探空儀及基于ins的高空風(fēng)探測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種探空儀及基于INS的高空風(fēng)探測方法，其中探空儀包括氣象傳感器、慣性導(dǎo)航模塊、探空儀主板及發(fā)射機，氣象傳感器用于探測空中的多種氣象要素；慣性導(dǎo)航模塊用于獲取探空儀的導(dǎo)航參數(shù)；探空儀主板與前述氣象傳感器和慣性導(dǎo)航模塊信號連接并用于執(zhí)行前述氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；發(fā)射機接收探空儀主板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流并發(fā)射。本發(fā)明的探空儀及高空風(fēng)探測方法通過在探空儀內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航模塊實現(xiàn)定位，系統(tǒng)獨立、不會對外界造成電磁干擾，測風(fēng)精度滿足目前業(yè)務(wù)要求，為特殊環(huán)境下的高空風(fēng)測量提供了一種新的有效途徑。
【專利說明】探空儀及基于INS的高空風(fēng)探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高空氣象探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體而言涉及一種探空儀及基于INS的高空風(fēng)探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣象業(yè)務(wù)中的高空風(fēng)探測，一般是指對地面至空中三十多公里高度范圍內(nèi)各個高度上水平氣流的方向和速度，即風(fēng)向、風(fēng)速的測定。實時、準(zhǔn)確的高空風(fēng)探測資料是進行天氣分析預(yù)報的最基礎(chǔ)資料，也是實施空投和空降、炮兵和防空兵彈道修正等軍事氣象保障的基本資料。氣象業(yè)務(wù)中，通常利用隨氣流飄動的物體(通常為氣象氣球或氣象氣球與探空儀組成的氣球系統(tǒng))在空中運動的軌跡來進行高空風(fēng)的探測，稱之為軌跡法測風(fēng)，主要技術(shù)關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲取飛行中氣球(或氣球系統(tǒng))的位置信息。
[0003]目前主要采用以下幾種手段跟蹤氣球:光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀、無線電經(jīng)緯儀、一次測風(fēng)雷達、二次測風(fēng)雷達、地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、GNSS (全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))等。光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀探測容易受到能見度、低云的影響，高空風(fēng)的探測高度難以得到保證；無線電經(jīng)緯儀、測風(fēng)雷達系統(tǒng)復(fù)雜，體積和重量較大、便攜性差，低仰角時測風(fēng)誤差極大，資料無法使用，另外，測風(fēng)雷達須長時間發(fā)射大功率電磁波，功耗較大，且容易對其它設(shè)備造成電磁干擾；GNSS測風(fēng)精度高，不發(fā)射大功率電磁波、體積和重量較小，但系統(tǒng)定位依賴于空間導(dǎo)航星座存在且可靠，當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號遇到人為干擾、電離層出現(xiàn)磁暴、太陽風(fēng)等異常時會影響到系統(tǒng)的定位精度，造成測風(fēng)精度的降低甚至無法測風(fēng)。
[0004]慣性導(dǎo)航技術(shù)(INS)通過測量運動物體的慣性信息(如加速度信息和轉(zhuǎn)動運動信息)，獲得運動物體瞬時位置。由于工作時不依賴外界信息，也不向外界發(fā)射大功率電磁波，不會對環(huán)境造成電磁干擾。目前，慣性導(dǎo)航器件性能不斷提高、價格不斷降低，針對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有獨立性、抗干擾性強，精度高，不會造成電磁干擾等優(yōu)點，因此，本發(fā)明提出基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的、低成本、測量精度滿足業(yè)務(wù)需求的高空風(fēng)測量方法和系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種改進的探空儀，通過在探空儀中加裝慣性導(dǎo)航模塊，實時獲取探空儀的位置并利用軌跡法計算得到高空風(fēng)。
[0006]本發(fā)明的另一個目的還在于提供一種基于INS的高空風(fēng)探測方法。
[0007]為達成上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種探空儀，包括氣象傳感器、慣性導(dǎo)航模塊、探空儀主板及發(fā)射機，其中:氣象傳感器用于探測空中的多種氣象要素；慣性導(dǎo)航模塊用于獲取探空儀的導(dǎo)航參數(shù)；探空儀主板與前述氣象傳感器和慣性導(dǎo)航模塊信號連接并用于執(zhí)行前述氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；發(fā)射機接收探空儀主板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流并發(fā)射。
[0009]進一步，前述慣性導(dǎo)航模塊為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航模塊，其采用數(shù)字羅盤與陀螺儀中的至少一種與加速度計的組合。
[0010]進一步，在探空儀飛行過程中，前述加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，前述數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
[0011]進一步，慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法或其他濾波算法濾除定位的隨機誤差，提高導(dǎo)航的精度。進一步，慣性導(dǎo)航模塊在初始化時建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
[0012]進一步，前述探空儀主板上安裝有多路開關(guān)輸入模塊、微處理器和輸出模塊，通過輸入模塊和微處理器對氣象要素與探空儀導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并通過輸出模塊將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機。
[0013]進一步，前述發(fā)射機包括調(diào)制模塊、功率放大模塊、天線模塊，通過調(diào)制模塊和功率放大模塊對數(shù)據(jù)流分別進行信號調(diào)制和功率放大，再通過天線模塊向地面數(shù)據(jù)接收處理單元發(fā)射數(shù)據(jù)流。
[0014]本發(fā)明的另一方面提出一種基于INS的高空風(fēng)探測方法，包括以下步驟:
[0015]利用氣象傳感器探測空中的多種氣象要素；
[0016]利用慣性導(dǎo)航模塊獲取探測儀的導(dǎo)航參數(shù)；
[0017]對氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成；
[0018]將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；以及
[0019]發(fā)射機將數(shù)據(jù)流發(fā)射至地面數(shù)據(jù)接收處理單元。
[0020]進一步，前述慣性導(dǎo)航模塊為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航模塊，其采用數(shù)字羅盤與陀螺儀中的至少一種與加速度計的組合。
[0021]進一步，前述慣性導(dǎo)航模塊在初始化時建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
[0022]進一步，前述慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法或其他濾波算法濾除定位的隨機誤差，提高導(dǎo)航的精度。進一步，在探空儀飛行過程中，前述加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，前述數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
[0023]由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于通過在探空儀內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航模塊實現(xiàn)定位，系統(tǒng)獨立、不會對外界造成電磁干擾，測風(fēng)精度滿足目前業(yè)務(wù)要求，代價與現(xiàn)有電子探空儀、GPS探空儀的價格相當(dāng)，為特殊環(huán)境下的高空風(fēng)測量提供了一種新的有效途徑。【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明較優(yōu)實施例的探空儀的模塊示意圖。
[0025]圖2為慣性導(dǎo)航模塊確定探空儀位置的信息流程示意圖。
[0026]圖3為慣性導(dǎo)航模塊的信號處理示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0028]如圖1-3所示，根據(jù)本發(fā)明的較優(yōu)實施例，探空儀，例如通過在探空氣球攜帶的探空儀，其包括氣象傳感器、慣性導(dǎo)航模塊(INS)、探空儀主板及發(fā)射機，其中:氣象傳感器用于探測空中的多種氣象要素，例如溫度、壓力、濕度等氣象要素值；慣性導(dǎo)航模塊用于獲取探空儀的導(dǎo)航參數(shù)；探空儀主板與前述氣象傳感器和慣性導(dǎo)航模塊信號連接并用于執(zhí)行前述氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；發(fā)射機接收探空儀主板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流并發(fā)射。慣性導(dǎo)航模塊和氣象傳感器均可直接安裝在探空儀平臺上。
[0029]慣性導(dǎo)航模塊為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航模塊，上直接安裝在探空儀平臺，而且其結(jié)構(gòu)簡單、體積小，適合探空儀直接裝載。慣性導(dǎo)航模塊可采用數(shù)字羅盤與陀螺儀中的至少一種與加速度計的組合。
[0030]探空儀主板上安裝有多路開關(guān)輸入模塊、微處理器和輸出模塊，通過輸入模塊和微處理器對氣象要素與探空儀導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并通過輸出模塊將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機。
[0031]發(fā)射機包括調(diào)制模塊、功率放大模塊、天線模塊，通過調(diào)制模塊和功率放大模塊對數(shù)據(jù)流分別進行信號調(diào)制和功率放大，再通過天線模塊向地面數(shù)據(jù)接收處理單元發(fā)射數(shù)據(jù)流。
[0032]參考圖2和圖3所示，探空儀在飛行過程中，3個加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，通過3個自由度數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
[0033]由于慣性導(dǎo)航模塊利用積分解算探空儀位置信息，其定位誤差將隨時間而快速累積。由于一次探測過程通常較長(約Ih左右)，因此必須對慣性導(dǎo)航模塊的所累積的誤差進行補償。參考圖2和圖3所示，本實施例中，慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法濾除定位的隨機誤差，提高導(dǎo)航的精度。
[0034]在探空儀施放前，需要對探空儀中的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航模塊進行初始對準(zhǔn)。慣性導(dǎo)航模塊在初始化時建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
[0035]參考圖3所示，探空儀在探測過程中，加速度計采集探空儀坐標(biāo)系下的加速度信息，數(shù)字羅盤或和陀螺儀采集探空儀的姿態(tài)信息，上述信息經(jīng)過誤差補償模型和杠桿臂效應(yīng)校正后，由姿態(tài)信息計算捷聯(lián)矩陣(即坐標(biāo)變換矩陣)，利用捷聯(lián)矩陣對經(jīng)過誤差補償和校正后的加速度信息進行坐標(biāo)變換，可得到地理坐標(biāo)系下的加速度信息，對其進行導(dǎo)航計算，即可輸出導(dǎo)航參數(shù)獲得探空儀的速度和位置信息。
[0036]由以上可知，本發(fā)明所涉及的基于INS的高空風(fēng)探測方法，包括以下步驟:利用氣象傳感器探測空中的多種氣象要素；利用慣性導(dǎo)航模塊獲取探測儀的導(dǎo)航參數(shù)；對氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成；將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；以及發(fā)射機將數(shù)據(jù)流發(fā)射至地面數(shù)據(jù)接收處理單元。
[0037]其中，慣性導(dǎo)航模塊優(yōu)選為一捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航模塊，其采用數(shù)字羅盤與陀螺儀中的至少一種與加速度計的組合。包括但不限于數(shù)字羅盤+加速度計的組合、陀螺儀+加速度計的組合等。
[0038]前述慣性導(dǎo)航模塊在初始化時，建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
[0039]前述慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法對慣性導(dǎo)航模塊進行誤差補償，以減小定位的隨機誤差。
[0040]探空儀在飛行過程中，利用3個加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，利用3個自由度數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
[0041]綜上所述，本發(fā)明的探空儀及基于INS的高空風(fēng)探測方法通過在探空儀內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航模塊實現(xiàn)定位，系統(tǒng)獨立、不會對外界造成電磁干擾，測風(fēng)精度滿足目前業(yè)務(wù)要求，代價與現(xiàn)有電子探空儀、GPS探空儀的價格相當(dāng)，為特殊環(huán)境下的高空風(fēng)測量提供了一種新的有效途徑。
[0042]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種探空儀，其特征在于，包括氣象傳感器、慣性導(dǎo)航模塊、探空儀主板及發(fā)射機，其中:氣象傳感器用于探測空中的多種氣象要素；慣性導(dǎo)航模塊用于獲取探空儀的導(dǎo)航參數(shù)；探空儀主板與前述氣象傳感器和慣性導(dǎo)航模塊信號連接并用于執(zhí)行前述氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；發(fā)射機接收探空儀主板傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流并發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探空儀，其特征在于，前述慣性導(dǎo)航模塊為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航模塊，其采用數(shù)字羅盤與陀螺儀中的至少一種與加速度計的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探空儀，其特征在于，慣性導(dǎo)航模塊在初始化時建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探空儀，其特征在于，慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法或其他濾波算法濾除定位的隨機誤差，提高導(dǎo)航的精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探空儀，其特征在于，探空儀在飛行過程中，前述加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，前述數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探空儀，其特征在于，前述探空儀主板上安裝有多路開關(guān)輸入模塊、微處理器和輸出模塊，通過輸入模塊和微處理器對氣象要素與探空儀導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成，并通過輸出模塊將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機。
7.一種基于INS的高空風(fēng)探測方法，其特征在于，包括以下步驟: 利用氣象傳感器探測空中的多種氣象要素； 利用慣性導(dǎo)航模塊獲取探測儀的導(dǎo)航參數(shù)； 對氣象要素和導(dǎo)航參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量處理、信號采樣變換以及數(shù)據(jù)流生成； 將數(shù)據(jù)流傳輸至發(fā)射機；以及 發(fā)射機將數(shù)據(jù)流發(fā)射至地面數(shù)據(jù)接收處理單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于INS的高空風(fēng)探測方法，其特征在于，前述慣性導(dǎo)航模塊在初始化時建立探空儀坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的初始關(guān)系，進行初始對準(zhǔn)，從而為積分運算提供初值，初始對準(zhǔn)的基本步驟如下:在地面靜止條件下讀取慣性導(dǎo)航模塊采集的加速度信息，與當(dāng)?shù)刂亓铀俣冗M行比對，利用姿態(tài)變換矩陣反推姿態(tài)角信息，將獲得的姿態(tài)角初值輸入數(shù)據(jù)處理模塊作為初始姿態(tài)矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于INS的高空風(fēng)探測方法，其特征在于，前述慣性導(dǎo)航模塊利用卡爾曼濾波算法或其他濾波算法濾除定位的隨機誤差，提高導(dǎo)航的精度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于INS的高空風(fēng)探測方法，其特征在于，探空儀在飛行過程中，前述加速度計測量探空儀相對于慣性參照系的3個平移運動加速度，前述數(shù)字羅盤和/或陀螺儀測量探空儀相對于慣性參照系的3個轉(zhuǎn)動角度，慣性導(dǎo)航模塊據(jù)此計算探空儀慣性坐標(biāo)系至地理坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，通過該矩陣，把加速度計測得的加速度數(shù)據(jù)變換至地理坐標(biāo)系進行導(dǎo)航計算，得到探空儀的導(dǎo)航參數(shù)，即速度和位置信息。
【文檔編號】G01W1/02GK103472503SQ201310314387
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】趙世軍, 高太長, 陶冶, 周樹道, 翟東力, 孫學(xué)金, 劉磊 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)