CN104252010B - 一种无线电探空仪及其气象数据测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于气象参数测量领域，提供了一种无线电探空仪及其气象数据测量方法，该方法包括：使用安装于无线电探空仪上的温度传感器、湿度传感、气压传感器测量大气的温度、湿度和压力参数；使用加速度计测量无线电探空仪的加速度；使用导航卫星信号接收模块接收导航卫星信号；将所述的测量数据进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备；所述地面接收设备根据接收的测量数据进行处理，计算得到当前大气的温度、湿度、压力、风速和风向参数值。本发明即使在探空仪的导航卫星信号接收模块失去卫星信号时，也可以根据加速度计测量值计算得到风速、风向值。
Description
技术领域
本发明属于气象数据测量领域，尤其涉及一种无线电探空仪及其气象数据测量方法。
背景技术
无线电探空仪是一种由气球携带的仪器，在气球上携带有用于测量的一个或几个气象变量的传感器。无线电探空仪穿过大气并借助无线电发射机将探测信号传送给地面观测站，经地面观测站的转换处理得到各高度的相应气象参数。
目前，大气温、湿、压参数一般通过探空仪上的传感器检测获得，而空中风速风向的测量方法包括气象探测雷达、无线电经纬仪、无线电导航、光学测风经纬仪以及基于卫星导航定位技术测风等多种方法。
无线电经纬仪和气象探测雷达进行高空气象探测都需要一个固定的观测平台，不适合在车辆、舰船等运动物体上实施探测；而光学经纬仪测风仍是手工作业，在能见度差的情况下无法进行探测；气象探测雷达测量风速，在工作时必须发射大功率信号，经探空仪反射，才能得到探空仪的距离信号，电磁隐蔽性差，易受敌侦测、干扰和攻击,而且设备复杂、操作不便、维修困难。无线电经纬仪虽不用发射电磁信号，但其探风精度较低。
基于卫星导航定位应用的无线电探空仪，是一种新型的气象参数观测手段，它是在常规无线电探空仪上集成了卫星导航定位模块，直接应用卫星导航系统实现自主定位，再由位置的坐标轨迹值计算出气球在各个高度上的平均风向风速。采用导航卫星定位技术实现空中风的探测，能够大大提高无线电探空仪测量气象数据的准确性，降低地面接收系统的成本，提高气象探空系统的自动化程度，具有非常优越的性能。
但是在实际观测条件下，由于受到环境的干扰或者其它一些意外因素，GPS卫星定位信号接收模块会短时间内会失去对卫星信号的跟踪（也称失锁），在失锁的这段时间内无法获得定位信息，也就无法测得实际的风向风速等信息。现在普遍采用的方法是在导航卫星信号失锁的时间内，采用插值算法获得风速信息，但这种算法有时会引起较大误差，影响风速测量的精度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种无线电探空仪的气象数据测量方法，以解决现有技术中基于卫星导航定位应用的无线电探空仪在导航卫星信号失锁的时候不能确定风速、风向的问题，从而提高风速、风向的测量精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种无线电探空仪的气象数据测量方法，所述方法包括下述步骤：
使用安装于无线电探空仪上的加速度计测量无线电探空仪的加速度信号；
使用卫星信号接收模块接收导航卫星信号；
将所述测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备；
所述地面接收设备根据接收的加速度信号和导航卫星信号计算得到当前大气的风速、风向数据。
第二方面，本发明实施例提供了一种第一方面所述的无线电探空仪，所述无线电探空仪包括加速度计、卫星信号接收模块、处理器、数据调制编码模块和无线电发射机，所述加速度计、卫星信号接收模块与处理器相连，由处理器接收加速度计得到的加速度数据和卫星信号接收模块接收的导航卫星信号，所述处理器连接所述数据调制编码模块并将所述接收的加速度数据和导航卫星信号进行数据调制编码，经由与无线电发射机将所述调制编码后的信号发送至地面接收设备。
在本发明实施例中，通过安装于无线电探空仪上的加速度计可以测量无线电探空仪的加速度值，通过卫星信号接收模块可以得到无线电探空仪的导航卫星信号，将测量的加速度信号和所述接收模块获得的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备，从而可以计算得到当前大气的风速、风向数据。即使在导航卫星信号失锁时，也可以根据加速度计测量值计算得到风速、风向值。与现有导航卫星信号失锁时采用的插值算法相比，本发明实施例的测量精度更高。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的无线电探空仪的气象数据测量的实现流程图；
图2是本发明第二实施例提供的无线电探空仪的气象数据测量的实现流程图；
图3是本发明第三实施例提供的无线电探空仪的结构示意图。
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。
无线电探空仪搭载在气象气球上。它测量多个大气参数并将这些数据用无线电传回地面接收站。无线电探空仪由氦气球或氢气球搭载进入大气层。气球的大小重量和材料决定了气球所能到达的高度最大值。
无线电探空仪经由无线电与地面接收设备通信。计算机实时存储这些传回的数据。最初无线电探空仪由地面通过经纬仪观测，通过测量大气中仪器的位置变化来估算风速。而当代无线电探空仪可选用多种装置测定风速和风向，诸如Loran（远距离无线电导航系统）、无线电定向仪、GPS等。当代无线电探空仪测量的重要数据包括：大气压力、温度、相对湿度和风速、风向等。
本发明实施例公开了一种无线电探空仪的气象数据测量方法，所述方法包括下述步骤：使用安装于无线电探空仪上的加速度计测量无线电探空仪的加速度信号；使用卫星信号接收模块接收导航卫星信号；将所述测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备；所述地面接收设备根据接收的加速度信息和导航卫星信号/加速度信息计算得到当前的风速、风向数据。通过安装于无线电探空仪上的加速度计可以测量无线电探空仪上的加速度值，通过卫星信号接收模块可以得到无线电探空仪的位置信号等导航信息，将测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备，从而可以计算得到当前大气的风速、风向数据。即使在卫星信号接收模块失去卫星信号时，也可以根据加速度值得到风速、风向值。与现有卫星信号失锁时的插值算法技术相比，本发明实施例的测量精度更高，更可靠。
实施例一：
图1示出了本发明第一实施例提供的无线电探空仪的气象数据测量的实现流程，详述如下：
在步骤S101中，使用安装于无线电探空仪上的加速度计测量无线电探空仪的加速度信号。
所述加速度计，可以为微机械加速度计。
由所述加速度计得到的加速度信号，可以通过模拟信号接口、PWM（中文全称为脉冲宽度调制，英文全称为Pulse Width Modulation），当然也可以采用其它外围接口如422接口、485接口、SPI接口、232接口、I2C接口等与处理器相连。
在步骤S102中，使用卫星信号接收模块接收导航卫星信号。
所述导航卫星信号包括定位信息，GPS时钟、多普勒频移信息等。
导航卫星可以采用美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS和欧洲的伽利略以及可能新出现的一种或者几种的组合。
导航系统工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息，计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文，通过地面上的注入站向卫星注入这些信息。测量定位时，用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置，由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象。观测时，接收机利用码发生器生成的信息与卫星接收的信号进行相关处理,并根据导航电文的时间标和子帧计数测量用户和卫星之间的伪距。将修正后的伪距及输入的初始数据及四颗卫星的观测值列出4个观测方程式，即可解出接收机的位置和接收机钟差，并转换成所需要的坐标系统，以达到定位目的。
在步骤S103中，将所述测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备。
所述卫星信号接收模块接收的卫星信号，可解算出位置、速度、时间、多普勒频移等导航卫星信号，通过通信接口送至处理器。所述加速度计得到的无线电探空仪的加速度信号实时送到处理器。处理器对接收到的信息进行滤波、补偿、修正，将得到的风速、风向信息进行编码处理，送至无线电发射机进行调制放大后发送至地面接收中心。根据需要，也可以对未经过处理器处理的原始信号进行编码，发送至地面接收设备进行分析处理。
在步骤S104中，所述地面接收设备根据接收的数据计算得到当前大气的风速、风向数据。
根据测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号，包括定位信息，GPS时钟、多普勒频移信息等，进行计算，得到风速、风向数据。
当卫星信号接收模块信号失锁时，也可以通过加速度计测量值直接计算得到风速、风向值，和现有导航卫星信号失锁时采用的插值法相比，可显著提高风速、风向测量的准确性。
实施例二：
图2为本发明第二实施例提供的无线电探空仪的气象数据测量的实现流程，详述如下：
在步骤S201中，使用安装于无线电探空仪上的加速度计测量无线电探空仪的加速度信号。
在步骤S202中，使用卫星信号接收模块接收导航卫星信号。
在步骤S203中，使用安装于无线电探空仪上的陀螺仪测量姿态角速度信息。
陀螺仪，可以为微机械陀螺仪，其体积、重量较小，符合安装于无线电探空仪的要求。
通过陀螺仪测量的角速度信息，可以得到探空仪相对于探空气球的摆动信息，从而可以用来消除探空仪相对于探空气球钟摆运动所产生的风速测量误差，进一步提高测量准确性。
在步骤S204中，通过温度传感器、湿度传感、气压传感器中的一个或者多个测量气象参数。
上述步骤S201-S204的执行过程不需要按照其先后顺序进行数据采集。
在步骤S205中，将所述测量的加速度信号、姿态角速度信息、温度信号、湿度信号、气压信号、接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备。
其中，温度信号、湿度信号和气压信号经过滤波放大电路处理为适合采样的电压信号，送至处理器的A/D采样管脚或者直接通过A/D转换电路进行信号数据的转换。
在步骤S206中，所述地面接收设备根据接收的加速度信号、姿态角速度信息、温度信号、湿度信号、气压信号、导航卫星信号/加速度信号进行滤波、补偿计算得到当前大气的温度、湿度、压力、风速和风向等数据。
本发明实施例与实施例一的不同之处在于，通过在探空仪上添加陀螺仪，可以得到探空仪的姿态角速度信息，从而能够去除探空仪相对探空气球的钟摆运动对风速、风向测量的影响，测量精度进一步提高。另外还可对气温、气压和湿度数据采集。
实施例三：
图3为本发明第三实施例提供的用于测量气象数据的无线电探空仪的结构示意图，详述如下：
本发明实施例所述无线电探空仪300，包括加速度计301、卫星信号接收模块302、处理器303、数据调制编码模块304和无线电发射机305，所述加速度计301、卫星信号接收模块302与处理器303相连，由处理器303接收加速度计301得到的加速度数据和卫星信号接收模块302接收的导航卫星信号，所述处理器303连接所述数据调制编码模块304并将所述接收的加速度数据和导航卫星信号进行数据调制编码，经由无线电发射机305将所述调制编码后的信号发送至地面接收设备。所述加速度计301为微机械加速度计。
为进一步提高测量精度，所述无线电探空仪还包括陀螺仪306，所述陀螺仪306与所述处理器303相连并将所测得的角速度信息发送至处理器303，所述陀螺仪306为微机械陀螺仪。
另外，所述无线电探空仪还包括温度传感器307、湿度传感308、气压传感器309中的一个或者多个，所述温度传感器307、湿度传感308、气压传感器308中的一个或者多个通过信号滤波电路310、模数转换电路311与处理器303相连。
其中，所述处理器可采用单片机、ARM器件、DSP器件、FPGA器件、CPLD器件以及ASIC等。
所测量采集的信号，可以通过模拟信号接口、PWM（中文全称为脉冲宽度调制，英文全称为Pulse Width Modulation），当然也可以采用其它外围接口如422接口、485接口、SPI接口、232接口、I2C接口等与处理器相连。
导航卫星可采用美国的GPS，中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略以及可能新出现的一种或几种系统的组合。
本发明实施例所述无线电探空仪与实施例一和实施例二中的方法对应，在此不作重复赘述。
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。
Claims (8)
1.一种无线电探空仪的气象数据测量方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
使用安装于无线电探空仪上的加速度计测量无线电探空仪的加速度信号；
使用卫星信号接收模块接收导航卫星信号；
将所述测量的加速度信号和所述接收的导航卫星信号进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备；
所述地面接收设备根据接收的数据计算得到当前大气的风速、风向数据，当卫星信号接收模块信号失锁时，通过加速度计测量值直接计算得到风速、风向值；
所述方法还包括：
使用安装于无线电探空仪上的陀螺仪测量探空仪的姿态角速度信息；
将所述陀螺仪测量的姿态角速度信息进行数据编码和调制，经由无线电发射机发射至地面接收设备；
所述地面接收设备根据接收的姿态角速度信息计算得到当前无线电探空仪的摆动数据；
根据所述摆动数据对所述当前大气的风速、风向数据进行补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陀螺仪为微机械陀螺仪。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过温度传感器、湿度传感、气压传感器中的一个或者多个测量的大气参数通过编码调制后由无线电发射机发射至地面接收设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加速度计为微机械加速度计。
5.一种基于权利要求1所述方法的无线电探空仪，其特征在于，所述无线电探空仪包括加速度计、卫星信号接收模块、处理器、数据调制编码模块和无线电发射机，所述加速度计、卫星信号接收模块与处理器相连，由处理器接收加速度计得到的加速度数据和卫星信号接收模块接收的导航卫星信号，所述处理器连接所述数据调制编码模块并将所述接收的加速度数据和导航卫星信号进行数据调制编码，经由无线电发射机将所述调制编码后的信号发送至地面接收设备，当卫星信号接收模块信号失锁时，通过加速度计测量值直接计算得到风速、风向值；
所述无线电探仪还包括：
陀螺仪，所述陀螺仪与所述处理器相连并将所测得的姿态角速度信息发送至处理器。
6.根据权利要求5所述的无线电探空仪，其特征在于，所述陀螺仪为微机械陀螺仪。
7.根据权利要求6所述的无线电探空仪，其特征在于，所述无线电探空仪还包括温度传感器、湿度传感、气压传感器中的一个或者多个，所述温度传感器、湿度传感、气压传感器中的一个或者多个通过信号滤波电路、模数转换电路与处理器相连。
8.根据权利要求5所述的无线电探空仪，其特征在于，所述加速度计为微机械加速度计。
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