基于惯性补偿的高精度测风系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，属于气象探测技术领域。本发明专利技术包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统。基于惯性补偿和滤波原理提高测风精度和测风空间分辨率，缩短吊线长度且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，实时滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度；通过非膨胀、表面带锥角的探空气球整流，减小气流扰动带来的误差；通过点爆模块控制探空气球引爆、坠落。采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。本发明专利技术具有测风精度高、效率高和安全性高的优点。安全性高的优点。安全性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于惯性补偿的高精度测风系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种高精度安全测风系统及方法，属于气象探测


技术介绍

[0002]随着社会的发展，测风的应用场景越来越多，测风手段多种多样。常见的测风方案主要包括被动式和主动式测量。被动测量往往是机械式测量，如常见的皮托管、风杯风速计、光学经纬仪。主动测量最常见的有激光测风雷达、风廓线雷达、多普勒声雷达、探空仪等。目前在各种高空测风仪器中，探空仪是最主要的仪器，在探空气球搭载下能满足20至30公里高度的测风需求，且精度较高，装载定位模块的探空仪可通过卫星数据实现对风速风向的测量。探空仪体积小，可采用探空气球搭载至高空或由火箭、飞机从高空下投，可以满足在航天器发射、武器试验等场合下测风范围广、测风精度优、空间分辨率高的需求。
[0003]目前搭载于探空气球的探空仪，依靠全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS)或北斗/GPS混合定位模式测量风速风向，对探空仪的测风数据直接进行处理，无其他补偿环节，受定位模块精度限制。气球与探空仪之间的吊线往往长达数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统；探空仪通过吊线挂载于探空气球下方，随着气球上升测量风速风向，并将测风数据发送给地面的无线数据接收设备；通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率；非膨胀锥角气球挂载探空仪；利用非膨胀锥角气球的非膨胀性质维持气球形状不变，锥角形状起整流作用，减小气流扰动的影响；气球从地面充气、起飞，将探空仪带至高空，到达预定高度后气球被引爆、坠落；地面无线数据接收设备用于接收探空仪发出的测风数据；高精度测风信息处理系统用于对测风数据进行可视化处理，并存储测风数据；探空仪从功能上包括定位模块、气压传感模块、惯性模块、点爆模块、无线通讯模块、单片机；定位模块用于接收来自卫星的探空仪定位信息，包括探空仪的经纬度、高度；探空仪两次定位的变化在理想情况下只由风场的气压差引起，则两次移动之间的距离与时间之比就是风速大小，探空仪位置变化的方向即是风向；气压传感模块用于测量探空仪所处位置的气压，依据气压解算高度；惯性模块用于测量探空仪三个方向的加速度、角速度、姿态信息；加速度积分得到的速度即风速，用于补偿定位模块测速的误差，姿态信息用于实时解算探空仪摆动的周期；点爆模块用于引燃火工品点爆探空气球，使探空气球破裂，探空仪和探空气球下坠，保证空域无飞行物；作为优选，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全；无线通讯模块用于将测风数据通过气象专用信道传输给地面无线数据接收设备；单片机用于接收定位模块、气压传感模块、惯性模块的信息并进行数据处理，控制点爆模块、无线通讯模块；单片机接收定位模块测得的探空仪定位信息和惯性模块测得的探空仪加速度、姿态信息，通过定位信息的变化解算出风速风向，对探空仪加速度积分得到速度，补偿定位模块测速的误差，通过探空仪姿态信息实时解算探空仪的摆动周期，并利用惯性模块的姿态信息对本周期的测风数据进行针对性滤波，提高测风的实时性和精度；通过探空仪定位信息和气压高度判断探空仪的高度是否达到指定高度，当探空仪处于预定高度以上时控制点爆模块引爆非膨胀锥角气球；在整个测风过程中控制测风的数据通过无线通讯模块发出。2.如权利要求1所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：采用聚乙烯材料(polyethene，PE)和聚酰亚胺(polyimide，PI)材料粘合制作成表面遍布锥角的非膨胀锥角气球，非膨胀锥角气球随高度上升、外界气压下降，形状保持不变。3.如权利要求1所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：采用高精度北斗定位模块，测风数据采用0.5秒的采样周期，测风精度高。4.如权利要求1所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：作为优选，采用微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)，实现体积小、功耗低。5.基于惯性补偿的高精度测风方法，基于如权利要求1、2、3或4所述的基于惯性补偿的高精度测风系统实现，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：根据高精度测风需求，非膨胀锥角气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞；将探空仪挂载于非膨胀锥角气球下方，气球在地面充气、起飞；通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率；步骤二：单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向；步骤三：对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对用定位模块测得的风速进行补偿；步骤四：根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度；步骤五：通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储；步骤六：判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在预定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，安全可靠保障气球坠落。6.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡纯，郑德智，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：