数字化电场探空系统的跟踪定位与探测信号处理
|
摘要
地球表面的大气中存在着平均强度为130 V/m的电场,它是研究多种天气现象与地球物理过程的重要参数之一。数字化电场探空系统是对0～30km的空中电场进行实地探测的新型全自动高空探测系统,由球载空中电场测量装置和地面跟踪定位与数据处理设备组成,采用1680MHz载波频率。它利用GPS定位,宽波瓣天线捕捉和低噪声接收的方法替代雷达或无线电经纬仪对高空探测仪器进行跟踪定位和获取信息,具有不受低仰角的限制和目标不易丢失等特点。终端处理软件通过串口接收GPS定位数据和电场测量数据并进行处理,显示探测结果,绘制电场的分布曲线,并引导接收天线指向探空仪以跟踪它的信号。由于设备轻便、操作简单,有较好的机动性和可靠性,这套系统不仅在高空大气电场探测领域,而且在空间环境探测及常规的气象探测中都有广阔的应用前景。
本文详细介绍了借助GPS进行探空仪的跟踪定位的实现方法以及终端处理软件的设计。在2005年进行的四次飞行试验中,获得了一批我国西南地区大气电场的探测数据,证明了这种跟踪定位的方法是可行的。这几次试验的情况也在本文中作了介绍。
The atmospheric electric field prevailing all the time over the entire Earth with amean intensity of 130V/m is a key parameter for studying various weather phenomenaand geophysical processes. The digital electric field sounding system is a newlydeveloped full-automatic sounding system of upper atmosphere which is capable of insitu measurement of the electric field in the 0 ～ 30km range. Composed ofballoon-borne electric field measurement equipment and ground tracking &positioning and signal processing equipment, the system works in the 1680MHz band,and uses GPS in place of radar or theodolite to track the radiosonde without the limitof small elevation,as well as a wide lobe antenna and a low-noise receiver to avoidlosing the target. The terminal software receives and processes the GPS and electricfield data from COM port, shows the result, draws the distribution curve of the electricfield,and guides the receiving antenna to track the radiosonde. Mainly used in electricfield measurement of upper atmosphere by far,the system, featuring portableequipment,facility operation and perfect movability and reliability, has a greatprospect in the space environment and common meteorologic sounding as well.
The solution of tracking & positioning and the development of the terminalsoftware are introduced here. In the four flying experiments in 2005, sufficient data ofatmospheric electric field in Southwest China were obtained which confirmed thevalidity of the method. These experiments are also introduced in this paper.
本文详细介绍了借助GPS进行探空仪的跟踪定位的实现方法以及终端处理软件的设计。在2005年进行的四次飞行试验中,获得了一批我国西南地区大气电场的探测数据,证明了这种跟踪定位的方法是可行的。这几次试验的情况也在本文中作了介绍。
The atmospheric electric field prevailing all the time over the entire Earth with amean intensity of 130V/m is a key parameter for studying various weather phenomenaand geophysical processes. The digital electric field sounding system is a newlydeveloped full-automatic sounding system of upper atmosphere which is capable of insitu measurement of the electric field in the 0 ～ 30km range. Composed ofballoon-borne electric field measurement equipment and ground tracking &positioning and signal processing equipment, the system works in the 1680MHz band,and uses GPS in place of radar or theodolite to track the radiosonde without the limitof small elevation,as well as a wide lobe antenna and a low-noise receiver to avoidlosing the target. The terminal software receives and processes the GPS and electricfield data from COM port, shows the result, draws the distribution curve of the electricfield,and guides the receiving antenna to track the radiosonde. Mainly used in electricfield measurement of upper atmosphere by far,the system, featuring portableequipment,facility operation and perfect movability and reliability, has a greatprospect in the space environment and common meteorologic sounding as well.
The solution of tracking & positioning and the development of the terminalsoftware are introduced here. In the four flying experiments in 2005, sufficient data ofatmospheric electric field in Southwest China were obtained which confirmed thevalidity of the method. These experiments are also introduced in this paper.
引文
[1] 周淑贞,气象学与气候学(第三版).北京:高等教育出版社,1997
[2] 叶笃正主编,周诗健、梁奇先、黄炳勋等撰写,中国大百科全书 大气科学-海洋科学-水文科学.北京:中国大百科全书出版社,1987 年
[3] 庄洪春,空间电学.北京:科学出版社,1995 年
[4] 孙景群,大气电学基础.北京:气象出版社,1987 年
[5] 虞昊,现代防雷技术基础(第二版) .北京:清华大学出版社,2005 年
[6] 陈敏捷,1680MHz 电场探空系统数据采集与处理,中科院空间中心硕士学位论文,2001 年
[7] J.V.Iribarne,H.R.Cho 著,唐东升等译,大气物理学.北京:气象出版社,1985 年
[8] 雷电的形成,中国气象网,南京贝雷科技网
[9] B. B. Phillips,CHARGE DISTRIBUTION IN A QUASI-STATIC THUNDERCLOUD MODEL,MONTHLY WEATHER REVIEW,1967, (12):847-853
[10] Rust, W.D., and T.C. Marshall, On Abandoning the Thunderstorm Tripole-Charge Paradigm. Journal of Geophysical Research,1996: 101, 23,499-23,504.
[11] 李春生,雷暴—航空飞行的天敌,民航华北空管局气象中心
[12] 郄秀书,雷电的防御保障体系.中国气象发展战略
[13] 沈辛荪,长征三号火箭撞开世界大门.中国航天,2000,6
[14] 罗福山,雷击飞行器事件与美国航天活动的发射规范.中国航天,1993, (1):27-29
[15] 罗福山,肯尼迪航天中心的雷电防护系统.世界导弹与航天,1991, (3):43-46
[16] EFM-100 Atmospheric Electric Field Monitor Installation/Operators Guide,BOLTEK 公司
[17] 庄洪春,黄建国等,大气等离子体避雷,地球物理学报-2002,45(C00): 37-47
[18] 傅元芬,李双喜,黄寅亮,太阳耀斑爆发对京津冀地区云-地闪电活动的影响.天文学报,2000,41(1): 104-107
[19] 郝建国,潘怀文等,准静电场异常与地震——一种可靠短临地震前兆信息探索.地震地磁观测与研究,2000,8:3-166
[20] 王继军,赵国泽等,中国地震电磁现象的观测与研究,大地测量与地球动力学,2005,5:11-21
[21] 厉进宝,金星,金星,孙宜军,省局重点工程项目-延吉 L 波段雷达通过安装验收,延边气象信息网(www.ybqx.gov.cn),2005 年 11 月 30 日
[22] A.I.Eriksson, M.André,et al.Electric field measurements on Cluster: comparing the double-probe and electron drift techniques,Annales Geophysicae,2006,24,275–289
[23] 罗福山,何渝晖等,新型倒装式旋转电场仪.地球物理学报,2004,24(6):470-474
[24] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,KDY 型旋转式电场仪.电测与仪表,1993, 30(4):17-21
[25] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,电场标定装置.电测与仪表,1993, 30(6):30-34
[26] 罗福山,谌晓茅,微火箭电场仪的原理及其应用.地球物理学报,2000,43(5):616-620
[27] 罗福山,陈敏捷,庄洪春,何渝晖等,轻便式气球、火箭高空大气探测共用系统.地球物理学报,2004,47(2):212-215
[28] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,球载双球式电场仪及其应用.地球物理学报,1999, 42(6):772-777
[29] 刘大杰,施一民等,全球定位系统(GPS)的原理与数据处理.上海:同济大学出版社,1996
[30] Elliott D.Kaplan 著,邱致和、王万义译,GPS 原理与应用.北京:电子工业出版社,2002
[31] 张庆阳、张沅、李莉,大气探测技术发展趋势综述.暴雨科研情报,2004 年第 5 期
[32] 李远,胡修林等,基于 GPS-OEM 板和单片机的定位终端开发.湖北邮电技术,2004,6:29-32
[33] GPS 15H&15L TECHNICAL SPECIFICATIONS. GARMIN 公司
[34] 于强、吕朝晖,天线控制器操作手册,中科院空间中心,2005
[35] 8-bit micro-controller with 20K bytes flash:AT89C55,ATMEL 公司,1999
[36] 吕朝晖,雷达天线控制器(软件),北京理工大学本科毕业论文,2005
[37] 李鸿吉,Visual Basic 高级编程技术.北京:科学出版社,2003
[38] 范逸之,陈立元. Visual Basic 与 RS-232 串行通信控制(最新版).北京:清华大学出版社,2002
[39] 田社平等,基于遗传算法的正弦波信号提取方法.计量技术,2005.No.5
[40] 蒋铁海,在 VB 程序中用 ADO 对象动态创建数据库和表.计算机与信息技术.2002,3
[41] 马舒庆,高空气象探测发展趋势.中国气象报 2005.02.22
[42] 黄寅亮,我国雷暴活动对宇宙线福布希下降的短期响应.天体物理学报,1996,16(1)
[43] 陶祖钰,黄寅亮,李双喜,付元芬,宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响.天津理工学院学报,2001,17(2):15-17
[44] 浦东气象网,http://www.pdweather.com
[45] 香港高空气象观测,香港天文台网站,http://gb.weather.gov.hk/wservice/tsheet/uametc.htm
[2] 叶笃正主编,周诗健、梁奇先、黄炳勋等撰写,中国大百科全书 大气科学-海洋科学-水文科学.北京:中国大百科全书出版社,1987 年
[3] 庄洪春,空间电学.北京:科学出版社,1995 年
[4] 孙景群,大气电学基础.北京:气象出版社,1987 年
[5] 虞昊,现代防雷技术基础(第二版) .北京:清华大学出版社,2005 年
[6] 陈敏捷,1680MHz 电场探空系统数据采集与处理,中科院空间中心硕士学位论文,2001 年
[7] J.V.Iribarne,H.R.Cho 著,唐东升等译,大气物理学.北京:气象出版社,1985 年
[8] 雷电的形成,中国气象网,南京贝雷科技网
[9] B. B. Phillips,CHARGE DISTRIBUTION IN A QUASI-STATIC THUNDERCLOUD MODEL,MONTHLY WEATHER REVIEW,1967, (12):847-853
[10] Rust, W.D., and T.C. Marshall, On Abandoning the Thunderstorm Tripole-Charge Paradigm. Journal of Geophysical Research,1996: 101, 23,499-23,504.
[11] 李春生,雷暴—航空飞行的天敌,民航华北空管局气象中心
[12] 郄秀书,雷电的防御保障体系.中国气象发展战略
[13] 沈辛荪,长征三号火箭撞开世界大门.中国航天,2000,6
[14] 罗福山,雷击飞行器事件与美国航天活动的发射规范.中国航天,1993, (1):27-29
[15] 罗福山,肯尼迪航天中心的雷电防护系统.世界导弹与航天,1991, (3):43-46
[16] EFM-100 Atmospheric Electric Field Monitor Installation/Operators Guide,BOLTEK 公司
[17] 庄洪春,黄建国等,大气等离子体避雷,地球物理学报-2002,45(C00): 37-47
[18] 傅元芬,李双喜,黄寅亮,太阳耀斑爆发对京津冀地区云-地闪电活动的影响.天文学报,2000,41(1): 104-107
[19] 郝建国,潘怀文等,准静电场异常与地震——一种可靠短临地震前兆信息探索.地震地磁观测与研究,2000,8:3-166
[20] 王继军,赵国泽等,中国地震电磁现象的观测与研究,大地测量与地球动力学,2005,5:11-21
[21] 厉进宝,金星,金星,孙宜军,省局重点工程项目-延吉 L 波段雷达通过安装验收,延边气象信息网(www.ybqx.gov.cn),2005 年 11 月 30 日
[22] A.I.Eriksson, M.André,et al.Electric field measurements on Cluster: comparing the double-probe and electron drift techniques,Annales Geophysicae,2006,24,275–289
[23] 罗福山,何渝晖等,新型倒装式旋转电场仪.地球物理学报,2004,24(6):470-474
[24] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,KDY 型旋转式电场仪.电测与仪表,1993, 30(4):17-21
[25] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,电场标定装置.电测与仪表,1993, 30(6):30-34
[26] 罗福山,谌晓茅,微火箭电场仪的原理及其应用.地球物理学报,2000,43(5):616-620
[27] 罗福山,陈敏捷,庄洪春,何渝晖等,轻便式气球、火箭高空大气探测共用系统.地球物理学报,2004,47(2):212-215
[28] 罗福山,庄洪春,何渝晖等,球载双球式电场仪及其应用.地球物理学报,1999, 42(6):772-777
[29] 刘大杰,施一民等,全球定位系统(GPS)的原理与数据处理.上海:同济大学出版社,1996
[30] Elliott D.Kaplan 著,邱致和、王万义译,GPS 原理与应用.北京:电子工业出版社,2002
[31] 张庆阳、张沅、李莉,大气探测技术发展趋势综述.暴雨科研情报,2004 年第 5 期
[32] 李远,胡修林等,基于 GPS-OEM 板和单片机的定位终端开发.湖北邮电技术,2004,6:29-32
[33] GPS 15H&15L TECHNICAL SPECIFICATIONS. GARMIN 公司
[34] 于强、吕朝晖,天线控制器操作手册,中科院空间中心,2005
[35] 8-bit micro-controller with 20K bytes flash:AT89C55,ATMEL 公司,1999
[36] 吕朝晖,雷达天线控制器(软件),北京理工大学本科毕业论文,2005
[37] 李鸿吉,Visual Basic 高级编程技术.北京:科学出版社,2003
[38] 范逸之,陈立元. Visual Basic 与 RS-232 串行通信控制(最新版).北京:清华大学出版社,2002
[39] 田社平等,基于遗传算法的正弦波信号提取方法.计量技术,2005.No.5
[40] 蒋铁海,在 VB 程序中用 ADO 对象动态创建数据库和表.计算机与信息技术.2002,3
[41] 马舒庆,高空气象探测发展趋势.中国气象报 2005.02.22
[42] 黄寅亮,我国雷暴活动对宇宙线福布希下降的短期响应.天体物理学报,1996,16(1)
[43] 陶祖钰,黄寅亮,李双喜,付元芬,宇宙线福布希下降对京津冀地区闪电计数的短期影响.天津理工学院学报,2001,17(2):15-17
[44] 浦东气象网,http://www.pdweather.com
[45] 香港高空气象观测,香港天文台网站,http://gb.weather.gov.hk/wservice/tsheet/uametc.htm