专利名称：微波自动跟踪定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于水上建筑施工中的各种砼结构物件定位的微波自动跟踪定位系统。
在水工建筑施工中，各种砼结构物件均需要定位，如新建、扩建码头的定位，深层水泥拌合桩定位，江、海航标的定位，以及桥墩、系缆墩、靠船墩、沉箱的定位。目前日本采用的是红外和激光定位系统，日本测机舍株式会社的激光定位系统由激光测距仪、跟踪机构和计算机三大部分组成，测量三条边确定定位;日本拓普康株式会社的激光定位系统由激光测距仪(与电子测角构成一体)、跟踪部分和计算机三大部分组成，测量二条边及一侧角确定定位。这两种定位系统的精度能满足定位要求，但定位时间长，并且不能全天候作业，必须完全通视。美国生产的542型和562型及英国生产的MRB201微波定位系统，这些系统主台即船台的天线是全向型，作用距离范围大，自动化程度高，但其最大缺点是测距精度不高，误差在1.5m至2m之间，满足不了工程结构定位精度的要求，且微波源采用的是1W左右的磁控管或速调管，寿命500小时左右，易损坏且不易配到。
本发明的目的在于提供一种定位快、精度高、作业范围宽，可全天候作业并能提高工效的微波自动跟踪定位系统。
本发明由测距部分、跟踪部分和计算机组成，计算机设置在作业船上，其特征在于测距部分由6台电气性能和结构完全相同且采用8mm微波源的高精度微波测距仪组成，作业船上放置3台，岸上放置3台，作业船上3台与岸上3台微波测距仪组成三对，三个独立通道，同区域、同时工作，互不干扰，船上3台可以测距，岸上3台不能测距，船上3台测距仪的输出通过RS232接口接到作业船上的计算机上;跟踪部分采用水平方位伺服跟踪，它由天控器、驱动器、交流伺服电机组成，天控器的输入端与微波测距仪的AGC自动增益控制端相接，天控器的输出通过驱动器接到交流伺服电机上，交流伺服电机再与船上微波测距仪底部机械相接，天控器利用微波测距仪的AGC自动增益信号，通过驱动器控制交流伺服电机转动，使交流伺服电机带动船上微波测距仪，使船上微波测距仪始终对准岸上微波测距仪。船在移动过程中，可同时测量三条边距离数据，送入计算机把现有的打桩位置计算出来，以图象和x、y座标的方式显示在屏幕上，供船长操纵作业船，使其打桩位置向设计桩位靠拢。
为了保证在近距离时作业船不致脱靶，岸上3台高精度微波测距仪的水平波束根据需要从3°至16°可展成任意角度。
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明作业船上的微波测距仪与计算机中心控制室的布线示意图;
图3为本发明中CMW-20高精度微波测距仪的电原理框图;
图4为本发明岸上3台微波测距仪水平波束展宽原理示意图;
图5为本发明的打桩定位方案示意图;
图6为本发明中打桩定位时在计算机屏幕上显示的桩位图。
参见附图1、5，本发明的测距部分由6台英国CMW-20(电气、结构完全相同)的微波测距仪1a、1b、1c、2a、2b、2c组成，微波源采用8mm，精度为毫米量级，载频调谐范围34.5GHz-34.9GHz在岸上已知M点放置两台1a和1b，且1a和1b同心，分上下两层放置，已知N点放置1台1c(也可N点放置两台，M点放置一台)，且M和N两点的距离也是已知的，在船上A、B、C三点分别放置3台2a、2b、2c，A、B和C三点距离是已知的，其中1a和2a、1b和2b、1c和2c各组成一对，即在34.5GHz-34.9GHz范围内使微波测距仪1a和2a的载频相同，1b和2b的载频相同，3a和3b的载频相同，这样每对用一个通道，三对用三个通道，各自独立，三对CMW-20微波测距仪同时且同区域工作互不影响和干扰，船上3台微波测距仪2a、2b、2c的RS232接口与计算机6相接，在作业船7上3台CMW-20上装有水平方位伺服跟踪，它由交流伺服电机3a或3b、3c，驱动器4a或4b、4c，天控器5a或5b、5c组成，微波测距仪2a或2b、2c的AGC信号分别接到天控器5a或5b、5c的输入端，其控制信号输出通过驱动器4a或4b、4c接到交流伺服电机3a或3b、3c上，交流伺服电机3a或3b、3c与船上微波测距仪2a或2b、2c的底部机械连接，这样使船上的微波测距仪始终对准岸上的微波测距仪。其自动跟踪原理是采用最大信号跟踪法，即当微波测距仪2a中的天线启动搜索后，按逆时针方向旋转，进入天控器5a或5b、5c里的AGC前后信号进行比较、判别，若后者大于前者，天线旋转方向不改变，继续逆时针方向旋转，在转动过程中，AGC信号一旦出现后者小于前者信号，天线旋转方向要改变即顺时针旋转，直至找到AGC最大信号才停止转动，这时船上微波测距仪2a或2b、2c对准了岸上的微波测距仪1a或1b、1c，接收信号强度最大，如果偏离，接收信号即变小。P点为作业船7打桩定位点，在P点处接有一组钻杆，三角形PA′B′为桩架，PA′和PB′与作业船是刚性连接，且PA′、PB′是已知固定的。在中心控制室安装横向和纵向2个传感器，以反映船体的纵横倾角，在与桩架8相连处安装一桩架传感器，反映桩架8的倾角，当出现倾斜时，可以进行修正。
参见附图2，从CMW-20底部引出4根电缆线，从左数第一根电缆线内含6根线，为手控器连接线，它与船上的手控器相接，用于开机、启动和测量，第二根电缆线内含5根线，为RS232接口线，与船中心控制室的计算机RS232接口相接，第三根电缆线内含2根线，为电源线，与稳压电源相接，第四根电缆线内含2根线，为自动增益控制AGC线，与天控器输入端相接，第五根电缆线内含10线，为驱动器与交流伺服电机的连接线。
参见附图3，CMW-20的微波源为8mm，其载频调谐范围为34.5GHz-34.9GHz，测距频率为160MHz。其自动调谐原理是对于船上的微波测距仪来说，当船上和岸上的微波测距仪分别开机通电后，船上微波测距仪给载频f0自动调谐电路以扫描指令，该电路输出的扫描锯齿电压加到微波源中的变容二极管上使载频f0在34.65-34.79GHz之间变化，扫描范围140MHz，岸上微波测距仪发向船上的微波测距仪的载频f0′固定在34.65GHz，当两台自动调谐上时，在微波源中体效应管实现混频，产生中频信号73.740MHz，在中频电路中与本振62.980MH进行第二次混频，得到第二中频10.7MHz，最后中放给相位计数电路送出高于1伏的直流电平，信号越强，电平越高，相位计数电路一方面给自动调谐电路送去一低电平，使其停止f0扫描，代之以中放的自动频率控制AFC控制73.740MHz，另一方面相位计数电路还给电表以驱动，显示接收信号的大小，当自动调谐完成后，岸上微波测距仪中信号电表也有相应的指示，根据信号指示判别，双方仪器对准，这时船上和岸上的微波测距仪调谐联系已告完成。对于岸上的微波测距仪来说，当其接收到船上发来的调频信号，在微波源中产生混频得到第一中频，在中放里又进行第二次混频，得到第二中频，同船上微波测距仪一样，第一中频为73.740MHz，第二中频为10.7MHz，在测距时，中频上的调幅信号39MHz是船上微波测距仪与岸上微波测距仪测距频率之差为39.0625KHz，调幅39KHz信号被送到相位计数电路与9.7KHz基准信号比较相位差，9.7KHz是由微处理机中的5MHz分频而来，相位差数据由相位计数电路计数后，由信息通道送微处理机。在此进行78KHz的编码处理，又由微处理机输出经自动调谐电路加到微波源变容管上，对岸上微波测距仪载频进行调频，然后返回船上微波测距仪，船上微波测距仪接收到岸上微波测距仪发来的调频信号，经过二次混频输入中放，中放解调出两路信号，一路39KHz调幅信号，一路78KHz调频信号，调幅信号送相位计数电路，与微机送来的9.7KHz基准信号比较相位差并予以计数，相位差数据由信息通道送微处理机，调频信号78KHz的数据键串，经音调检波电路将相位数据整形为方波送微处理机，由微处理机将船上和岸上分别得到的相位差数据取中数并储存起来，随着取的14个测距频率依次测距，微处理机对所有的相位差数据完成精粗的正确衔接处理，从而得到越来越精确的距离值，经微处理器译码输出到手控器液晶显示距离。14个测距频率的工作顺序是，先间接粗测到直接粗测最后精测，当粗测时，若测得距离大于10Km，测距频率160MHz不参加测距，距离显示到厘米，当粗测得距离小于10Km，160MHz才参加测距，距离显示到毫米。
参见附图4，为了保证在近距离时，作业船不致于脱靶，本发明岸上3台CMW-20采用了水平波束展宽方案，其波束角度可从3°至16°之间展宽。其展宽原理是改变反射面的辐射口径在水平面的大小尺寸，以达到改变水平面的波束宽度，与此同时还要保持铅垂面的波束宽度不变，CMW-20的天线是偏置的截抛物面天线，辐射口径是矩形的，矩形EFGH是原天线的辐射口径，由焦点发出的电磁波到达这个辐射口径，在辐射口径各点上的场强是同相的，为了增加天线在水平面的波束宽度，在原辐射口径EFGH的两侧，对称的加上两块宽度相等的金属反射条EE′HH′和FF′GG′，这时由焦点发出的电磁波，射到两金属条上的部分向左右两侧反射掉了，射到中心区域的部分，经抛物面反射后到达了辐射口E′F′G′H′，在这个辐射口径上各点的场强是同相的，由于该辐射口径在铅垂面的尺寸不变，故天线在铅垂面的尺寸不变，但辐射口径在水平面的尺寸变小了，由GH变为G′H′，E′F′＝G′H′，故天线在水平面的波束宽度要变宽，如果使L＝G′H′连续可调，则天线在水平面的波束宽度连续可调，这种改变天线辐射口径大小的机构，称为变波束窗口。其优点是天线铅垂面的波束宽度不变，水平面波束宽度连续可调且不会改变收、发波束的相位，不会改变源的驻波比，保持原天线源及反射面不作任何变化。
本系统打桩定位过程是参见附图5，首先将设计好的桩位P点预置到计算机6中，即假设P点已知，将其x和y座标输入到计算机6中，然后利用定位系统在海上寻找桩位。定位时，根据键盘输入的潮位，M、N点标高，岸台支架高度，干舷高，船上微波测距仪至甲板高度，以及实测的桩架倾角值等将三条边11、12、13斜距换算成平距，再根据船上微波测距仪与桩架8定位点的几何关系计算出实际定位点参数，根据已存入定位数据文件中的予定参数，可计算出实测桩位与预置桩位两桩位座标值之差，并进行图象处理，图6中在屏幕正中显示的两个长方块，一个方块代表预置桩位，另一方块代表作业船桩位即时位置，两个长方块重合说明已在海中找到了要打桩的实际位置，屏幕左上方表明所找桩位与设计桩位的x、y座标值之差，均应小于等于2.5cm，屏幕右上侧显示时间，文件名，预置桩序号，预置桩位x和y座标值，气象，潮位，干舷，右下方表示实际桩架的横和纵角，架桩角，三条边距离，船纵向角α等，图6中右上角的1.0°表示船纵向角度差值。
本发明与现有技术相比具有如下优点1.可全天候作业。无论白天、夜间、雨天、雾天、雪天，都可以工作，这是红外和激光定位所不及的。
2.定位快、精度高。平均1分钟定一个桩位，定位精度小于等于2.5cm，红外和激光定位约7至8分钟，系统定位精度在5cm-10cm之间。
3.作业覆盖面比红外和激光定位宽，岸上参考点勿需常移动位置，因而大大提高工效。根据需要岸台水平波束从3°至16°之间可扩展成任意角度。
4.适应能力比红外和激光强，不仅适应长距离的控制测量，而且便于多种条件下的作业。
权利要求
1.微波自动跟踪定位系统，由测距部分、跟踪部分和计算机组成，计算机设置在作业船上，其特征在于a测距部分由6台电气性能和结构完全相同的且采用8mm微波源的高精度微波测距仪组成，岸上放置3台，作业船上放置3台，岸上3台微波测距仪与船上3台组成三对，船上3台测距仪的输出通过RS232接口接到作业船上的计算机上；b跟踪部分采用水平方位伺服跟踪，它由天控器、驱动器、交流伺服电机组成，天控器的输入端与船上微波测距仪的AGC自动增益控制端相接，天控器的输出通过驱动器接到交流伺服电机上，交流伺服电机再与船上微波测距仪底部机械连接。
2.根据权利要求1所述的微波自动上跟踪定位系统，其特征在于岸上3台高精度微波测距仪的水平波束从3°至16°可以展成任意角。
全文摘要
一种水上建筑中的砼结构物件定位用的微波自动跟踪定系统由测距部分、跟踪部分和计算组成，测距部分由6台电气性能和结构完全相同且微波源采用8mm的高精度微波测仪组成，岸上放3台，船上放3台，跟踪部分采用水平方位伺服跟踪，由天控器、驱动器、交流伺服电机组成，天控器的输入与船上微波测距仪AGC端相接，其输出经驱动器接到交流伺服电机上，交流伺服电机与在船上微波测距连接，本发明具有定位快、精度高，可全天候作业，且作业范围宽的优点。
文档编号G01S5/02GK1098789SQ9410598
公开日1995年2月15日 申请日期1994年6月9日 优先权日1994年6月9日
发明者吴德渊 申请人:航空航天工业部第五研究院第五一三研究所