CN101592741A - 高空气象探测的北斗探测单元测风方法及其装置 - Google Patents

Abstract

高空气象探测北斗测风方法：由北斗探空仪中的北斗信号接收天线和接收机接收北斗卫星信号，并将该信号输入信号放大器；信号放大器将北斗卫星信号放大，后送给相关器，获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗信号接收天线和接收机的延迟时间，由北斗测风单元直接进行高程计算，在北斗探空仪中利用实时探测得到的温度、湿度、气压和注入的初始高程联合解算得到北斗测风单元实时的位势高度，然后转化为高度，以此来实现探空仪实时高程的解算；结合空中实时温、压、湿计算得到的高程实现探空仪北斗接收机的定位信息，其定位信息送入单片机，得到北斗测风探测仪在空间的位置和风速。

Description

高空气象探测的北斗探测单元测风方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种高空气象探测方法及其探测仪器。

背景技术

无线电探空仪是一种遥测仪器，它可以将直接感应的气象要素值转换成无线电信号向地面发送，地面接收后将信号收录、解调、转换和处理成各高度上温、压、湿探测结果，与相应的定位设备相配合，可以同时获得高空风资料。

对于不同的高空气象探测系统，空中风探测的方法有所不同。目前的高空探测主要有高空气象探测雷达、无线电经纬仪、无线电导航、光学测风经纬仪等方法。

目前业务使用的测风雷达和无线电经纬仪配套的探空仪上没有测距装置，测风雷达在工作时必须发射大功率电磁波才能由探空仪的回答器得到气球斜距信号，应用于战时军事气象保障受到限制，另外测风雷达的体积庞大，在山地、丛林等复杂地形和道路状况下难以实施作业，影响战时高空探测资料的获取。

无线电经纬仪探测无电磁波发射，可以实现电磁隐蔽，探测时通过测定气球的方位角和仰角确定其空中位置，但其测风精度在常规探测方法中是最差的，特别是在高度25000m以上、低仰角(10°以下)时，测风精度将远低于具有测距体制的测风雷达，一般仰角低于6°时的探空资料已无法使用。

GPS测风单元通常包括GPS上升和下投探测单元。我国近年来引进了芬兰VAISALA公司的GPS高空探测系统，还自行研制开发了GPS高空气象探测系统、下投式GPS探空仪等。GPS高空气象探测系统具有电磁隐蔽性能好、测风精度高、探测系统体积小，地面设备简单，具有非常优越的性能；但我国对GPS没有自主权，无法保证其可靠性和安全性。探空仪实时高程数据的解算不是由探空仪独立完成的。

利用星基导航测风必须独立定位功能，目前我国北斗星基导航系统是靠双星定位和地理高程确定位置的，离开地面后无法确定位置，无法用于空中风探测。

发明内容

本发明目的是：针对上述探测体制存在的问题和弱点，本发明提供一种新型的依托北斗卫星导航定位系统的测风单元和相应的测风方法，实现战场条件下电磁静默、确保可靠性和安全性、便携使用的、能达到高空风探测精度要求的一种测量单元和方法。

一种高空气象探测北斗测风方法：由北斗信号接收天线和接收机接收北斗卫星信号，并将该信号输入信号放大器；信号放大器将北斗卫星信号放大，后送给相关器，获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗信号接收天线和接收机的延迟时间，由北斗测风单元直接进行高程计算，在北斗探空仪中利用实时探测得到的温度、湿度、气压和注入的初始高程联合解算得到北斗测风单元实时的位势高度，然后转化为高度，以此来实现探空仪实时高程的解算；结合空中实时温、压、湿计算得到的高程实现探空仪北斗接收机的定位信息，其定位信息送入单片机，相关器与单片机之间由数据总线、地址总线和控制总线电连接，相关器也向信号放大器输送取样时钟信号；单片机对相关器进行初始化，并采集相关器输入的测量数据；将测量数据通过相关器的串行通信口或其它串行通信口、并由无线通讯方式传至地面计算机，得到北斗测风单元在空间的位置和风速。地面计算机结合北斗信息基站进行定位处理，得到北斗测风探测仪在空间的位置和风速。

北斗探空仪中用于计算高度的：

${H^{p_2}}_{p_1}=18410.01\frac{273.15+t}{273.15}\lg \frac{p_2}{p_1}(1+0.378\frac{\stackrel{\‾}{e}}{\stackrel{\‾}{p}})$

式中p₁气压层到p₂气压层间的厚度(gpm)；

t-气压层间的平均气温(℃)；

P₂-下气压层气压(hPa)；

P₁-上气压层气压(hPa)；

P气层间的平均气压值；

其中，e＝E_i U

U气层间的平均相对湿度(RH％)；

E_i气层间平均气温对应的饱和水汽压。

在得到位势高度后需要将位势高度转换为几何高度：

式中：Z-某时刻位势高度(hPa)；

R_e-地球半径；

-纬度为处的重力加速度。

高空气象探测北斗测风装置：由北斗信号接收天线接收北斗卫星信号，并将该信号输入信号放大器；信号放大器将北斗卫星信号放大，后送给相关器，获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗测风探测仪的延迟时间，结合空中实时温、压、湿计算得到的高程实现探空仪北斗接收机的定位，其定位信息送入单片机，相关器与单片机之间由数据总线、地址总线和控制总线电连接，相关器也向信号放大器输送取样时钟信号；单片机对相关器进行初始化，并采集相关器输入的测量数据；将测量数据通过相关器的串行通信口或其它串行通信口由无线通讯方式传至地面计算机，地面计算机结合基站北斗信息进行定位处理，得到北斗测风探测仪在空间的位置和风速。相关器，获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗信号接收天线和接收机的延迟时间，由北斗测风探测仪直接进行高程计算。

本发明有益效果是：本发明高空测风方法和测风探测仪实现了在现有北斗卫星导航定位条件下实现了高空风的测量功能，为高空风的测量提供了一种新的测风探测仪和方法，拓展了北斗卫星导航定位系统在高空风测量上的应用。本发明的北斗无源探空测风探测仪测量精度高，保证电磁隐蔽性，地面设备集成度高，可全天候提供探测，且可以用于移动平台探测。

附图说明

图1是本发明北斗测风探测仪结构简图

具体实施方式

北斗测风探测仪结构如图1，由气象传感器部分、数据采集处理部分、北斗接收机探测仪、无线电发射机、电池等构成。气象传感器采集空中的温、压、湿等气象数据，气象传感器采用电阻或电容型传感器件，采集空中的温、压、湿气象数据，将温度、气压、湿度的变化转化为电阻值或电容值的变化经A/D转换成数字信号，由微处理器模块处理后得到测风探测仪实时的高程数据送往北斗接收机探测仪；北斗接收机探测仪接收来自北斗卫星的信号结合高程数据得到实时的定位数据(经度、纬度、高程)，定位数据送往微处理器经编码后在发射机部分经过调制，将数字信号转变为射频信号发送给地面接收系统。

由测风探测仪发射的调制射频信号经地面接收天线接收后，经过前端高放、滤波、混频等处理后解调出探空仪位置信息和与高空温压湿相关的信息，经终端软件处理后得到探空所需的空中风、温度、气压、湿度信息。地面计算机结合基站北斗信息进行定位处理，得到北斗测风探测仪在空间的位置和风速；高空气象探测北斗探空测风探测仪，由气球携带升空，它由北斗信号接收天线和接收机、信号放大器、相关器和单片机顺序连接，通过无线电通信方式向地面接收处理探测仪传送测量数据。

上述探空仪部分可以外接其他类型传感器，如臭氧探测传感器、大气电场探测传感器、大气湍流探测等其他传感器。上述探空测风系统探空仪还可以为下投式探空测风装置，它涉及大气探测仪器领域中的一种对高空风速、风向进行实时测量的测风仪器设备。可外加减速机构、电源开关控制模块、电源模块等部件构成探空仪部分。采用飞行器下投探空仪自动完成对高空风速风向实时高精度测量的目的。

测风方法使用以下步骤：

(1)测风探测仪采集探空温压湿信息，经其数据处理单元实时解算得到高程数据，高程注入北斗接收探测仪，由北斗接收机单元接收卫星信号联合实时高程得到定位数据，经编码调制后由无线电发射机调制后发送至地面探空站接收机；

(2)地面接收机将数据传送至。处理终端软件将探空和测风数据进行处理后给出高空风向、风速，按一定格式输出用户所需要的气象资料。

上述地面部分还可以包括北斗接收机，放置于已知位置接收点，其地面定位位置值与已知点位对比求取差分量，作为探空仪每时刻位置量的修正值。

上述北斗测风单元还可以为下投式探空测风装置，它涉及大气探测仪器领域中的一种对高空风速、风向进行实时测量的测风仪器设备。可外加减速机构、电源开关控制模块、电源模块等部件构成探空仪部分。采用飞行器下投探空仪自动完成对高空风速风向实时高精度测量的目的。测风单元无线电发射机可以使用调频或调幅方式调制。

上述通信协议可以是RS232串口协议或其它协议。

上述数据格式可以是《高空探测规范》规定的格式或其它格式。

Claims (6)

1、一种高空气象探测北斗测风方法：其特征是由北斗探空仪中的北斗信号接收天线和接收机接收北斗卫星信号，并将该信号输入信号放大器；信号放大器将北斗卫星信号放大，后送给相关器，获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗信号接收天线和接收机的延迟时间，由北斗测风单元直接进行高程计算，在北斗探空仪中利用实时探测得到的温度、湿度、气压和注入的初始高程联合解算得到北斗测风单元实时的位势高度，然后转化为高度，以此来实现探空仪实时高程的解算；结合空中实时温、压、湿计算得到的高程实现探空仪北斗接收机的定位信息，其定位信息送入单片机，相关器与单片机之间由数据总线、地址总线和控制总线电连接，相关器也向信号放大器输送取样时钟信号；单片机对相关器进行初始化，并采集相关器输入的测量数据；将测量数据通过相关器的串行通信口或其它串行通信口、并由无线通讯方式传至地面计算机，得到北斗测风单元在空间的位置和风速。

2、由权利要求1所述的高空气象探测北斗测风方法：其特征是北斗探空仪采用下述方法计算高度：

${H^{p_2}}_{p_1}=18410.01\frac{273.15+t}{273.15}\lg \frac{p_2}{p_1}(1+0.378\frac{\stackrel{\‾}{e}}{\stackrel{\‾}{p}})$

式中

p₁气压层到p₂气压层间的厚度(gpm)；

t-气压层间的平均气温(℃)；

P₂-下气压层气压(hPa)；

P₁-上气压层气压(hPa)；

P气层间的平均气压值；

其中，e＝E_iU

U气层间的平均相对湿度(RH％)；

E_i气层间平均气温对应的饱和水汽压。

在得到位势高度后需要将位势高度转换为几何高度：

式中：Z-某时刻位势高度(hPa)；

R_e-地球半径；

-纬度为

处的重力加速度。

3、由权利要求1所述的高空气象探测北斗测风方法：其特征是设有在地面的北斗接收机，放置于已知位置接收点，其地面定位位置值与已知点对比求取差分量，作为北斗测风探空仪每时刻位置量的修正值。

4、由权利要求1所述的高空气象探测北斗测风方法：其特征是上述北斗测风探测仪为下投式探空测风装置，测风单元无线电发射机使用调频或调幅方式调制。大气探测仪器领域中的一种对高空风速、风向进行实时测量的测风仪器设备。可外加减速机构、电源开关控制模块、电源模块等部件构成探空仪部分。采用飞行器下投探空仪自动完成对高空风速风向实时高精度测量的目的。

5、高空气象探测北斗测风装置，其特征是由北斗接收机、信号放大器、相关器和单片机顺序连接，通过无线电通信方式向地面接收处理单元传送测量数据；由北斗信号接收天线接收北斗卫星信号，并将该信号输入信号放大器；信号放大器将北斗卫星信号放大，后送给相关器获取北斗卫星发射的信号从北斗卫星到北斗测风单元的延迟时间，结合空中实时温、压、湿计算得到的高程实现探空仪北斗接收机的定位，其定位信息送入单片机，相关器与单片机之间由数据总线、地址总线和控制总线电连接，相关器也向信号放大器输送取样时钟信号；单片机对相关器进行初始化，并采集相关器输入的测量数据；将测量数据通过相关器的串行通信口或其它串行通信口由无线通讯方式传至地面计算机，地面计算机结合基站北斗信息进行定位处理，得到北斗测风单元在空间的位置和风速；高空气象探测北斗探空测风单元气球携带升空。

6、由权利要求3所述的高空气象探测北斗测风装置，其特征是上述探空仪部分外接臭氧探测传感器、大气电场探测传感器、大气湍流探测等其他传感器。

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