一種基于北斗衛(wèi)星通信的測風方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的通信和授時、風電行業(yè)前期測風技術領域，特別 涉及一種基于北斗衛(wèi)星通信的測風方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 我國陸上風電可開發(fā)量為2. 5億千瓦，在海水水深2m至15m之間的海域風電可開 發(fā)量為7. 5億千瓦，我國風電的大規(guī)模開發(fā)潛力在海上，特別是水深小于15m的近海，更是 今后幾十年風電發(fā)展的方向。我國目前在陸上風電場建設積累了豐富的經(jīng)驗，但海上風電 場建設方面才剛剛起步。開發(fā)風電首先要對風資源進行評估，獲取風力資源數(shù)據(jù)的最直接 方法就是在陸地或海上建立測風塔，進行風電場前期測風，這對項目機組選型、微觀選址、 發(fā)電量等影響較大，是風電開發(fā)最重要的前期工作之一。
[0003] 目前我國已建成的陸地測風塔較多，但海上測風塔較少。所采用的信息傳輸方式 包括有線網(wǎng)絡、無線短波、移動通信等多種手段，但都存在安全的隱患，并且投資較大，對于 海上測風來說，以上問題尤為突出。我國研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的北斗衛(wèi)星導航定位系 統(tǒng)，擁有自己的空間基礎設施，是中國自主建設、獨立運行，與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容 共用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)在原有的有源定位、雙向授時和知報文通信服務基 礎之上，開始向亞太的大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、通信、授時等服務。
[0004] 自北斗衛(wèi)星開放民用領域以來，在國民經(jīng)濟各行業(yè)中有著廣泛的使用，涉及交通 運輸、水利、氣象、航運、森林防火和遠洋漁業(yè)等諸多領域。盡管如此，在國家層面上，運用北 斗衛(wèi)星通信進行測風數(shù)據(jù)傳輸方面尚屬空白。
[0005] 本發(fā)明提出的方法及系統(tǒng)所組成的陸地或海上的各個測風塔系統(tǒng)和陸地控制中 心、客戶端系統(tǒng)，具有投資規(guī)模小、組網(wǎng)方便、建設周期短、運行安全可靠程度高等優(yōu)點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于北斗衛(wèi)星通信的測風方法及系統(tǒng)，以解決偏遠地 區(qū)或海上測風塔的資源信息的采集傳輸問題。
[0007] 為上述目的，本發(fā)明實例采用如下技術方案：
[0008] -種基于北斗衛(wèi)星通信的測風方法，所述方法包括如下步驟：
[0009] 測風設備測量風速的方法如下：
[0010] 測風設備測量超聲波分別在三個方向的聲音運動速度來計算風速大小，分別用有 符號的U，V，和W表不，符號表不極性：
[0011] 如圖4所示，計算N傳感器到S傳感器超聲波脈沖傳輸?shù)臅r間，并與S傳感器到N 傳感器傳輸?shù)臅r間相比較，得出時間差。同樣，也比較從W到E的時間和E到W的時間。（N =北，S=南，E=東，W=西）：
[0012] 風的速度計算方法由聲音在空氣中的傳播時間計算，公式為：
[0013] TSl = C1/403(TS1 =聲波的溫度，Cl =風速）；
[0014] 注意公式不考慮濕度的影響。
[0015] U，V，W軸的定義
[0016] +U被定義為對在圖表明北方向。
[0017] +V的定義是從N的方向逆時針90度方向。
[0018] +W定義為垂直于UV平面向上的方向。
[0019] 6臺測風設備將采集到的風速信息以特定的數(shù)據(jù)格式通過6個422串口傳輸至串 口服務器，串口服務器對數(shù)據(jù)進行分析、計算、處理、壓縮、加密等。
[0020] 測風設備數(shù)據(jù)格式為："設備編號，U，V，W，Μ. T，A\r\n"。
[0021] 我們規(guī)定所有測風設備數(shù)據(jù)皆用字符表示，在傳輸過程中采用十進制ASSIC碼進 行編碼。
[0022] 串口服務器對數(shù)據(jù)進行計算，計算方法為：
[0023] 根據(jù)寄存在各個隊列中的數(shù)據(jù)，我們分別計算每分鐘風速平均值avg、方差〇、風 速最大值max和風速最小值min，各項輸出數(shù)據(jù)精度要求達到小數(shù)點后兩位。
[0024] 平均值計算公式
【主權項】
1. 一種測風力資源數(shù)據(jù)的有效接口方法，包括以下步驟： 利用測風設備的數(shù)據(jù)接口，通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對資源測量進行授時，并獲得以秒 為單位的北斗標準時刻資源信息。
2. -種數(shù)據(jù)處理、壓縮、加密算法，其特征在于，包括以下步驟： 將接收到的每秒鐘風力資源信息以分鐘為單位進行如下處理。 (1) 進行平均數(shù)、最大值、最小值、方差等統(tǒng)計處理； (2) 按不同類別數(shù)據(jù)值域特征，將"十進制字節(jié)數(shù)據(jù)"轉(zhuǎn)換成"十六進制流數(shù)據(jù)"，按Bit 位進行編碼，從而使風力資源信息得以壓縮； (3) 綜合運用反碼、循環(huán)移位等按位計算的算法，對"十六進制數(shù)據(jù)流"按Bit位重新進 行編碼，對信息源進行加密處理，獲得陸地或海上測風塔的風力資源數(shù)據(jù)。
3. -種風力資源數(shù)據(jù)北斗衛(wèi)星通信傳輸方法，其特征在于，包括以下步驟： 將風力資源數(shù)據(jù)編寫成北斗短報文通信格式，采用握手傳輸機制，將電文發(fā)送到控制 中心服務器。
4. 通過上述權利1、權利2、權利3的綜合運用，可以按無人值守方式，實時地獲得遠程 的陸地或海上測風塔的風力資源數(shù)據(jù)。
5. -種風向3D斷面圖的表示方法，其特征在于，包括以下步驟： 根據(jù)測風塔上不同高度分布的測風設備風力資源數(shù)據(jù)，依據(jù)立體幾何的計算方法，采 用三維立體及動畫生成的方式，將各高度風向用3D斷面圖來形象地展示。
6. 通過上述權利4、權利5的聯(lián)合運用，可以在計算機客戶端實時地展現(xiàn)風力資源數(shù) 據(jù)。
7. 如權利1要求所述的方法，其特征在于： 風的速度采用測量三個方向的聲音運動速度獲得，即可以從聲音在空氣中的飛行時間 來計算速度。 (1) 北U、南V、鉛垂W三軸的定義 +U被定義為坐標北方向線。 +V的定義是對+U的逆時針90°方向。 +W定義為垂直安裝軸，即U、V構(gòu)成平面的90°方向。 (2) 聲波的溫度 Tsi= 〇!2/403 這里：Tsi =聲波的溫度，C1 =風速，注意公式不考慮濕度的影響在內(nèi)。 (3) 北斗衛(wèi)星授時提供標準北斗時間t t = tsv- Δ tsv Δ tsv= a ^a1 (tsv-toc) +a2 (tsv-toc) + Δ tr Atr=FXeX Va XsinEk 其中e為衛(wèi)星軌道偏心率、、/X為衛(wèi)星軌道長半軸的開方、衛(wèi)星軌道偏近點角。F =-4. 442807633 X 10_lcls/m1/2
8. 如權利2要求所述的方法，其特征在于： (1)異常值剔除 按照分鐘內(nèi)的異常數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，把異常數(shù)據(jù)分成部分異常數(shù)據(jù)、全部異常數(shù)據(jù)，異 常值不參與統(tǒng)計。 (2) 測風數(shù)據(jù)的統(tǒng)計 依據(jù)存儲各的隊列中分鐘數(shù)據(jù)，分別計算下列值： η 風速平均值狀§=(1幾)/" /=I 方差σ = ▽(( avg - ρ ,)2 + - /? 2): + …〇vg - /?")2)/(TV - 1) 風速最大值max 風速最小值min。 (3) 將浮點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為定點數(shù)據(jù)，再將十進制定點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十六進制定點數(shù)。同一測 風設備的各類數(shù)據(jù)按值域固定排序，再將不同測風設備數(shù)據(jù)接續(xù)排序，按Bit位進行編碼， 形成數(shù)據(jù)流，從而達到壓縮處理的目的。 (4) 運用對稱加密的原理，針對壓縮處理后的數(shù)據(jù)，采用對數(shù)據(jù)流局部取反碼、全數(shù)據(jù) 流左右分別循環(huán)移位等按位處理的方法，使數(shù)據(jù)得到信源加密，將結(jié)果采用Modbus協(xié)議發(fā) 送給北斗用戶機。
9. 如權利3要求所述的方法，其特征在于： 諸測風塔上的北斗設備稱為發(fā)送端，控制中心的北斗設備稱為接收端。則握手機制如 下： 第一次握手：發(fā)送端向接收端發(fā)送連接請求包，含文件名、分包數(shù)，等待回應； 第二次握手：接收端收到發(fā)送端連接請求包后，將請求包放入到自己的未連接隊列，并 將請求包發(fā)回到發(fā)送端； 第三次握手：發(fā)送端收到接收端返回包后，知道了接收端同意建立連接，并持續(xù)發(fā)送分 包號及分包數(shù)據(jù)給接收端； 第四次握手：接收端持續(xù)接收分包，當最后分包接收完后，返回丟包的分包號或接收完 畢標志； 第五次握手：發(fā)送端收到接收完畢標志后，結(jié)束發(fā)送。否則按收到丟包的分包號進行補 包發(fā)送，最多持續(xù)補包三次。
10. 如權利5要求所述的方法，其特征在于： 3D斷面圖采用可展的橢圓柱體表示，以不同高度的風向值其中的一個值為基準，每一 高度的風向與基準風向構(gòu)成偏差夾角，各個不同高度的風向用直線聯(lián)結(jié)、形成折線，折線與 基準風向軸構(gòu)成折形開口。
11. 一種基于北斗衛(wèi)星通信的測風系統(tǒng)，其特征在于，包括： 由分布在各地的陸地或海上的測風塔系統(tǒng)和陸地控制中心、各客戶端系統(tǒng)等組成。 (1)陸地或海上的測風塔系統(tǒng) 由測風設備、串口服務器、北斗衛(wèi)星終端設備、供電系統(tǒng)等組成。 ① 測風設備 安裝在測風塔上各個高度的測風設備、即測風設備，采用權利1所述的方法，感知所在 點的風向、風力等氣象信息。 ② 串口服務器 采集測風設備感知到的風向、風力等氣象信息，采用權利2所述的數(shù)據(jù)處理、壓縮、加 密算法，獲得風力資源數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入本地SD卡、并采用Modbus協(xié)議向北斗衛(wèi)星終端設 備推送風力資源數(shù)據(jù)。 采用軟件看門狗，喚醒串口服務器，保障串口服務器的連續(xù)工作。 ③ 北斗衛(wèi)星終端設備 用于與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行通信的終端設備，通過TCP/IP 口接收風力資源數(shù)據(jù)， 采用權利3所述的風力資源數(shù)據(jù)北斗衛(wèi)星通信傳輸方法與控制中心進行風力資源數(shù)據(jù)的 信息交互。 ④ 供電系統(tǒng) 光伏發(fā)電極板、大容量膠體蓄電池、控制器組成的太陽能供電系統(tǒng)，保障測風塔上的全 部設備的電力供應。 (2)陸地控制中心、客戶端系統(tǒng) 由陸地控制中心系統(tǒng)、客戶端系統(tǒng)組成。 ① 陸地控制中心系統(tǒng) 基本功能： 接收各個陸地或海上測風塔的風力資源數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫； 實時遠程監(jiān)測； 數(shù)據(jù)查詢、回放、分析； 向客戶端推送數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)庫管理； ② 客戶端系統(tǒng) 使用計算機或工作站，實時遠程監(jiān)測所屬測風塔的風力資源數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于北斗衛(wèi)星通信的測風方法及系統(tǒng)，屬于風電行業(yè)前期測風領域，主要解決優(yōu)質(zhì)陸地和海上測風塔風電資源信息的實時采集、傳輸、處理、顯示、存儲等系統(tǒng)的風資源無人值守的遠程測量問題。其實現(xiàn)步驟是：利用測風設備獲得其所在位置的各種資源信息；利用一種串口服務器對資源信息進行整合：利用一種數(shù)據(jù)壓縮算法，滿足北斗衛(wèi)星通信的傳輸要求：利用一種自定義的加密算法，進一步保證信源的安全性；利用一種北斗信息傳輸握手機制確保信息傳輸?shù)陌踩煽啃?；利用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)搭建平臺，完成測風塔的測風信息遠程傳遞，以適應各種地區(qū)的需求。本發(fā)明具有測風信息傳輸實時、安全、可靠等優(yōu)點，適用于北斗系統(tǒng)覆蓋地區(qū)的數(shù)據(jù)安全可靠傳輸。
【IPC分類】G01P13-02, G01P5-24
【公開號】CN104634996
【申請?zhí)枴緾N201410853484
【發(fā)明人】朱建華, 王霽雪, 聶晨起, 徐文生, 李攀, 秦瀟, 嚴凱
【申請人】華安星科（北京）信息技術有限公司, 水電水利規(guī)劃設計總院
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月31日