多经纬仪跟踪探空气球的空中风场反演方法

摘要

气象观测中,常用经纬仪跟踪随风飘移的氢气球,实现对于空中各高度上风场的观测。使用单经纬仪进行空中风观测时,往往存在一定误差,主要来源于两个方面,一是受限于观测数据的低可靠性以及氢气球升速的变化,所求空中风具有较大的误差;二是氢气球自身具有一定的惯性和曳力,使其本身不能作为风场的良好示踪物,所观测速度不能直接代表空中风速度。本文基于单经纬仪风场观测原理,提出多经纬仪定位方法(Multi-Theodolite Location Method,MTLM)。首先将经纬仪协同探测氢气球获得的高度角和方位角信息,通过相应的坐标变换与最小二乘法算法,获取氢气球的精确轨迹和速度信息,随后对运动方程分析,实现了由氢气球速度对于背景风场速度的反演。在仿真实验中,本文方法定位的氢气球空中轨迹,各方向均方根误差小于2 m;反演背景风速时,通过本方法反演的背景风场与传统单经纬仪相比,水平速度和垂直速度准确度分别提升超过80%和90%。外场实验中,采用MTLM方法反演水平风速较单经纬仪性能有较大的提升,风向和风速准确度分别提升86%和66%,在高精度风速获取上MTLM方法具有更好的性能。