一种考虑减速伞气动力影响的风速风向探测方法

摘要

本发明公开了一种风速风向探测方法，将探空仪携带至预定高度及位置，精确投放后，探空仪在减速伞带动下自高空下落，实时测得高空至海平面的风速风向，测量过程中考虑减速伞气动力影响，对该影响产生的风速风向误差进行补偿，提高了精度。应用本发明方法探测范围精确可控，测风高度可根据需求设置，不仅可在陆地等空旷场地测风，还可至海上等从地面释放气球后其不易抵达的地方进行测风。

说明书

技术领域

本发明属于航天信息识别技术领域，具体为一种考虑减速伞气动力影响的风速风向探测方法。

背景技术

高空定位测风通常是将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备(经纬仪或雷达)跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置坐标，或气球携带探空仪，依靠卫星对探空仪定位；根据定位信息，求出气球所经过高度上的平均风速风向，测量高度可高达10公里以上。定位测风结果通常采用滤波和平滑的方法去除定位误差、气球的摆动和风的短周期变化造成的测量误差，获得大气平流的信息。

在定位测风方法中通常依靠气球携带探空仪上升，从而根据其位置等信息进行风速、风向解析时，认为气球系统的质量较小，故忽略其惯性，认为气球在水平方向的运动就是水平气流的流动。实际上，飞行过程中气球依然受到气动力的影响，使得方法存在测量误差。另外，在气球带动下探空仪上升过程中气流作用稳定性差，且测量高度不可控。气球本身容易爆炸，导致探测失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑减速伞气动力影响的风速风向探测方法，探测过程中考虑了减速伞气动力影响，对该影响产生的误差进行了补偿，提高了探测精度。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下：

一种风速风向探测方法，包括如下步骤：

(1)将探空仪从预定高度向下投放，探空仪在减速伞的带动下下落飞行；

(2)获取当前时刻探空仪在x、y、z向的坐标分量x_i、y_i、z_i、速度分量v_xi、v_yi、v_zi以及气动力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi，并将x、y、z向的气动力分量合成为气动力F_qi；

(3)计算当前时刻风速与探空仪的相对速度其中，C_d为减速伞阻力系数，S为减速伞参考面积，ρ_i为当前时刻空气密度；

(4)结合气动力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi计算风速与探空仪当前时刻的相对速度在x、y、z向的分量v_xi平衡、v_yi平衡、v_zi平衡：

(5)计算当前时刻探空仪在重力方向上的平衡速度进而得到该平衡速度在x、y、z向的速度分量m为质量，g为重力加速度；

(6)计算当前时刻x、y、z向的实际风速v_xi实际、v_yi实际、v_zi实际：

v_xi实际＝v_xi+v_xi相对-v_xi平衡

v_yi实际＝v_yi+v_yi相对-v_yi平衡

v_zi实际＝v_zi+v_zi相对-v_zi平衡

(7)根据实际风速计算当前时刻在xy平面的风向θ_xy和xz平面的风向θ_xz：

本发明相比于传统的风速风向探测方法具有如下优点：

本发明探空仪由譬如火箭等探空设备携带至预定高度及位置，精确投放后，在减速伞带动下探空仪自高空下落，实时测得高空至海平面的风速风向，测量过程中考虑了减速伞气动力影响，对该影响产生的误差进行了补偿，提高了精度。探测范围精确可控，通过火箭等高空投放机构，可实现精确的定点定高投放探空仪，保证测试范围精确可控。该方法的测风高度可根据需求控制，同时不仅可在陆地等空旷场地测风，还可至海上等从地面释放气球后其不易抵达的地方进行测风。

附图说明

图1是本发明减速伞携带探空仪飞行探空仪受力图；

图2是本发明探测方法具体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明高空风速风向探测方法，具体步骤如下：

(1)将探空仪从预定高度向下投放，探空仪在减速伞的带动下下落飞行。减速伞可采用球型伞、带条伞等等，优选球型伞，阻力小、姿态稳定性好。

(2)获取当前时刻探空仪在x、y、z向的坐标分量x_i、y_i、z_i、速度分量v_xi、v_yi、v_zi以及气动力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi。

(21)探空仪采集得到地心空间(WGS-84)坐标系内前一时刻的坐标x_i-1、y_i-1、z_i-1和当前时刻的坐标x_i、y_i、z_i，同时根据获得两组坐标的时间间隔Δt，分别计算x、y、z方向当前时刻速度v_xi、v_yi、v_zi，计算公式如下：

$v_{\mathrm{xi}}=\frac{x_i-x_{i-1}}{\mathrm{\Delta t}}$

$v_{\mathrm{yi}}=\frac{y_i-y_{i-1}}{\mathrm{\Delta t}}$

$v_{\mathrm{zi}}=\frac{z_i-z_{i-1}}{\mathrm{\Delta t}}$

式中，v_xi为当前时刻x方向速度，x_i-1为前一时刻x方向位置坐标，x_i为当前时刻x方向位置坐标，v_yi为当前时刻y方向速度，y_i-1为前一时刻y方向位置坐标，y_i为当前时刻y方向位置坐标，v_zi为当前时刻z方向速度，z_i-1为前一时刻z方向位置坐标，z_i为当前时刻z方向位置坐标，Δt为采集两组坐标的时间间隔。

根据探空仪采集得到WGS-84坐标系内当前时刻的坐标x_i、y_i、z_i和下一时刻的坐标x_i+1、y_i+1、z_i+1，同时根据获得两组坐标的时间间隔Δt，计算WGS-84坐标系内下一时刻速度v_xi+1、v_yi+1、v_zi+1，计算公式如下：

$v_{\mathrm{xi}+1}=\frac{x_{i+1}-x_i}{\mathrm{\Delta t}}$

$v_{\mathrm{yi}+1}=\frac{y_{i+1}-y_i}{\mathrm{\Delta t}}$

$v_{\mathrm{zi}+1}=\frac{z_{i+1}-z_i}{\mathrm{\Delta t}}$

式中，v_xi+1为下一时刻x方向速度，x_i+1为下一时刻x方向位置坐标，v_yi+1为下一时刻y方向速度，y_i+1为下一时刻y方向位置坐标，v_zi+1为下一时刻z方向速度，z_i+1为下一时刻z方向位置坐标，Δt为采集两组坐标的时间间隔。

(22)根据获得的当前时刻速度v_xi、v_yi、v_zi，下一时刻速度v_xi+1、v_yi+1、v_zi+1，当前时刻的坐标x_i、y_i、z_i及下一时刻的坐标x_i+1、y_i+1、z_i+1，计算得到当前时刻x方向加速度a_xi、当前时刻y方向加速度a_yi及当前时刻z方向加速度a_zi，计算公式如下：

$a_{\mathrm{xi}}=\frac{{v_{\mathrm{xi}+1}}^2-{v_{\mathrm{xi}}}^2}{2(x_{i+1}-x_i)}$

$a_{\mathrm{yi}}=\frac{{v_{\mathrm{yi}+1}}^2-{v_{\mathrm{yi}}}^2}{2(y_{i+1}-y_i)}$

$a_{\mathrm{zi}}=\frac{{v_{\mathrm{zi}+1}}^2-{v_{\mathrm{zi}}}^2}{2(z_{i+1}-z_i)}$

式中，a_xi表示当前时刻x方向加速度，a_yi表示当前时刻y方向加速度，a_zi表示当前时刻z方向加速度。

(23)根据计算得到的当前时刻加速度a_xi、a_yi、a_zi，确定当前时刻x方向合力F_xi，当前时刻y方向合力F_yi，当前时刻z方向合力F_zi，计算公式如下：

F_xi＝ma_xi

F_yi＝ma_yi

F_zi＝ma_zi

式中，F_xi为当前时刻x方向合力，F_yi为当前时刻y方向合力，F_zi为当前时刻z方向合力，m为探空仪质量。

(24)根据探空仪重力mg及当前时刻的坐标x_i、y_i、z_i，确定探空仪 重力mg当前时刻在x方向分量mg_xi、当前时刻在y方向分量mg_yi及当前时刻在z方向分量mg_zi，计算公式如下：

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{mg}\frac{x_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{mg}\frac{y_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{zi}}=\mathrm{mg}\frac{z_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

式中，mg_xi为探空仪重力当前时刻在x方向分量，mg_yi为探空仪重力当前时刻在y方向分量及mg_zi为探空仪重力当前时刻在z方向分量。

(25)根据当前时刻x方向合力F_xi，当前时刻y方向合力F_yi，当前时刻z方向合力F_zi，以及探空仪重力mg当前时刻在x方向分量mg_xi、当前时刻在y方向分量mg_yi、当前时刻在z方向分量mg_zi，计算气动力当前时刻在x方向的分量F_qxi，气动力当前时刻在y方向的分量F_qyi，气动力当前时刻在z方向的分量F_qzi，计算公式如下：

F_qxi＝F_xi+mg_xi

F_qyi＝F_yi+mg_yi

F_qzi＝F_zi+mg_zi

式中，F_qxi表示气动力当前时刻在x方向的分量，F_qyi表示气动力当前时刻在y方向的分量，F_qzi表示气动力当前时刻在z方向的分量。

(26)根据气动力当前时刻在x方向的分量F_qxi，气动力当前时刻在y方向的分量F_qyi，气动力当前时刻在z方向的分量F_qzi，计算当前时刻气动力F_qi，计算公式如下：

$F_{\mathrm{qi}}=\sqrt{F_{\mathrm{qxi}}^2+F_{\mathrm{qyi}}^2+F_{\mathrm{qzi}}^2}$

式中，F_qi表示当前时刻气动力。

(3)根据当前时刻气动力F_qi及已知的减速伞阻力系数C_d，减速伞参考面积S，当前时刻大气密度ρ_i，计算风速与探空仪当前时刻的相对速度v_i相对，计算公式如下：

式中，v_i相对表示风速与探空仪的相对速度，C_d为探空仪减速伞阻力系数，S为探空仪减速伞参考面积，ρ_i为当前时刻空气密度。

(4)根据风速与探空仪当前时刻的相对速度v_i相对，气动力当前时刻在x方向的分量F_qxi，气动力当前时刻在y方向的分量F_qyi，气动力当前时刻在z方向的分量F_qzi，当前时刻气动力F_qi，计算风速与探空仪的相对速度当前时刻在x方向的分量v_xi相对，风速与探空仪的相对速度当前时刻在y方向的分量v_yi相对，风速与探空仪的相对速度当前时刻在z方向的分量v_zi相对，计算公式如下：

式中，v_xi相对表示风速与探空仪的相对速度当前时刻在x方向的分量，v_yi相对表示风速与探空仪的相对速度当前时刻在y方向的分量，v_zi相对表示风速与探空仪的相对速度当前时刻在z方向的分量。

(5)根据探空仪重力mg、减速伞阻力系数C_d，减速伞参考面积S，当前时刻大气密度ρ_i，计算如果无风探空仪在重力方向上当前时刻的平衡速度v_i平衡，计算公式如下：

式中，v_i平衡表示如果无风探空仪在重力方向上当前时刻的平衡速度。

根据当前时刻平衡速度v_i平衡以及当前时刻位置坐标x_i、y_i、z_i，计算当前时刻平衡速度在x方向的分量v_xi平衡，当前时刻平衡速度在y方向的分量v_yi平衡，当前时刻平衡速度在z方向的分量v_zi平衡，计算公式如下：

式中，v_xi平衡表示当前时刻平衡速度在x方向的分量，v_yi平衡表示当前时刻平衡速度在y方向的分量，v_zi平衡表示当前时刻平衡速度在z方向的分量。

(6)根据当前时刻速度v_xi、v_yi、v_zi，当前时刻平衡速度在x方向的分量v_xi平衡，当前时刻平衡速度在y方向的分量v_yi平衡，当前时刻平衡速度在z方向的分量v_zi平衡，风速与探空仪的相对速度当前时刻在x方向的分量v_xi相对，风速与探空仪的相对速度当前时刻在y方向的分量v_yi相对，风速与探空仪的相对速度当前时刻在z方向的分量v_zi相对，计算当前时刻x方向实际风速v_xi实际，当前时刻y方向实际风速v_yi实际，当前时刻z方向实际风速v_zi实际的计算公式如下：

v_xi实际＝v_xi+v_xi相对-v_xi平衡

v_yi实际＝v_yi+v_yi相对-v_yi平衡

v_zi实际＝v_zi+v_zi相对-v_zi平衡

式中，v_xi实际表示当前时刻x方向实际风速，v_yi实际表示当前时刻y方向 实际风速，v_zi实际表示当前时刻z方向实际风速。

(7)根据当前时刻x方向实际风速v_xi实际，当前时刻y方向实际风速v_yi实际，当前时刻z方向实际风速v_zi实际，计算xy平面内的当前时刻风向θ_xy和xz平面内的当前时刻风向θ_xz的计算公式如下：

式中，θ_xy为xy平面内的当前时刻风向和θ_xz为xz平面内的当前时刻风向。

循环进行步骤(1)～(7)即可实现在一段时间内考虑减速伞气动力影响的风速和风向的探测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。