一种基于惯性系统的探空仪风速测量误差补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于惯性系统的探空仪风速测量误差补偿方法，通过在传统探空仪系统上集成惯性组件，获取探空仪运动的真实姿态信息，进而补偿因探空仪在恶劣环境下自身运动所导致的风速测量误差。利用惯性系统的实测数据进行误差补偿，可根据探空仪每次测试的实际情况逐点高精度补偿，提高风速探测精度。提高风速探测精度。提高风速探测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性系统的探空仪风速测量误差补偿方法


[0001]本专利技术属于气象探测
，尤其涉及一种基于惯性系统的探空仪风速测量误差补偿方法。

技术介绍

[0002]台风是世界上最严重的自然灾害之一。为实现对台风这一自然现象更为本质的科学认知，关键技术瓶颈是对台风进行多要素、长过程、精细化的直接探测，获得台风内核区的温度、湿度、压力、风速、风向等关键气象数据，其中测量台风内核区风速对于预测台风路径与强度尤为重要。目前对于台风风速的测量以风廓线雷达、激光测风雷达、探空仪等为主，而为了满足台风内核区风速的原位探测只能利用探空仪进行测量。但传统的探空仪设备只能依靠对探空仪 GPS或北斗系统探测到的位置变化数据解算风速，误差较大。当探空仪处于台风等极端环境中，探空仪本身会在下落过程中绕降落伞急速翻滚、转动，其姿态的剧烈变化会对风速测量造成较大误差影响，此时探空仪的速度不能直接代表实际风场的流速，必须消除由探空仪运动姿态变化所导致的风速测量误差。
[0003]目前，国内外众多研究高空探测的学者对导航型探空仪风速测量算法做了大量研究。Jaakko本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性系统的探空仪风速测量误差补偿方法，风速测量过程中的下投结构包括伞、绳及探空仪，探空仪通过绳与伞底相连，伞为探空仪提供浮空时间，绳在下投过程中保持拉紧状态，其特征在于，所述补偿方法包括以下步骤：S1：在探空仪上集成惯性系统，进行高空下投探测，获取立体空间气象数据，地面接收机实时记录并存储探空仪原位探测数据及三轴惯导信息；S2：利用接收到的探空仪GPS/北斗信息，计算探空仪探测到的立体空间风速信息；S3：利用接收到的探空仪三轴惯导信息，计算探空仪下落过程中的姿态信息；S4：将步骤S3的结果通过空间坐标系变换与角度解算，获取探空仪的实时相对空间运动姿态信息；S5：通过步骤S4得到的探空仪的相对空间运动姿态信息，计算探空仪因自身姿态变化导致的风速测量误差，代入步骤S2解算的立体空间风速信息中，完成风速补偿；S6：对经过步骤S5补偿后的风速数据进行滚动时间窗平滑处理，进一步消除环境噪声的影响。2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，所述步骤S3中的三轴惯导信息包括三轴加速度、三轴角速度以及三轴角度信息，保留角度范围在(
‑
180
°
,180
°
)的三轴角度信息，通过三次样条插值对三轴角度原始数据插值，再对位移进行差分求解得到运动速度；惯性系统使用欧拉角表示姿态时的坐标系旋转顺序为，先绕Z轴旋转，再绕Y轴旋转，最后绕X轴旋转，因此，绕Y轴旋转的角度范围只有
±
90
°
；以探空仪的质心为原点O、以从探空仪的质心指向绳与探空仪连接点方向为OX
b
轴、以从探空仪的质心指向探空仪横向中心线方向为OZ
b
轴、以与OX
b
轴和OZ
b
轴垂直方向为OY
b
轴，建立与探空仪固连的坐标系OX
b
Y
b
Z
b
即b系；以伞底为原点O、以从伞底指向地理坐标系东向为OY
n
轴、以从伞底指向地理坐标系北向为OZ
n
轴、以从伞底指向地理坐标系天向为OX
n
轴，建立与伞底固连的坐标系OX
n
Y
n
Z
n
即n系；在探空仪静止即探空仪与伞不发生相对摆动时，b系能够由n系沿绳平移得到；以下投时刻伞底为原点O、OX
i
轴指向天向、OY
i
轴指向东向、OZ
i
轴指向北向，建立空间直角坐标系OX
i
Y
i
Z
i
即i系；定义绳与OX
i
轴夹角为θ
x
，绳与OY
i
轴夹角为θ
y
；对原始数据的三次样条插值方法为：S3
‑
1：针对绕OX
b
轴旋转角度θ，原始数据中有n+1个数据节点：(θ0,t0)，(θ1,t1)，
…
，(θ
i
,t
i
)，
…
，(θ
n
,t
n
)，i＝0,1,...,n，其中，t
i
为当前数据记录时间，θ
i
为t
i
时刻对应的OX
b
轴旋转角度值，在三次样条插值过程中，满足：在每个分段区间上[t
i
,t
i+1
]上，f(t)＝f
i
(t)都是一个三次方程；插值条件f(t
i
)＝θ
i
；曲线光滑，即f(t)、f
′
(t)、f
″
(t)连续；令三次方程各项系数为a
i
、b
i
、c
i
、d
i
，则有：其中，f(t)为经过三次样条插值后的定义域在(t0,t
n
)上表示t时刻的角度θ＝f(t)的函
数，f
i
(t)为分段区间[t
i
,t
i+1
]上表示对应时刻角度的函数，f
′
i
(t)、f
″
i
(t)分别为f
i
(t)的一阶、二阶导函数；S3
‑
2：得到关于未知数的线性方程组：S3
‑2‑
1：由f
i
(t
i
)＝a
i
+b
i
(t
i
‑
t
i
)+c
i
(t
i
‑
t
i
)2+d
i
(t
i
‑
t
i
)3＝θ
i
，得到a
i
＝θ
i
，其中，a
i
,b
i
,c
i
,d
i
均为系数；S3
‑2‑
2：令h
i
＝t
i+1
‑
t

【专利技术属性】
技术研发人员：郑德智，李大鹏，陈傲北，王帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：