块。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请低空探空仪雷达盲区辅助校准系统通过在探空仪中设置第一微控制器、第一GPS模块和无线发射模块，在地面控制台中设置第二微控制器、第二GPS模块、无线接收模块和地面雷达控制单元，探空仪在距离地面雷达3km以内的低空时，能够对地面雷达进行辅助校准，从而使地面雷达能够实时跟踪探空仪，进而避免气象数据接收中断。本申请通过在探空仪中设置GSM通信模块，能够在探空仪进入回收模式时，将探空仪的位置信息发送给气象工作人员的智能终端或地面控制台，从而便于气象工作人员对探空仪进行回收。本申请的探空仪中采用太阳能和一次电池双供电模式，能够延缓蓄电池和一次电池的使用寿命，节能环保。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统的结构框图。

图2为本申请具体实施方式提供的一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统中建立的空间直角坐标系的示意图。

图3为本申请具体实施方式提供的一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统中探空仪相对于地面雷达的方位角的示意图。

图4为本申请具体实施方式提供的一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统中探空仪相对于地面雷达的仰角和直线距离的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1示出的是根据本申请的一个实施例提供的一种低空探空仪雷达盲区辅助校准系统。如图1所示，低空探空仪雷达盲区辅助校准系统包括探空仪1和地面控制台2，其中，探空仪1包括第一微控制器11以及与第一微控制器11连接的第一GPS模块12和无线发射模块13。地面控制台2包括第二微控制器21以及与第二微控制器21连接的第二GPS模块22、无线接收模块23和地面雷达控制单元24。无线发射模块13与无线接收模块23进行通信。

在本实施例中，探空仪1还包括GSM通信模块14，GSM通信模块14与第一微控制器连接11。第一微控制器连接11通过GSM通信模块14与外部气象工作人员的智能终端或地面控制台2进行通信。

探空仪1工作在3km以下的低空复杂环境时，第一GPS模块12将获取的探空仪1的位置信息发送给第一微处理器处理后通过无线发射模块13发送给地面控制台2。无线接收模块23将接收到的探空仪1位置信息发送给第二微控制器21。第二GPS模块22将获取的地面雷达的位置信息发送给第二微控制器21。第二微控制器21根据探空仪1的位置信息和地面雷达的位置信息得到探空仪1相对于地面雷达的方位角、仰角和直线距离，并将得到的探空仪1相对于地面雷达的方位角、仰角和直线距离发送给地面雷达控制单元24。地面雷达控制单元24根据探空仪1相对于地面雷达的方位角、仰角和直线距离对地面雷达的横向和纵向姿态进行辅助校准。具体地，地面雷达控制单元24可以采用转台，地面雷达设置在转台上，通过转台的旋转和上下角度的调整来辅助校准地面雷达的横向和纵向姿态。

具体地，第一GPS模块12和第二GPS模块22均采用瑞士U-blox公司研发的型号为NEO-6M的GPS和有源天线一体模块，该模块具有高灵敏度、低功耗、小静态漂移、小型化等优点。该模块极高的追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境中，该模块都能够实现高精度定位。

GSM通信模块14采用SIM900A模块，SIM900A模块接口丰富，功能完善，尤其适用于需要语言、短信、GPRS数据服务的各种领域。SIM900A模块支持RS232串口和LVTTL串口，并带硬件流控制。支持5V～24V的超宽工作范围。

第一微控制器11和第二微控制器21均采用MSP430系列的单片机。MSP430系列单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点。

无线发射模块13采用型号为E32-TTL-100的无线串口模块，该模块采用SX1278射频芯片，工作在410～441MHz频段(默认433MHz)，采用LoRa扩频技术，TTL电平输出，兼容3.3V与5V的IO口电压。

该模块具有软件FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。该模块具有数据加密和压缩功能。该模块在空中传输的数据，具有随机性，通过严密的加解密算法，使得数据截获失去意义。而数据压缩功能有概率减小传输时间，减小受干扰的概率，提高可靠性和传输效率。

在一个具体的实施例中，第一GPS模块12将实时获取的探空仪1的位置信息发送给第一微控制器11，其中，探空仪1的位置信息包括探空仪1的海拔高度H、经度Bj和纬度Bw信息。第一微控制器11将接收到的探空仪1的位置信息通过无线发射模块13发送给地面控制台2中的无线接收模块23。

无线接收模块23将接收到的探空仪1的位置信息发送给第二微控制器21。第二GPS模块22将实时获取的地面雷达的位置信息发送给第二微控制器21。其中，地面雷达的位置信息包括地面雷达的海拔高度h、经度Aj和纬度Aw信息。第二微控制器21根据探空仪1的位置信息和地面雷达的位置信息计算得到探空仪1相对于地面雷达的方位角β和仰角θ，以及探空仪1与地面雷达之间的直线距离M。

其中，如图2所示，将地球球心作为坐标原点O，将正北方向作为Z轴的正方向，将水平向右的方向作为X轴的正方向，将垂直于XOZ平面向外的方向作为Y轴的正方向，建立空间直角坐标系。将探空仪1用B点表示，地面雷达用A点表示，Z轴与地球顶面的交点用C点表示。

如图3和4所示，第二微控制器21根据探空仪1的经度Bj和纬度Bw以及地面雷达的经度Aj和纬度Aw信息，计算得到探空仪1相对于地面雷达的方位角β：

第二微控制器21根据探空仪1的海拔高度H、经度Bj和纬度Bw以及地面雷达的海拔高度h、经度Aj和纬度Aw信息，计算得到探空仪1相对于地面雷达的仰角θ：

L＝R×cr

c＝co^s-¹cos(90-Bw)×cos(90-Aw)+sin(90-Bw)×sin(90-Aw)×cos(Bj-Aj)。

其中，L探空仪1与地面雷达之间的弧线距离，R表示地球的半径，cr表示弧度，c表示球面上的两点A、B所在的弧对应的角度。

第二微控制器21根据探空仪1的海拔高度H、地面雷达的海拔高度h和L计算得到探空仪1与地面雷达之间的直线距离M。

第二微控制器21根据探空仪1与地面雷达之间的直线距离M以及探空仪1的海拔高度H判定探空仪1的工作模式。探空仪1的工作模式有三种，分别为低空模式、高空模式和回收模式。以下第二微控制器21对探空仪1工作模式的判定采用MSP430系列的单片机自带的计算和比较算法。

当探空仪1的海拔高度H大于探空仪1所在位置的海拔高度阈值，且探空仪1与地面雷达之间的直线距离M小于或等于3km时，第二微控制器21判定探空仪1工作在低空模式。第二微控制器21将计算得到的探空仪1相对于地面雷达的方位角β和仰角θ发送给地面雷达控制单元24。地面雷达控制单元24根据探空仪1相对于地面雷达的方位角β和仰角θ控制调整地面雷达的横向和纵向姿态。即探空仪1工作在低空模式时，地面控制台2通过第一GPS模块12获取探空仪1的位置信息，通过第二GPS模块22获取地面雷达的位置信息，进而对低空复杂环境下探空仪1的位置进行跟踪。

当探空仪1的海拔高度H大于探空仪1所在位置的海拔高度阈值，且探空仪1与地面雷达之间的直线距离M大于3km时，第二微控制器21判定探空仪1工作在高空模式。第二微控制器21不向地面雷达控制单元24发送探空仪1相对于地面雷达的方位角β和仰角θ。地面雷达通过现有技术中的点对点通信方式直接与探空仪1进行通信，地面雷达控制单元24根据二者的通信信息控制地面雷达对高空中探空仪1的位置进行实时跟踪。

当探空仪1的海拔高度H小于或等于探空仪1所在位置的海拔高度阈值时，第二微控制器21判定探空仪1工作在回收模式。第一GPS模块12获取的探空仪1的位置信息经第一微控制器11处理后通过GSM通信模块14发送至气象工作人员的智能终端，或发送至地面控制台2，从而方便气象工作人员根据需要对探空仪1进行有效回收。

本申请低空探空仪雷达盲区辅助校准系统通过GPS定位能够对低空复杂环境下的探空仪1位置进行标定，进而辅助校准地面雷达的横向和纵向姿态，使地面雷达能够自动跟踪探空仪1。当探空仪1升入3km以外的高空时，地面雷达与探空仪1之间不再依靠本申请低空探空仪雷达盲区辅助校准系统进行辅助校准，而是采用现有点对点通信方式，实现地面雷达与探空仪1之间的实时通信。当探空仪1落地后，探空仪1通过第一GPS模块12和GSM通信模块14与气象工作人员的智能终端或地面控制台2进行通信，将探空仪1的位置信息通过GSM通信模块14发送给气象工作人员，从而便于气象工作人员对探空仪1进行回收。本申请低空探空仪雷达盲区辅助校准系统具有抗干扰能力强、测量精度高、定位速度快、便于携带等特点，且具有成本低、集成度高、远距离通信误码率低、可回收等特点，易于推广。

上述实施例中，探空仪1还包括第一供电模块15，第一供电模块15与第一微控制器11、第一GPS模块12、无线发射模块13和GSM通信模块14连接，为第一微控制器11、第一GPS模块12、无线发射模块13和GSM通信模块14提供工作电压。具体地，第一供电模块15采用太阳能供电和电池供电两种方式。第一供电模块15包括太阳能电池板、充电电路、蓄电池、一次电池、电压比较电路和电源转换电路。太阳能电池板通过充电电路与蓄电池连接，蓄电池和一次电池均通过电压比较电路与电源转换电路连接，电源转换电路与第一微控制器11、第一GPS模块12、无线发射模块13和GSM通信模块14连接。

当探空仪1工作需要供电时，蓄电池供电作为首选。当遇到阴雨等恶劣天气时，由于太阳能电池板不能给蓄电池充电，蓄电池使用到一定限度后电压会下降，电压比较电路对一次电池的输出电压和蓄电池的输出电压进行比较确定电压高者供电输出。也就是说，在多数晴天状态，主要由太阳能电池板配合蓄电池为第一微控制器11、第一GPS模块12、无线发射模块13和GSM通信模块14供电，在少数阴雨天等恶劣天气状态，主要由一次电池为第一微控制器11、第一GPS模块12、无线发射模块13和GSM通信模块14供电；这样的设计，能够弥补连续阴雨天气蓄电池无法供电的缺陷，多数晴天状态采用太阳能供电，节能环保，延长一次电池的使用寿命。

上述实施例中，地面控制台2还包括第二供电模块25，第二供电模块25与第二微控制器21、第二GPS模块22和无线接收模块23连接，为第二微控制器21、第二GPS模块22和无线接收模块23提供工作电压。

上述实施例中，地面控制台2还包括显示器，显示器与第二微控制器21连接，其用于显示探空仪1相对于地面雷达的方位角、仰角和直线距离，从而方便气象工作人员可以根据显示的数据人工调整地面雷达的横向和纵向姿态。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。