一种人工影响天气系统自动化作业平台及其实现方法

摘要

本发明公开了一种人工影响天气系统自动化作业平台，包括高炮、测量单元和通信单元，其中：所述测量单元与高炮相连，其内包括仰角计量仪、方位角计量仪和炮弹发射数量记录仪，分别用于测量计算高炮的仰角、方位角和炮弹发射数量，所述通信单元为手持式的前端机，通过无线方式与测量单元和指挥中心进行指令接收与数据回传，还包括高炮正北校准仪，所述高炮正北校准仪用于高炮的正北方向效准。自动化作业平台不需要人工瞄准，降低了对操作人员的要求，使得操作人员的替换更容易，同时提高了瞄准的精度，使得作业更精准有效，显著提高了人工影响天气业务的现代化水平，符合现代气象业务发展方向，对人影事业的发展具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动化数据交换平台，尤其涉及一种人工影响天气 系统自动化作业平台；本发明还涉及实现该人工影响天气系统自动化作 业平台的方法。

背景技术

现阶段人影(人工影响天气)作业用的高炮主要采用人工瞄准，瞄 准精度不高；电话下达指令，电话上报作业情况容易造成误听、误传， 影响作业效率甚至导致事故发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工影响天气系统自动化作业平台及其 实现方法，替换繁琐的人工操作，能够自动化地实现下达上报、测量等 操作，解决现有技术存在的缺憾。

本发明采用如下技术方案实现：

一种人工影响天气系统自动化作业平台，其特征在于，包括高炮、 测量单元和通信单元，其中：所述测量单元与高炮相连，其内包括仰角 计量仪、方位角计量仪和炮弹发射数量记录仪，分别用于测量计算高炮 的仰角、方位角和炮弹发射数量，所述通信单元为手持式的前端机，通 过无线方式与测量单元和指挥中心进行指令接收与数据回传。测量单元 可通过支架与高炮相连。

进一步地，还包括高炮正北校准仪，所述高炮正北校准仪用于高炮 的正北方向效准。

进一步地，所述仰角计量仪内设置有数字重力加速度传感器或倾角 传感器，安装在高炮的炮管上或通过连接装置与炮管平行联动，所述数 字重力加速度传感器为单轴、两轴、三轴数字重力加速度传感器或倾角 传感器。

进一步地，所述正北校准仪内部设置有激光瞄准器，所述激光瞄准 器沿炮管方向安装，通过高炮正北面的与激光瞄准器相匹配的标定记号 确定炮管的正北方向。

进一步地，所述方位角计量仪内设置有三轴数字陀螺仪，安装在高 炮的方向盘上与方向盘同轴转动，并与一接近开关相连，方向盘连接杆 上还固定套装有探测点，或所述方位角计量仪固定在方向盘连接杆上， 方向盘上安装探测点。

进一步地，所述方位角计量仪内设置有数字罗盘或加速度传感器， 还设置有与该数字罗盘或加速度传感器相匹配的光电开关、光电编码器、 超声波探头、超声波测距仪、激光测距仪或霍尔类接近开关。

进一步地，所述炮弹发射数量记录仪包括设置在其内的行程开关， 所述行程开关固定在炮管侧方并抵住撞针形成闭合状态。

进一步地，所述炮弹发射数量记录仪包括设置在其内的接近开关、 接触开关、光电开关、超声波探头、超声波测距仪、激光测距仪或摄像 头。

进一步地，所述手持式的前端机采用嵌入式java平台，前端机内部 设置有GPS模块和RFID刷卡识别模块。

一种实现人工影响天气系统自动化作业平台的方法，其特征在于， 该方法包括如下步骤：

1)前端机初始化，进行操作人员身份识别；

2)获取地理位置信息，定位作业点；

3)手持式终端显示主菜单，进行人机交互操作；

4)进行自动或人工数据录入；

5)指令接收与数据回传；

6)测量仰角、方位角和用弹量；

7)高炮正北校准；

8)进行发射作业。

本发明具备的有益技术效果是：

自动化数据交换平台不需要人工瞄准，降低了对操作人员的要求， 使得操作人员的替换更容易，同时提高了瞄准的精度，使得作业更精准 有效。将本方案应用于人影(人工影响天气)作业中，能够实现作业信 息的下达和回馈，实现作业人员刷卡上岗，作业授权等辅助管理功能， 以及作业指导，紧急状况处理等信息交互功能。使人影作业指挥客观化、 科学化、指标化，从而切实提高人影作业的技术水准、科技含量及有效 性，提高信息交换的时效及准确性。该系统的建设，将显著提高人工影 响天气业务的现代化水平，符合现代气象业务发展方向，对人影事业的 发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的系统架构图。

图2表示将三轴数字重力加速度传感器放置在坐标轴中。

图3是仰角计量仪的电路框图。

图4表示将三轴数字陀螺仪放置在坐标轴中。

图5是方位角计量仪的电路框图。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能 也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限 制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而 非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

如图1所示本发明的人工影响天气系统自动化作业平台，包括高炮、 测量单元和通信单元，其中：所述测量单元与高炮相连，其内包括仰角 计量仪、方位角计量仪和炮弹发射数量记录仪，分别用于测量计算高炮 的仰角、方位角和炮弹发射数量，所述通信单元为手持式的前端机，通 过无线方式与测量单元和指挥中心进行指令接收与数据回传。所述手持 式的前端机采用嵌入式java平台，前端机内部设置有GPS模块和RFID 刷卡识别模块，测量单元可通过支架与高炮相连。

如图1和图2所示，仰角计量仪内设置有三轴数字重力加速度传感 器，安装在高炮的炮管上或通过连接装置与炮管平行联动。三轴数字重 力加速度传感器在水平摆放的时候三个轴上的读数分别为X＝0g，Y＝0g， Z＝0g。当传感器与水平面产生夹角时，X、Y、Z三个轴的读数与之相应 发生改变，通过对三个轴上的数据进行处理，即可得出传感器与水平面 的夹角。加速度传感器直接焊在设计好的电路板上，组成一个加速度模 块，再将加速度模块焊在控制电路板上，组成一个仰角计量仪。仰角计 量仪与炮管平行，安装在炮管侧面。当炮管与地平面平行时，加速度传 感器相当于水平放置。当炮管与水平方向产生夹角时，由于传感器是与 炮管平行安装的，所以传感器与水平面的夹角跟炮管一致。读取传感器X、 Y、Z三个轴上的数据通过计算即可得到传感器与水平面的夹角，也就是 炮管的发射仰角。当然，根据不同场合的需要数字重力加速度传感器可 替换为单轴、两轴数字重力加速度传感器或倾角传感器等，安装方式可 以换成与炮管平行，或成任意角度与炮管用任意方式连接或联动。

如图3和图4所示，方位角计量仪内设置有三轴数字陀螺仪，安装 在高炮的方向盘上并与方向盘同轴转动，并与一接近开关相连，方向盘 连接杆上还固定套装有金属探测点。三轴数字陀螺仪(以下简称陀螺仪) 在静止时，三个轴的输出均为0。当陀螺仪转动时，与转动平面垂直的陀 螺仪的轴上的读数将会随之变化，且读数就是陀螺仪转动的角速度。接 近开关在有金属靠近时，输出低电平(电压接近0V)，无金属靠近时输 出高电平(电压接近工作电压，本方案为5V)，陀螺仪直接焊在设计好 的电路板上，组成一个陀螺仪模块，将陀螺仪模块焊在控制电路板上， 将接近开关通过航空插头连接到控制板上，组成一个方位角计量仪。将 方位角计量仪固定在方向盘上，将金属探测点固定在方向盘下方的支架 上。当方向盘运动时，方位角计量仪与方向盘同步运动。因此，当方向 盘转动时，方位角计量仪内的陀螺仪可以测出任意时刻的方向盘的角速 度。如图四安装，当方向盘逆时针旋转时，Z轴的角速度为负值，当顺时 针旋转时，Z轴的角速度值为正值，所以从陀螺仪的角速度就可以判断出 炮管的旋转方向。在旋转过程中，接近开关可以不断的检测到金属点， 在本方案中，方向盘转一周对应20个金属探测点。所以每个发现一个金 属探测点大约等于炮管转了0.41665度。通过计算在运动过程中一共经过 了几个探测点，就可以知道炮管转动了多少度。再结合陀螺仪的角速度， 我们就可以得出炮管朝哪个方向，旋转了多少度。对与不同的使用要求， 可以通过增加或者减少金属探测点来提高或降低测量精度。当然，根据 不同场合的要求不同，陀螺仪可替换成数字罗盘、加速度传感器，接近 开关可换成光电开关、光电编码器、超声波探头、超声波测距仪、激光 测距仪、霍尔类接近开关。安装方式可以换成以任意连接方式安装在方 向盘上或安装在炮台的转动平台上，或是探测点安装在方向盘或转动平 台上，传感器固定在支架上。

炮弹发射数量记录仪包括设置在其内的行程开关，所述行程开关固 定在炮管侧方并抵住撞针形成闭合状态。其原理是火炮每发射一枚炮弹， 它的撞针都会进行一次往返运动，可以用行程开关检测出这个往返运动， 并转换为电信号。将行程开关固定在设计好的支架上，将支架固定在炮 管侧方的螺钉上，调节好位置，使得行程开关抵住撞针，成闭合状态， 将行程开关的接口接到仰角计量仪上。当不发射炮弹时，行程开关闭合， 输出信号为0；当发射时，撞针先回缩，此时行程开关打开，输出信号为 1；发射完一枚炮弹后，撞针复位，行程开关闭合，输出信号为0，如此 循环发射炮弹。因此，只需要知道一共输出了多少个1，就知道发射了多 少枚炮弹。当然，根据不同场合的需求，行程开关可替换成接近开关(基 于霍尔原理或电感式)、接触开关、光电开关、超声波探头、超声波测距 仪、激光测距仪、摄像头，检测方式可以是非接触式或其它通过检测撞 针的方式。

正北校准仪内部设置有激光瞄准器，所述激光瞄准器沿炮管方向安 装，通过高炮正北面的与激光瞄准器相匹配的标定记号确定炮管的正北 方向，校准仪内置强光点或红外装置，作业结束后方位调整到正北方向 (0度方向)的效准，高炮的方位通过强光点或者红外装置与高炮的正北 方向重合。其原理是：光在同一种介质中沿直线传播，所以只要激光射 线与炮管方向一致，那么激光指向的方向即为炮管指向的方向。将激光 瞄准器沿炮管方向安装。事先在高炮的正北面做一个标定记号(可以是 一条直线或一个十字等)。在标定正北方前打开激光瞄准器，然后再调整 炮管的位置，可以看到激光瞄准器的瞄准点随炮管一起运动，当光斑与 地面标记重合时，炮管面对的方向即为正北方。正北校准仪可使用不同 类型的光源代替，地面标识采用任意的符号代替。

实现人工影响天气系统自动化数据交换平台的方法，包括如下步骤： 1)手持式终端初始化，进行操作人员身份识别；2)获取地理位置信息， 定位作业点；3)手持式终端显示主菜单，进行人机交互操作；4)进行 自动或人工数据录入；5)指令接收与数据回传；6)测量仰角、方位角 和用弹量；7)进行发射作业。

人工增雨/防雹作业前端机(以下简称前端机)首次使用需设备初始 化：1.输入设备注册码(设备注册码为前端机在整个指挥设备内的身份与 授权范围识别代码，由中心端分配代码、使用人员及使用范围)，出厂时 设备注册码为000000，输入设备注册码表示该前端机投入使用；2.生成 前置数据库(前置数据库是前端机数据库的一子库，前端机数据库是中 心数据库一子库，前端机数据库包含全省可用的前端机所有信息)，一旦 设备初始化输入非000000的设备注册码，且设备电源充足时(以保证数 据下载成功完成)，前端机立即与中心端通过GPRS进行连机通讯，下载 前端机本地数据库。

开机初始化：前端机开机时，或者在待机状态投入使用时将进行开 机初始化。

1.给设备各个功能模块上电；

2.初始化地理坐标模块，获取地理坐标数据；

3.更新前置数据库。与中心端进行连接，查询是否有数据库更新命令， 没有则(如果有，则先更新前置数据库)将前置数据库读出，写入前端 机SDRAM；

4.操作人员身份识别；

5.完成开机初始化或者唤醒过程。

前端机一般处于待机或关机状态，CPU处于低功耗的休眠模式，仅 设备异步时钟和GPRS模块部分工作，以保持前端机时钟的计时状态， 其他模块则完全关闭。如果电量不足则自动关机，通过后备电池保持异 步时钟的运行。

操作人员身份识别：

设备初始化后，进入身份识别模式。

在身份识别模式状态，CPU开始输出125KHz载波能量磁场，等待 卡片进入读写区域，当有卡片进入读写区域后，开始进行身份认证与密 码对比，如果认证成功，则显示当前操作人员的信息。

当成功完成操作人员的身份识别后，身份识别模式自动转入后台运 行，保证在作业开始前的任何时候都可以认证新的作业人员或者进行相 应的授权操作，同时设备开始准备其它服务。身份识别完成同时自动生 成作业人员名单。

获取地理位置信息：

设备成功启动直到设备关机前的任何时间，可以手动获取地理坐标 信息(该操作通常在作业点进行)。在前端机菜单中选择进入获取地理坐 标信息，将自动启动地理坐标模块，开始获取地理坐标信息(参考点坐 标)。

一是确定作业点。对于一对多的情况(一台火箭车配备一台前端机， 而一台火箭车可以对应多个作业点，即一台前端机对应多个作业点)，从 前置数据库中读出定点坐标(设备初始化时获取的在空管部门备案的坐 标)与参考点坐标比较，偏差最小的定点坐标确定为作业点，读出该作 业点信息并组合自动采集或人工录入的作业信息形成一条完整的作业信 息上传指挥中心。确定作业点目的是避免人工录入基本信息，减少人为 误差及人工工作量。

二是作业点告警。如果参考点坐标与定点坐标有偏差(偏差以公里 数表达)，告警并允许作业。偏差值会作为作业信息的内容传送到指挥中 心，记录存档。偏差太大(由作业人员身份认证时，人工录入该值。目 的是将安全责任具体落实到操作人员)，则不允许作业，需重新选择作业 点或移动火箭车达到作业点。作业点告警目的是保证移动火箭车真实到 达定点作业点，对人影作业空域安全提供一条保障措施。

人机交互操作：

在设备待机状态下(已经成功启动，但无任何操作且未进行作业时) 显示主菜单，也可在其他状态下通过点击主菜单图标返回主菜单。

在主菜单或任何功能菜单下，可通过触摸屏进行相应的操作，完成 人机交互功能。

在主菜单下可以点击进入设备参数设置、人工数据录入、手动获取 地理坐标信息、指令查看、当前及历史记录查询与删除、便签录入等功 能。

进行任何项参数修改、数据及便签录入、记录的删除等操作时，设 备会要求在操作前进行操作人员的身份认证，以确定其是否有操作权限。 如果该操作人员无对应的操作权限，设备会提示该操作人员无该项操作 的权限然后在5秒后自动返回主菜单，也可人工立即返回主菜单。

当修改或录入完成后，操作人员需要确定是否保存，如果不保存， 设备会自动清除该操作的数据不做记录，如果选择保存，则会将新的数 据保存在设备内的TF卡中的对应区域，同时记录上该操作的操作人员信 息。如果该操作是改变的设备参数，则设备会立即以新的参数开始运行。

要求：设备参数设置，不需要人工数据录入项，该项始终开启。

自动与人工数据录入：

作业操作完成后，设备自动监测外接设备，如果未检测到任何外部 的功能模块(即不能进行自动数据采集时)，进入人工数据录入界面。如 果前端机检测到有自动数据采集模块，则会自动查询并读取对应模块的 作业数据，并进行自动填写作业记录表，在此基础上，进行人工录入和 修正，最终形成一份完整的作业信息表存储并发送指挥中心。

人工数据录入时，设备显示需要录入的项目表单，操作人员只需通 过虚拟键盘输入各个参数即可。录入完毕选择保存即可。

指令接收与数据回传：

设备启动后，指挥中心下达的各种指令具有最高优先权。

如果GPRS成功登陆网络，则设备启动后会自动发送一条短信息回 指挥中心，表示已经开始准备进行作业，可以接收数据或者命令。

指挥中心下达的各项指令会覆盖任何显示界面，以人工确认已经读 取的信息才会取消显示，回到原显示画面，以保证不会漏掉任何命令。

当作业完成后或有任何的数据、参数成功修改完成或录入完成，在 GPRS成功登陆网络的前提下，设备会自动将对应的数据发送回指挥中心 以做存档使用。

方位角与仰角测量：

方位角与仰角的测量由方位与仰角测量模块自动完成，每秒测量10 次，前端机每秒查询10次该参数，以炮弹或火箭发射前的最后一次数 据作为发射时的方位与仰角数据。

如果已经开始发射炮弹或火箭，前端机会自动停止对方位及仰角的 查询，并暂停方位与仰角测量模块的测量，发射完成后或发射暂停期间 (超过0.5秒的时间为发射暂停，该时间参数可修改)，前端机会再次启 动方位与仰角测量模块进行测量工作，并不断查询数据，以保证新的发 射的方位与仰角数据真实有效。

用弹量测量与计算：

用弹量的测量与计算由用弹量测量与计算模块自动完成，一旦检测 到有发射动作，即开始进行测量与计算。

前端机平时不检测该数据，如果有发射动作，用弹量测量与计算模 块开始检测与计算时，会向前端机发出中断信号，前端机接收中断后， 暂停方位与仰角的测量，开始查询用弹量。如果超过0.5秒或设置的其他 时间没有新的发射，即表示发射暂停，设备从新开始进行方位与仰角的 测量，直到新的发射开始。

单发发射时设备将记录每次发射的时间、地理坐标、方位与仰角等 数据，如果是连续发射，则记录每组发射开始时的时间、地理坐标位置、 方位与仰角以及该组的炮弹或火箭数量，发射间隙在0.5秒(或其他设置 的时间间隙范围)内的认可为连续发射，否则为单一发射。

单次发射时，如果2次及2次以上发射的方位与仰角数据一致，则 记录为1次发射，用弹量为其几次用量的总和；如果不一致，则分别进 行记录，也可选择只要是单次发射，不论方位与仰角是否一致都分别记 录。

本地记录数据查询与删除：

在设备待机状态下(非停机休眠模式)，可进入本地记录数据的查询， 可以查询本地的当前与历史作业数据记录以及已经保存的便签。

如果需要删除某条记录数据，选择删除，设备自动提示进行操作权 限的认证，操作人员需要刷卡以进行权限认证，认证成功后自动删除该 数据。

如果数据存储空间已满，新的数据会自动覆盖最旧的数据。

便签录入与查询：

在设备待机状态下，可进入便签的查询与录入功能界面，以查询历 史记录或进行新的记录录入操作。

选择建立新的便签后，LCD显示器上半部分显示便签页面，下半部 分显示虚拟键盘，通过内置的输入法录入新的便签(类似手机写短信)。

当前便签可以随时保存，在当前作业完成前，当前便签可以修改， 作业完成后则不再允许修改，同时自动保存存档。新建或修改当前便签 时要求身份认证，认证成功后录入及修改有效，否则只能查询。

如果数据存储空间已满，新的数据会自动覆盖最旧的数据。

语音黑匣子功能运行：

在前端机成功接收到第一条有效指令开始，前端机开始自动录音， 直到该次作业完成。录音文件采用ZIPPCM或者其他压缩格式(如MP3、 WMA等)自动保存在TF卡中，文件名暂定为nnnnYMDH.MP3格式， 其中nnnn为作业点编号、YMDH分别为作业开始(第一条有效作业命令 的接收)时间，年、月、日、时，各2位10进制数。MP3或者WMA等 表示音频数据的编码格式。

当作业完成后，关机时提示作业人员传送语音黑匣子。为了不挤占 GPRS带宽，音频文件通过局域宽带网络非实时上传至中心端服务器作为 档案备份保存。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其 实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的 改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求 的保护范围。