一种风场监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种风场监测方法及系统，涉及风场监测技术领域。通过获取目标区域的低空风速风向廓线数据；同时通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面不同高度与位置处瞬时的风速风向观测数据和无人机姿态数据；根据无人机姿态数据对无人机获得的不同高度风速风向数据进行纠正；结合目标区域的低空风速风向廓线数据对无人机获取的风速风向数据进行数据校正；根据目标区域的低空风速风向廓线数据和无人机采集的密集观测数据进行区域风场的空间模拟，生成近实时的近地面区域风速风向三维空间数据，本方法与系统经济高效，物理过程清晰，实现过程快速、灵活、机动，适用于各种不同区域与场景快速获取区域空间连续的三维风场信息。维风场信息。维风场信息。

【技术实现步骤摘要】
一种风场监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及风场监测
，具体而言，涉及一种风场监测方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的风场廓线监测方法常见有多层传感器的测风塔，低空超声测风雷达，地面微波雷达，相干多普勒激光雷达等方法，都能够实现在地面进行特定位置的风场信息监测。但是，面临区域风场监测，例如复杂地形下以及森林火灾现场这样的下垫面场景下，地形和下垫面会造成近地面风场巨大的空间异质性，而这种区域风场信息对于航空救援的飞机灭火扑救以及森林消防救援队伍的行动计划具有重要意义。因此常用的地面观测方案，无法满足这种异质性地表区域风场监测的需求，适用于复杂环境的区域风场快速监测方法显得尤为重要。
[0003]现有的方法多是常用的气象监测方法都是定点观测方法，例如气象塔，地面微波雷达配合探空气球，都是用于气象系统长期定点的气象风场监测，设备设施固定，投资巨大，多布置在平坦而又代表性的气象站；最新的相干多普勒激光雷达可以高效准确获得观测位置边界层的三维风速风向信息，然后本质上只是可移动的地面观测，获得的依然是设备上空固定区域的廓线数据，并且该设备成本较高；低空超声测风雷达可以获取近地面层的风场信息，尽管成本较低，然而与相干多普勒激光雷达一样，也是属于地面观测。当面临地面环境恶劣人员无法靠近，以及复杂地形下及下垫面，例如森林火灾这样场景时，即使是具有可移动性的地面观测设备，例如新型便携低空测风雷达，相干多普勒及激光雷达，一方面设备的机动灵活性不够，在复杂地形环境中移动性会被大大限制，另一方面，地面观测设备的空间代表性完全无法适应复杂地形环境的区域近地面层风场监测，无法适应用区域精细风场的要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种风场监测方法及系统，用以改善现有技术方案中地面观测设备的机动灵活性不够，地面观测设备的空间代表性完全无法适应复杂地形环境的区域近地面层风场监测，无法适应用区域精细风场要求的问题。
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种风场监测方法，包括以下步骤：
[0006]获取目标区域的低空风速风向廓线数据；
[0007]通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面不同高度与位置处瞬时的风速风向观测数据和无人机姿态数据；
[0008]结合无人机姿态数据对机载气象站的风速风向观测数据进行数据校正，得到无人机风速风向校正数据；
[0009]基于目标区域的相对固定的低空风速风向廓线数据对无人机获取的风速风向校正数据进行综合校正，得到无人机风速风向观测数据；
[0010]根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场空间模拟，
生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。
[0011]上述实现过程中，通过获取目标区域的低空风速风向廓线数据；然后通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面不同空间位置的风速风向观测数据和同步无人机姿态数据；由于多旋翼无人机平台高速移动状态和结构对气流的扰动，需要结合无人机平台姿态信息和地面超声测风雷达提供的风廓线数据，进行数据校正，获得无人机飞行瞬时位置的真实风速风向数据。因此，首先根据无人机姿态数据对机载自动气象站观测数据进行数据校正，初步得到无人机风速风向校正数据；再结合目标区域的低空风速风向廓线数据对无人机的风速风向校正数据进行综合校正，得到无人机观测数据；借助无人机平台的高速移动性，近实时获得不同空间位置的观测数据，生成区域近实时的三维风场结果。通过集成无人机平台+机载自动气象站设备和便携超声测风雷达，结合下垫面地形及植被数据综合分析，进行采样方案规划和无人机平台飞行路径规划，通过高机动的测风软硬件集成操作，实现多源气象观测数据的监测、融合与模拟，可以在区域内机动、灵活、快速完成恶劣地形和复杂环境的高效低空风场观测，克服了现有方法地面监测方法在移动性、灵活性和空间代表性的不足。地面观测与无人机移动观测相辅相成，经济高效，物理过程清晰，操作简单，实现过程快速、灵活、机动，适用于各种不同区域与场景，能够快速获取区域空间连续的三维风场信息。
[0012]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场的空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据包括以下步骤：
[0013]对目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据分别进行格点化处理，生成点状瞬时风场观测数据；
[0014]基于边界层对数廓线方程来描述近地表风场特征并结合流体质量与动量守恒方程，根据无人机密集点状瞬时风场观测数据进行目标区域风场的空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。
[0015]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场的空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据：
[0016]对目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行筛选，得到T时间内的低空风速风向廓线数据和密集观测数据；
[0017]分别对T时间内的低空风速风向廓线数据和不同空间位置密集观测数据的平均值，得到低空平均风速风向廓线数据和不同位置平均观测数据；
[0018]根据低空平均风速风向廓线数据和平均观测数据进行空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。
[0019]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面层风速风向观测数据和无人机姿态数据的步骤包括以下步骤：
[0020]获取目标区域地形信息和目标区域植被信息；
[0021]根据目标区域地形信息和目标区域植被信息确定飞行路径；
[0022]无人机搭载机载气象站按照飞行路径飞行，以获取目标区域的近地面不同高度风速风向观测数据以及同步的无人机姿态数据。
[0023]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，根据目标区域地形信息和目标区域植被信息确定飞行路径的步骤包括以下步骤：
[0024]根据目标区域地形信息和目标区域植被信息判断区域植被和地形是否均匀，若是，则采用立体环绕飞行模式确定飞行路径；若否，则采用蛙跳飞行模式确定飞行路径。
[0025]基于第一方面，在本专利技术的一些实施例中，还包括以下步骤：
[0026]判断目标区域是否为空域管制区域，若是，则获取并根据可飞行的外围区域采用垂上垂下飞行模式确定飞行路径；若否，则根据目标区域地形信息和目标区域植被信息确定飞行路径。
[0027]第二方面，本申请实施例提供一种风场监测系统，包括：
[0028]低空风速风向数据获取模块，用于获取目标区域的低空风速风向廓线数据；
[0029]无人机风场数据获取模块，用于通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面层风速风向观测数据和无人机姿态数据；
[0030]第一数据校正模块，用于根据无人机姿态数据对目标区域的无人机机载气象站获取的风速风向观测数据进行数据校正，得到无人机瞬时风速风向数据；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风场监测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取目标区域的低空风速风向廓线数据；通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面不同高度与位置处瞬时的风速风向观测数据和无人机姿态数据；结合无人机姿态数据对机载气象站的风速风向观测数据进行数据校正，得到无人机风速风向校正数据；基于目标区域的低空风速风向廓线数据对无人机风速风向校正数据进行数据校正，得到观测数据；根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。2.根据权利要求1所述的风场监测方法，其特征在于，所述根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据的步骤包括以下步骤：对目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据分别进行格点化处理，生成点状瞬时风场观测数据；基于边界层对数廓线方程来描述近地表风场特征并结合流体质量与动量守恒方程，根据点状瞬时风场观测数据进行目标区域风场的空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。3.根据权利要求1所述的风场监测方法，其特征在于，所述根据目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行目标区域风场的空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据的步骤包括以下步骤：对目标区域的低空风速风向廓线数据和观测数据进行筛选，得到T时间内的低空风速风向廓线数据和密集观测数据；分别对T时间内的低空风速风向廓线数据和密集观测数据求取不同空间位置的多次观测的时间平均值，得到低空平均风速风向廓线数据和平均观测数据；根据低空平均风速风向廓线数据和平均观测数据进行空间模拟，生成近地面的近实时区域的风速风向三维空间数据。4.根据权利要求1所述的风场监测方法，其特征在于，所述通过无人机搭载机载气象站获取目标区域的近地面不同高度与位置处瞬时的风速风向观测数据和无人机姿态数据的步骤包括以下步骤：获取目标区域地形信息和目标区域植被信息；根据目标区域地形信息和目标区域植被信息确定飞行路径；无人机搭载机载气象站按照飞行路径飞行，以获取目标区域的近地面不同高度风速风向观测数据以及同步的无人机姿态数据。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李占胜，黄宇，代馨磊，
申请(专利权)人：中国消防救援学院，
类型：发明
国别省市：