全文摘要
本实用新型公开了一种高精度低空数字探空仪，属于气象技术领域。它包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统，低空环境数据采集系统设发射端，发射端上连接探空气球和放球装置；发射端上还连接BDS\/GPS双用模块。本实用新型的探空仪结构上设有BDS\/GPS双用模块，用于检测探空仪所处环境的实时风向和实时风速，GPS与BDS模块之间可进行数据交换从到达相互校正提高定位精度的效果。此外，BDS\/GPS双用模块可以在GPS或BDS任意一种失效的情况下自动切换成另一种定位系统保障数据稳定以及传输的可靠性。
主设计要求
1.一种高精度低空数字探空仪，包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统，其特征在于：所述低空环境数据采集系统设发射端，所述发射端上连接探空气球和放球装置；所述发射端上还连接BDS\/GPS双用模块。
设计方案
1.一种高精度低空数字探空仪，包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统，其特征在于：
所述低空环境数据采集系统设发射端，所述发射端上连接探空气球和放球装置；所述发射端上还连接BDS\/GPS双用模块。
2.根据权利要求1所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述发射端上设单片机、第一无线传输模块、供电模块，所述单片机分别连接第一无线传输模块、供电模块和所述BDS\/GPS双用模块。
3.根据权利要求2所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述发射端上还设有温度传感器，所述温度传感器为NTC式温度传感器，所述温度传感器与所述单片机通信连接。
4.根据权利要求3所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述温度传感器表面镀有银涂层。
5.根据权利要求2所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述发射端上还设有湿度传感器，所述湿度传感器包括湿敏电容，所述湿度传感器与所述单片机通信连接。
6.根据权利要求2所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述发射端上还设有气压传感器，所述气压传感器为压阻式硅微机传感器，所述气压传感器与所述单片机通信连接。
7.根据权利要求2所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述发射端上还设有加热模块，所述加热模块包括PTC加热体，所述加热模块与所述单片机通信连接。
8.根据权利要求2所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述供电模块采用锂电池。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种高精度低空数字探空仪，其特征在于：所述地面数据接收处理系统包括第二无线传输模块、接收机和上位机，所述接收机与所述第二无线传输模块之间、所述接收机与所述上位机之间均通讯连接。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于气象技术领域，具体地说，涉及一种高精度低空数字探空仪。
背景技术
随着卫星和无线通信技术的发展，使得探空技术及行业有了突飞猛进使得发展，利用卫星定位以及无线通信是当前探空系统采用的主要技术手段，通过后端的计算机对采集到的数据进行处理能够有效而准确的对高空及低空的气候进行实时检测。2001年Vaisala推出了采用GPS体制的数字化RS92探空仪，标志着探空系统和探空仪完全实现数字化。
我国是全球探空站密度最高的国家之一。目前我国探空系统主要采用以L波段探空系统为主体的探空体系，L波段探空系统包括GTS1电子探空仪与地面L波段探空雷达，资料的时空密度明显加大，探测精度得到大幅度提升。
目前主流的探空设备皆是针对高空探测，由于高度原因使得设备的体积和重量都较大，操作不便，一般用于气象部门的固定站。这些设备对于低空探测来说过于笨重，操作不便，同时由于对流层气象环境复杂多变，湿度随高度有较大的空间变率，高空探空设备对于对流层的探测存在灵敏度低，响应速度慢等缺点。所以需要研发一款重量轻、精度高、体积小、操作便携的低空探空仪，它可以满足低空环境的气候探测，从而为需要进行低空环境监测的场景提供有效的解决方案。
公开号为CN205539539U，公开日为2016年8月31日的中国专利，公开了一种低空数字探空仪。它包括：探空气球，所述探空气球上设置有无线探空仪，所述无线探空仪与接收天线连接，所述接收天线与数字接收机相连，所述数字接收机与计算机终端相连。该实用新型提供的低空数字探空仪，使用探空气球携带探空仪进行低空性能测试，但该实用新型存在自动化程度不高且在质量、体积稳定性以及所使用的技术等方面没有做具体说明。
公开号为CN 203054249U，公开日为2013年7月10日的中国专利，公开了一种采用无线射频传输数据的GPS气象探空仪。它包括氦气球和主体，所述主体悬挂在氦气球的下方，所述主体包括壳体，壳体内设有电路板和电池，电路板上设有外接GPS天线的GPS模块、单片机、温湿度传感器和大气压传感器，所述外接GPS天线的GPS模块的数据输出端与单片机的串行输入端连接，温湿度传感器、大气压传感器均与单片机的并行I\/O口连接，单片机的串行输出端上还连接有无线数据传输模块，该无线数据传输模块上连有通讯天线，所述电池通过导线连接电路板。氦气球升空后将温湿度传感器、大气压传感器收集的气象数据以及GPS模块获取的地理位置信息借助无线数据传输模块传输到地面信息中心。但该实用新型公开的探空仪对GPS定位系统依赖性较强，不适用于对国产研发要求较高的探空场所。
实用新型内容
1、要解决的问题
针对现有探空仪测量误差大、稳定性不强等问题，本实用新型公开了一种高精度低空数字探空仪，采用BDS\/GPS双用模块，具有高精度、高稳定性等优异性能。
2、技术方案
为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
一种高精度低空数字探空仪，包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统，所述低空环境数据采集系统设发射端，所述发射端上连接探空气球和放球装置；所述发射端上还连接BDS\/GPS双用模块。
作为优化方案，所述发射端上设单片机、第一无线传输模块、供电模块，所述单片机分别连接第一无线传输模块、供电模块和所述BDS\/GPS双用模块。
作为优化方案，所述发射端上还设有温度传感器，所述温度传感器为NTC式温度传感器，所述温度传感器与所述单片机通信连接。
作为优化方案，所述温度传感器表面镀有银涂层。
作为优化方案，所述发射端上还设有湿度传感器，所述湿度传感器包括湿敏电容，所述湿度传感器与所述单片机通信连接。
作为优化方案，所述发射端上还设有气压传感器，所述气压传感器为压阻式硅微机传感器，所述气压传感器与所述单片机通信连接。
作为优化方案，所述发射端上还设有加热模块，所述加热模块包括PTC加热体，所述加热模块与所述单片机通信连接。
作为优化方案，所述供电电源采用锂电池。
作为优化方案，所述地面数据接收处理系统包括第二无线传输模块、接收机和上位机，所述接收机与所述第二无线传输模块之间、所述接收机与所述上位机之间均通讯连接。
3、有益效果
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型的探空仪结构上设有BDS\/GPS双用模块，用于检测探空仪所处环境的实时风向和实时风速，GPS与BDS模块之间可进行数据交换从到达相互校正提高定位精度的效果。此外，BDS\/GPS双用模块可以在GPS或BDS任意一种失效的情况下自动切换成另一种定位系统保障数据稳定以及传输的可靠性。
本实用新型使用的BDS\/GPS模块能够为探空仪在低功耗低成本的基础上提供厘米级别的定位，整个模块体积为30*40*5mm，有利于探空仪整体集成减小体积。本实用新型具有功耗低、成本低、体积小、和重量轻等优势。
(2)BDS\/GPS双用模块将测量到的经度、纬度和高度数据传送至单片机，单片机通过这些数据计算出探空仪所处环境的实时风向和实时风速，GPS与BDS模块之间可进行数据交换从到达相互校正提高定位精度的效果。
(3)本实用新型采用NTC式温度传感器采集温度，并通过分压法与单片机信号连接，提高了探空仪测量环境温度的精度，使探空仪温度测量性能更加稳定可靠。
(4)银涂层能够防止太阳光照射引起的温度传感器表面温度持续上升，在NTC温度传感器表面镀银能有效反射太阳光辐射，以减小太阳辐射造成的测量误差。
(5)带湿敏电容的湿度传感器对环境湿度反应灵敏性和准确性更强，探空仪采用湿敏电容测量监测湿度更具有可行性。
(6)气压传感器采用SPI方式与单片机通信，提供16位的压力和温度参数，可进行温度补偿，测量范围最低可达10mbar，最高可达1100mbar，具有低电压，低功耗等特性。
(7)加热模块采用PTC(Positive Temperature Coefficient)热敏电阻作为加热工具，当温度达到PTC居里温度时，能维持当前温度不变，防止持续加热导致的温度持续上升损坏仪器，便于控制。
(8)锂电池相对于常用干电池具有更轻的重量与更小的体积，由于探空仪研发设计过程中需要将重量和体积作为优先考虑的设计要素，因此本实用新型设计的探空仪最好采用锂电池作为供电电源。
附图说明
图1为低空环境数据采集系统的结构框架图；
图2为发射端的结构框架图；
图3为地面数据接收处理系统的结构框架图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
实施例1
一种高精度低空数字探空仪，如图1所示，包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统；低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统均可以选用现有探空仪对应的硬件来作为相应系统使用。
低空环境数据采集系统包括发射端，发射端上连接探空气球和用于将探空气球释放升空的放球装置，发射端上还设有BDS\/GPS双用模块，BD\/GPS双用模块目前采用国内自主研发生产的和芯星通公司的UB4B0M全系统全频紧凑型高精度模块具体型号可以根据技术升级等情况进行调整。
本实施例的探空气球充满氦气后，能把低空环境数据采集系统的硬件升到空中随风飘动并上升。在探空气球上升到0-3km的空中的过程中，BDS\/GPS模块开始进行数据采集，低空采集系统中的处理模块，如单片机，对这些数据进行处理，然后用第一无线传输模块将数据发送到地面数据接收处理系统，地面数据接收处理系统通过接收和处理，最终得到我们所需的低空气象探测所要求的信息。放球装置在本实例中用于释放探空气球。
BDS\/GPS双用模块，用于检测探空仪所处环境的实时风向和实时风速，GPS与BDS模块之间可进行数据交换从到达相互校正提高定位精度的效果。此外，BDS\/GPS双用模块可以在GPS或BDS任意一种失效的情况下自动切换成另一种定位系统保障数据稳定以及传输的可靠性。
BDS\/GPS模块采用国内自主研发的全频点高精度导航芯片，该芯片内置了SensorHub，可接入多种传感器进行融合定位，通过精准的场景及上下文识别，即使在恶劣信号环境仍能保证更快、更准的定位体验。模块内置JamShield高性能多频点抗干扰技术以及Instant Heading快速定向技术，能够为探空仪在低功耗低成本的基础上提供厘米级别的定位。整个模块体积为30*40*5mm,有利于探空仪整体集成减小体积。
实施例2
在实施例1的结构基础上，实施例2的发射端采用以下结构：包括单片机，单片机上连接第一无线传输模块和供电模块，BDS\/GPS双用模块与单片机通讯连接。
BDS\/GPS双用模块将测量到的经度、纬度和高度数据传送至单片机，单片机通过这些数据计算出探空仪所处环境的实时风向和实时风速，GPS与BDS模块之间可进行数据交换从到达相互校正提高定位精度的效果。
实施例3
在实施例1的结构基础上，实施例3的发射端上设有温度传感器为NTC式温度传感器，温度传感器使用分压法与单片机通信连接。
NTC式温度传感器采集温度通过分压法与单片机信号连接，提高了探空仪测量环境温度的精度，使探空仪温度测量性能更加稳定可靠；NTC式温度传感器还可以在-80℃-100℃的温度范围内实现较高的测量精度，常温段精度可达0.1℃。
温度传感器表面还可以镀银涂层。银涂层能够防止太阳光照射引起的温度传感器表面温度持续上升，在NTC温度传感器表面镀银能有效反射太阳光辐射，以减小太阳辐射造成的测量误差。
实施例4
在实施例1的结构基础上，实施例4的发射端上设有湿度传感器，湿度传感器包括湿敏电容，湿度传感器与单片机通信连接。
传统湿度传感器测量湿度的方式以湿敏电阻为主要方式，由于探空仪测量环境为大气层，在探空仪上升过程中大气层复杂多变，同时受到气流、云雾等多方面因素的影响，采用湿敏电阻测量的话，很难达到探空仪对灵敏度和准确性的要求，而湿敏电容对环境湿度反应灵敏性和准确性更强，因此采用湿敏电容测量监测湿度更具有可行性。容式湿度传感器具有高灵敏度，响应时间短，温飘平稳的特点，外加保护罩，防止水雾直接附着导致湿度测量失效。
实施例5
在实施例1的结构基础上，实施例5的发射端上设有气压传感器，气压传感器为压阻式硅微机传感器，气压传感器通过SPI协议与所述单片机通信连接。
气压传感器是一款高精度、小体积、超低能耗的压力传感器，气压传感器采用SPI方式与单片机通信，提供16位的压力和温度参数，可进行温度补偿，测量范围最低可达10mbar，最高可达1100mbar，具有低电压，低功耗等特性。气压传感器且带自动断电开关，具有极高的的密封防护能力，可抵抗100米深的水压，因此能有效满足大气环境中气压的测量，不会因为高低气压变化导致传感器测量失效。
实施例6
在实施例1的结构基础上，实施例6的发射端上设有加热模块，加热模块包括PTC加热体，加热模块与单片机通信连接。
单片机通过温度反馈来控制加热模块的开关：当探空仪测定的环境温度低于所设定的参考温度值时，为防止模块上因为结冰而影响发射端信号发射效果，打开加热开关对发射端进行加热，当环境温度高于参考温度时关闭加热。
本实施例中的加热模块是为了防止环境温度过低导致湿敏电容上附上一层露水或结冰，进而影响周围环境湿度的测量。加热模块采用PTC(Positive TemperatureCoefficient)热敏电阻作为加热工具，当温度达到PTC居里温度时，能维持当前温度不变，防止持续加热导致的温度持续上升损坏仪器，便于控制。
探空仪的供电电源可以采用锂电池。
锂电池相对于常用干电池具有更轻的重量与更小的体积，由于探空仪研发设计过程中需要将重量和体积作为优先考虑的设计要素，因此本实用新型设计的探空仪最好采用锂电池作为供电电源。
实施例7
一种高精度低空数字探空仪，如图2所示，包括低空环境数据采集系统和地面数据接收处理系统，低空环境数据采集系统包括发射端，发射端上连接探空气球和放球装置，发射端上还设有BDS\/GPS双用模块。发射端包括单片机，单片机上连接有第一无线传输模块和供电模块，BDS\/GPS双用模块与单片机通讯连接。
单片机上还连接NTC式温度传感器，NTC式温度传感器表面镀有银涂层；单片机上还连接湿度传感器，湿度传感器包括湿敏电容；单片机上还连接气压传感器，气压传感器为压阻式硅微机传感器；单片机上还连接加热模块，加热模块包括PTC加热体；本实施例的供电电源采用锂电池。
如图3所示，地面数据接收处理系统包括第二无线传输模块、接收机和上位机，接收机与第二无线传输模块之间、接收机与上位机之间均为通讯连接。
具体地说，第二无线传输模块即地幔接收天线，用来接收第一无线传输模块发送的数据，接收机用于接收和处理第二无线传输模块接收的数据，上位机与接收机之间通过有线方式进行交互通信。
本实施例的探空气球充满氦气后，能把200g左右的低空环境数据采集系统硬件升到空中随风飘动并最终以大约3m\/s速度的上升。在探空气球上升到0-3km的空中的过程中，BDS\/GPS模块实施的采集低空环境数据采集系统的经度、纬度和高度，温度传感器、湿度传感器以及气压传感器、实时的测量系统周围的温度、湿度、和压力，这些所有采集到的数据都会传输给单片机，单片机计算并处理这些数据，然后用第一无线传输模块将探空仪定位数据和气象数据发送到地面数据接收处理系统，地面数据接收处理系统利用第二无线传输模块对数据进行接收和处理，最终得到我们所需的低空气象探测所要求的各种信息显示到接收系统的显示屏和上位机上。
第一无线传输模块和第二无线传输模块具有半双工通讯功能，开阔地有效通讯距离可达30～50公里；带显示的小型接收机可以安装根据需求读取并显示各种探空参数，界面简单易懂，操作简洁明了，并配备了一些简易功能，包括系统状态实时监测，通过检测各个模块的回传数据检测模块是否工作正常，通过监测电源电压，可以得出系统的续航时间等。还具有数据存储功能，配备的外部RAM，可以存储512M的采集数据，方便数据的整理以及分析。在连接上位机(PC)时，会将数据同步上传，利用上位机更强大的运算功能进行更加复杂的数据处理。
上位机安装了配套的软件处理系统，能够快速地处理并显示所接收到的数据。软件配备了多种图标显示窗口，能够将数据以多种方式清晰的显示给用户，以方便用户能够便捷直观的了解所测低空范围的大气环境。同时考虑到探测过程中可能会出现噪声和干扰，软件还具备异常数据检测排除功能，自动剔除错误数据，以保证数据的可靠性。软件支持历史数据查询功能，自动实时保存所接受到的数据，以方便后续的数据查询整理工作
本实施例提供的探空仪，与传统高空探空系统相比，重量在250g左右，大大减轻了探空气球的载重负担，尺寸在170*90*80mm左右，体积小在探空仪与探空气球绑定升空过程中可减少空气阻力，使得测量过程操作起来更加便捷，进一步降低了成本。本实施中配备的无线接收天线有效接收行程可达50km，并设计了半自动放球装置，安装在地面，用于探空气球的释放，使在10级大风的情况下也能保证3km高度范围的低空气候监测。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920298489.3
申请日:2019-03-08
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209514103U
授权时间:20191018
主分类号:G01W 1/08
专利分类号:G01W1/08;G01S19/33
范畴分类:31G;
申请人:南京埃森环境技术股份有限公司
第一申请人:南京埃森环境技术股份有限公司
申请人地址:210042 江苏省南京市玄武大道699号-22号11幢
发明人:刘德允;贺磊;胡全辉;张卫国
第一发明人:刘德允
当前权利人:南京埃森环境技术股份有限公司
代理人:蒋海军
代理机构:32346
代理机构编号:江苏瑞途律师事务所
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计