CN103472503B - 探空仪及基于ins的高空风探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探空仪及基于INS的高空风探测方法，其中探空仪包括气象传感器、惯性导航模块、探空仪主板及发射机，气象传感器用于探测空中的多种气象要素；惯性导航模块用于获取探空仪的导航参数；探空仪主板与前述气象传感器和惯性导航模块信号连接并用于执行前述气象要素和导航参数的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并将数据流传输至发射机；发射机接收探空仪主板传输的数据流并发射。本发明的探空仪及高空风探测方法通过在探空仪内设置惯性导航模块实现定位，系统独立、不会对外界造成电磁干扰，测风精度满足目前业务要求，为特殊环境下的高空风测量提供了一种新的有效途径。

Description

探空仪及基于INS的高空风探测方法

技术领域

本发明涉及高空气象探测技术领域，具体而言涉及一种探空仪及基于INS的高空风探测方法。

背景技术

气象业务中的高空风探测，一般是指对地面至空中三十多公里高度范围内各个高度上水平气流的方向和速度，即风向、风速的测定。实时、准确的高空风探测资料是进行天气分析预报的最基础资料，也是实施空投和空降、炮兵和防空兵弹道修正等军事气象保障的基本资料。气象业务中，通常利用随气流飘动的物体（通常为气象气球或气象气球与探空仪组成的气球系统）在空中运动的轨迹来进行高空风的探测，称之为轨迹法测风，主要技术关键在于准确获取飞行中气球（或气球系统）的位置信息。

目前主要采用以下几种手段跟踪气球：光学测风经纬仪、无线电经纬仪、一次测风雷达、二次测风雷达、地基无线电导航系统、GNSS（全球导航卫星系统）等。光学测风经纬仪探测容易受到能见度、低云的影响，高空风的探测高度难以得到保证；无线电经纬仪、测风雷达系统复杂，体积和重量较大、便携性差，低仰角时测风误差极大，资料无法使用，另外，测风雷达须长时间发射大功率电磁波，功耗较大，且容易对其它设备造成电磁干扰；GNSS测风精度高，不发射大功率电磁波、体积和重量较小，但系统定位依赖于空间导航星座存在且可靠，当卫星导航信号遇到人为干扰、电离层出现磁暴、太阳风等异常时会影响到系统的定位精度，造成测风精度的降低甚至无法测风。

惯性导航技术（INS）通过测量运动物体的惯性信息（如加速度信息和转动运动信息），获得运动物体瞬时位置。由于工作时不依赖外界信息，也不向外界发射大功率电磁波，不会对环境造成电磁干扰。目前，惯性导航器件性能不断提高、价格不断降低，针对惯性导航系统具有独立性、抗干扰性强，精度高，不会造成电磁干扰等优点，因此，本发明提出基于惯性导航系统的、低成本、测量精度满足业务需求的高空风测量方法和系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种改进的探空仪，通过在探空仪中加装惯性导航模块，实时获取探空仪的位置并利用轨迹法计算得到高空风。

本发明的另一个目的还在于提供一种基于INS的高空风探测方法。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种探空仪，包括气象传感器、惯性导航模块、探空仪主板及发射机，其中：气象传感器用于探测空中的多种气象要素；惯性导航模块用于获取探空仪的导航参数；探空仪主板与前述气象传感器和惯性导航模块信号连接并用于执行前述气象要素和导航参数的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并将数据流传输至发射机；发射机接收探空仪主板传输的数据流并发射。

进一步，前述惯性导航模块为捷联式惯性导航模块，其采用数字罗盘与陀螺仪中的至少一种与加速度计的组合。

进一步，在探空仪飞行过程中，前述加速度计测量探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，前述数字罗盘和/或陀螺仪测量探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，惯性导航模块据此计算探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度数据变换至地理坐标系进行导航计算，得到探空仪的导航参数，即速度和位置信息。

进一步，惯性导航模块利用卡尔曼滤波算法或其他滤波算法滤除定位的随机误差，提高导航的精度。进一步，惯性导航模块在初始化时建立探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，进行初始对准，从而为积分运算提供初值，初始对准的基本步骤如下：在地面静止条件下读取惯性导航模块采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵。

进一步，前述探空仪主板上安装有多路开关输入模块、微处理器和输出模块，通过输入模块和微处理器对气象要素与探空仪导航参数进行数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并通过输出模块将数据流传输至发射机。

进一步，前述发射机包括调制模块、功率放大模块、天线模块，通过调制模块和功率放大模块对数据流分别进行信号调制和功率放大，再通过天线模块向地面数据接收处理单元发射数据流。

本发明的另一方面提出一种基于INS的高空风探测方法，包括以下步骤：

利用气象传感器探测空中的多种气象要素；

利用惯性导航模块获取探测仪的导航参数；

对气象要素和导航参数进行数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成；

将数据流传输至发射机；以及

发射机将数据流发射至地面数据接收处理单元。

进一步，前述惯性导航模块为捷联式惯性导航模块，其采用数字罗盘与陀螺仪中的至少一种与加速度计的组合。

进一步，前述惯性导航模块在初始化时建立探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，进行初始对准，从而为积分运算提供初值，初始对准的基本步骤如下：在地面静止条件下读取惯性导航模块采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵。

进一步，前述惯性导航模块利用卡尔曼滤波算法或其他滤波算法滤除定位的随机误差，提高导航的精度。进一步，在探空仪飞行过程中，前述加速度计测量探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，前述数字罗盘和/或陀螺仪测量探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，惯性导航模块据此计算探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度数据变换至地理坐标系进行导航计算，得到探空仪的导航参数，即速度和位置信息。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于通过在探空仪内设置惯性导航模块实现定位，系统独立、不会对外界造成电磁干扰，测风精度满足目前业务要求，代价与现有电子探空仪、GPS探空仪的价格相当，为特殊环境下的高空风测量提供了一种新的有效途径。

附图说明

图1为本发明较优实施例的探空仪的模块示意图。

图2为惯性导航模块确定探空仪位置的信息流程示意图。

图3为惯性导航模块的信号处理示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1-3所示，根据本发明的较优实施例，探空仪，例如通过在探空气球携带的探空仪，其包括气象传感器、惯性导航模块（INS）、探空仪主板及发射机，其中：气象传感器用于探测空中的多种气象要素，例如温度、压力、湿度等气象要素值；惯性导航模块用于获取探空仪的导航参数；探空仪主板与前述气象传感器和惯性导航模块信号连接并用于执行前述气象要素和导航参数的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并将数据流传输至发射机；发射机接收探空仪主板传输的数据流并发射。惯性导航模块和气象传感器均可直接安装在探空仪平台上。

惯性导航模块为捷联式惯性导航模块，上直接安装在探空仪平台，而且其结构简单、体积小，适合探空仪直接装载。惯性导航模块可采用数字罗盘与陀螺仪中的至少一种与加速度计的组合。

探空仪主板上安装有多路开关输入模块、微处理器和输出模块，通过输入模块和微处理器对气象要素与探空仪导航参数进行数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并通过输出模块将数据流传输至发射机。

发射机包括调制模块、功率放大模块、天线模块，通过调制模块和功率放大模块对数据流分别进行信号调制和功率放大，再通过天线模块向地面数据接收处理单元发射数据流。

参考图2和图3所示，探空仪在飞行过程中，3个加速度计测量探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，通过3个自由度数字罗盘和/或陀螺仪测量探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，惯性导航模块据此计算探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度数据变换至地理坐标系进行导航计算，得到探空仪的导航参数，即速度和位置信息。

由于惯性导航模块利用积分解算探空仪位置信息，其定位误差将随时间而快速累积。由于一次探测过程通常较长（约1h左右），因此必须对惯性导航模块的所累积的误差进行补偿。参考图2和图3所示，本实施例中，惯性导航模块利用卡尔曼滤波算法滤除定位的随机误差，提高导航的精度。

在探空仪施放前，需要对探空仪中的捷联惯性导航模块进行初始对准。惯性导航模块在初始化时建立探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，进行初始对准，从而为积分运算提供初值，初始对准的基本步骤如下：在地面静止条件下读取惯性导航模块采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵。

参考图3所示，探空仪在探测过程中，加速度计采集探空仪坐标系下的加速度信息，数字罗盘或和陀螺仪采集探空仪的姿态信息，上述信息经过误差补偿模型和杠杆臂效应校正后，由姿态信息计算捷联矩阵（即坐标变换矩阵），利用捷联矩阵对经过误差补偿和校正后的加速度信息进行坐标变换，可得到地理坐标系下的加速度信息，对其进行导航计算，即可输出导航参数获得探空仪的速度和位置信息。

由以上可知，本发明所涉及的基于INS的高空风探测方法，包括以下步骤：利用气象传感器探测空中的多种气象要素；利用惯性导航模块获取探测仪的导航参数；对气象要素和导航参数进行数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成；将数据流传输至发射机；以及发射机将数据流发射至地面数据接收处理单元。

其中，惯性导航模块优选为一捷联式惯性导航模块，其采用数字罗盘与陀螺仪中的至少一种与加速度计的组合。包括但不限于数字罗盘+加速度计的组合、陀螺仪+加速度计的组合等。

前述惯性导航模块在初始化时，建立探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，进行初始对准，从而为积分运算提供初值，初始对准的基本步骤如下：在地面静止条件下读取惯性导航模块采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵。

前述惯性导航模块利用卡尔曼滤波算法对惯性导航模块进行误差补偿，以减小定位的随机误差。

探空仪在飞行过程中，利用3个加速度计测量探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，利用3个自由度数字罗盘和/或陀螺仪测量探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，惯性导航模块据此计算探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度数据变换至地理坐标系进行导航计算，得到探空仪的导航参数，即速度和位置信息。

综上所述，本发明的探空仪及基于INS的高空风探测方法通过在探空仪内设置惯性导航模块实现定位，系统独立、不会对外界造成电磁干扰，测风精度满足目前业务要求，代价与现有电子探空仪、GPS探空仪的价格相当，为特殊环境下的高空风测量提供了一种新的有效途径。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (1)

1.一种基于INS的高空风探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用包括气象传感器、惯性导航模块、探空仪主板及发射机的探空仪，其中：气象传感器用于探测空中的多种气象要素；惯性导航模块用于获取探空仪的导航参数；探空仪主板与前述气象传感器和惯性导航模块信号连接并用于执行前述气象要素和导航参数的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并将数据流传输至发射机，发射机将数据流发射至地面数据接收单元；前述惯性导航模块采用数字罗盘与陀螺仪中的至少一种与加速度计组合而成；

探空仪在飞行过程中，采用加速度计测量探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，采用数字罗盘和/或陀螺仪测量探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，惯性导航模块据此计算探空仪坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度数据变换至地理坐标系进行导航计算，得到探空仪的导航参数，即速度和位置信息；

惯性导航模块在初始化时建立探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，进行初始对准，从而为积分运算提供初值，初始对准的基本步骤如下：在地面静止条件下读取惯性导航模块采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵；

惯性导航模块利用卡尔曼滤波算法滤除定位的随机误差。