一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法与系统，属于临空信息系统中监测预警自然灾害的领域。本发明专利技术的台风追踪探测系统包括搭载在飞艇上的台风追踪飞行控制器、艇载台风探测雷达、浮空气象感知节点、气象感知定点投送器和艇载接收器，以及安装在地面工作站上的高分辨数字台风仿真系统。本发明专利技术方法利用飞艇追踪台风位置，在台风上方向其内部按需投放感知节点，通过传感器采集内测数据，经由飞艇回传至地面站，对台风进行同化模拟，实现预报减灾。本发明专利技术不受地基约束，飞艇可以在海洋上空追踪监测台风发生、发展、消亡的全过程，相比现有地基、天基探测方法，本发明专利技术具备长时驻空、广域覆盖、持续追踪、数据实时回传的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法与系统
本专利技术属于临空信息系统中监测预警自然灾害的
，具体涉及一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法与系统。
技术介绍
台风是世界上最严重的自然灾害之一，危害巨大，世界年均发生60多次，以美国为例，2005年“卡特琳娜”飓风造成美国5100亿美元的损失；而我国台风年均登陆数量7.6个，位于世界第一位。可见台风灾害巨大，而且防范代价高，台风的预报尤为关键。台风的结构非常复杂，半径为200～300km，高度15km左右，其内部环流结构复杂，有云顶盖、风眼、眼墙、内核等，其中内核区风速极强，并且湍流多。台风经历从发生、发展到消亡等过程，生命周期一般为7～10天，最长可达20天以上，若在海上观测，行程很长，全程和内外结合观测极为困难。目前国内外对台风预警的研究中，天基仪器方面，我国研制的气象卫星风云4，是全球首个具备垂直探测能力的静止气象卫星(参考文献1：董瑶海.风云四号气象卫星及其应用展望[J].上海航天,2016,33(02):1-8.)，垂直分辨率为1.5km，水平分辨率为16km，由于轨道高度较高，有着全天候、大范围的优势，可以获得高分辨率的观测数据，但不足是非直接观测、精度不够，没有传感器深入台风内部定量观测，所以观测的气象要素不全，如，只能观测风速、气压、温度、湿度等方面；地基仪器方面，有地基雷达、自动站、车载观测站等，最新的有美国的下一代雷达NEXRAD(参考文献2：DoviakRJ,BringiV,RyzhkovA,etal.ConsiderationsforPolarimetricUpgradestoOperationalWSR-88DRadars[J].JournalofAtmospheric&OceanicTechnology,1998,17(3):257.)和中国的新一代多普勒天气雷达CINRAD(参考文献3：赵放,冀春晓,钟建锋.CINRAD-SA雷达在正面登陆台风预警中的应用[J].气象,2006,32(2):46-51.)，空间分辨率基本都是0.2～0.3km，可见精度要比天基仪器高，优势是组网观测时间较长，但不足是由于受限于路基，只能对近海区域即将登陆的台风进行观测，而海上监测能力弱，无法对台风在海上形成、增强等阶段进行有效探测，导致预警时间短，而且如果在强风情况下，地基探测系统很易损毁。综上所述，台风内部精细结构的连续直接观测是重大战略需求，能够有效提升防灾减灾能力，从而减少经济损失和人员伤亡。目前来看，无论使用现有何种方法，都有局限性，均无法对台风进行全过程、多要素的精细观测，因此，亟需提出新原理和新方法，具备长时驻空、广域覆盖、持续追踪的特点，来实现对台风的大区域、全过程、多要素的同时直接观测。
技术实现思路
针对现有的地基、天基探测方法均无法对台风进行全过程、多要素的精细观测的问题，本专利技术突破已有台风追踪探测设备的观测限制，提出了一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法与系统，基于空基探测，可以实现大区域、全过程、多要素的同时观测。本专利技术提供的一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测系统，包括搭载在飞艇上的台风追踪飞行控制器、艇载台风探测雷达、浮空气象感知节点、气象感知定点投送器和艇载接收器，以及安装在地面工作站上的高分辨数字台风仿真系统。飞艇通过宽带数据链与地面工作站进行通信。所述的台风追踪飞行控制器用于控制临空飞艇的飞行，使得飞艇抵近跟踪台风位置。所述的艇载台风探测雷达采用一维双极化相控阵天线，发射波束照射扫描台风的内核区，接收回波，观测台风内部降水系统的微物理结构和变化特征。所述的浮空气象感知节点搭载有采集温度、湿度、风向风速和气压的传感器，导航定位模块以及通信模块；浮空气象感知节点搭载在设计有冲压式立方锥的降落伞上，由飞艇抛洒；浮空气象感知节点将传感器测量的数据通过通信模块回传给飞艇。所述的气象感知定点投送器包括两种，一种是用于远距离定点投送的低雷诺数滑翔飞行器，一种是用于穿透台风顶层眼墙的变掠翼滑翔飞行器。滑翔飞行器将绑定降落伞的浮空气象感知节点投送到指定位置。所述的艇载接收器用于收集各浮空气象感知节点发回的传感数据。所述的数字台风仿真系统通过宽带数据链从飞艇获得艇载台风探测雷达探测的数据、浮空气象感知节点采集的传感数据、以及飞艇上通过摄像头和光电传感器采集的数据，仿真重建台风时序演变过程，建立数字化的台风模型，对台风进行模拟仿真，并显示温湿风压云水颗粒的时空数据。本专利技术提供的一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测方法，实现步骤包括：步骤1，艇载雷达外测与飞艇抵近跟踪。临空飞艇利用艇载台风探测雷达照射识别台风眼的位置，台风追踪飞行控制器控制飞艇抵近跟踪台风位置；利用艇载台风探测雷达观测台风内部降水系统的微物理结构和变化特征。所述的台风追踪飞行控制器，通过自适应综合控制的方式，对推进子系统和直接力控制子系统进行控制，实现临空飞艇对台风的追踪。步骤2，飞艇投放浮空气象感知节点到台风内部。根据艇载台风探测雷达探测得到的台风风场分布，按需投放浮空气象感知节点，下投的感知节点在台风内部形成三维网络构型，当三维网络构型中的某感知节点空缺时，利用气象感知定点投送器将感知节点定点投送在空缺的位置。对风眼处感知节点的定点投送使用低雷诺数滑翔飞行器，在需要突破台风顶层眼墙时使用变掠翼滑翔飞行器进行投送。步骤3，将台风的外测和内测数据回传到地面工作站。位于台风内部的各感知节点将采集的数据，即内测数据回传给飞艇上的艇载接收器，飞艇将内测数据与外测数据通过宽带数据链回传至地面工作站。外测数据包括艇载台风探测雷达观测的数据和飞艇上的摄像机和光电传感器采集的数据。步骤4，地面工作站在接收到台风的外测和内测数据后，根据单时次的数据建立台风的三维结构，再按照时序重建台风时序演变过程；仿真建立台风数字化模型，将温湿风压云水颗粒的时空数据反演同化到台风的数字化模型中。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术可以对台风的位置进行追踪，不受地基约束，可以在海洋上空监测台风发生、发展、消亡的全过程，并且临空飞艇可以大于1个月持续驻留飞行，进行持续探测；(2)本专利技术中使用的感知装置相比现有仪器，对台风内部的温度、湿度、风向风速、气压等参数的测量精度非常高，地面站通过计算可以更真实地逼近实际台风的数字化状态并反演；(3)本专利技术对台风的水平分辨率、垂直分辨率、水平和垂直网格分辨率都很高，性能优良。附图说明图1是本专利技术中临空飞艇的新型台风追踪探测系统组成示意图；图2是本专利技术感知节点的降落伞的结构示意图；图3是本专利技术中的气象感知定点投送器所使用的两种滑翔飞行器的示意图；图4是本专利技术的利用临空飞艇的台风追踪方法的整体流程示意图；图5是本专利技术方法中临空飞艇抵进跟踪台风的示意图；图6是本专利技术方法中临空飞艇投放气象感知节点的示意图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面将结合附图对本专利技术作进一步的说明。本专利技术利用临近空间飞艇追踪台风位置，在台风的上方，向台风内部按需投放感知节点，通过感知节点上安装的传感器采集内测数据，再经由飞艇回传至地面站，对台风进行同化模拟，实现预报减灾。本专利技术提供的台风追踪探测方法与系统不受地基约束，飞艇可以在海洋上空追踪监测台本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测系统，其特征在于，包括：搭载在飞艇上的台风追踪飞行控制器、艇载台风探测雷达、浮空气象感知节点、气象感知定点投送器和艇载接收器，以及安装在地面工作站上的数字台风仿真系统；飞艇通过宽带数据链与地面工作站进行通信；所述的台风追踪飞行控制器用于控制临空飞艇的飞行，以使得飞艇抵近跟踪台风位置；所述的艇载台风探测雷达采用一维双极化相控阵天线，发射波束照射扫描台风的内核区，接收回波，观测台风内部降水系统的微物理结构和变化特征；所述的浮空气象感知节点搭载有采集温度、湿度、风向风速和气压的传感器，导航定位模块以及通信模块；浮空气象感知节点搭载在设计有冲压式立方锥的降落伞上，由飞艇抛洒；浮空气象感知节点将传感器测量的数据通过通信模块回传给飞艇；所述的气象感知定点投送器包括两种，一种是低雷诺数滑翔飞行器，用于远距离定点投送，一种是变掠翼滑翔飞行器，用于穿透台风顶层眼墙的定点投送；滑翔飞行器将绑定降落伞的浮空气象感知节点投送到指定位置；所述的艇载接收器用于收集各浮空气象感知节点发回的传感数据；所述的数字台风仿真系统通过宽带数据链从飞艇获得艇载台风探测雷达探测的数据、浮空气象感知节点探测的数据、以及飞艇上通过摄像头和光电传感器采集的数据，仿真重建台风时序演变过程，建立数字化的台风的三维模型，通过对台风进行模拟仿真，显示温湿风压云水颗粒的时空数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于临空飞艇的新型台风追踪探测系统，其特征在于，包括：搭载在飞艇上的台风追踪飞行控制器、艇载台风探测雷达、浮空气象感知节点、气象感知定点投送器和艇载接收器，以及安装在地面工作站上的数字台风仿真系统；飞艇通过宽带数据链与地面工作站进行通信；所述的台风追踪飞行控制器用于控制临空飞艇的飞行，以使得飞艇抵近跟踪台风位置；所述的艇载台风探测雷达采用一维双极化相控阵天线，发射波束照射扫描台风的内核区，接收回波，观测台风内部降水系统的微物理结构和变化特征；所述的浮空气象感知节点搭载有采集温度、湿度、风向风速和气压的传感器，导航定位模块以及通信模块；浮空气象感知节点搭载在设计有冲压式立方锥的降落伞上，由飞艇抛洒；浮空气象感知节点将传感器测量的数据通过通信模块回传给飞艇；所述的气象感知定点投送器包括两种，一种是低雷诺数滑翔飞行器，用于远距离定点投送，一种是变掠翼滑翔飞行器，用于穿透台风顶层眼墙的定点投送；滑翔飞行器将绑定降落伞的浮空气象感知节点投送到指定位置；所述的艇载接收器用于收集各浮空气象感知节点发回的传感数据；所述的数字台风仿真系统通过宽带数据链从飞艇获得艇载台风探测雷达探测的数据、浮空气象感知节点探测的数据、以及飞艇上通过摄像头和光电传感器采集的数据，仿真重建台风时序演变过程，建立数字化的台风的三维模型，通过对台风进行模拟仿真，显示温湿风压云水颗粒的时空数据。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的浮空气象感知节点下落至台风内部后，多个节点构成三维网络构型。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的有冲压式立方锥的降落伞，包括顶幅、扰流幅、侧幅、开在侧幅的进气口、连接扣、连接绳和缓冲绳。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的低雷诺数滑翔飞行器的滑翔距离大于100km，定点精度小于1km，起飞重量为5kg，任务载荷为2kg；所述的变掠翼滑翔飞行器的滑翔距离大于50km，定点精度小于1km，飞行速度大于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，曹先彬，肖振宇，董航，罗喜伶，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11