CN105607153A - 基于智能气球群的云监测系统和人工降水系统、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能气球群的云监测系统和人工降水系统、控制方法，控制方法包括步骤：在不同投放点总共投放第一预设数量的所述智能气球分别探测所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数；根据所述第一预设数量的所述智能气球的分别采集的所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数得到所述预定大气区域的第一环境参数；根据所述预定大区区域的第一环境参数调整智能气球的投放点总共投放第二预设数量的所述智能气球进行人工降雨。本发明具有如下优点：通过多个智能气球可以采集预定大气区域的环境参数，根据预定大气区域的环境参数调整智能气球的投放点和散播催化剂的位置从而实现人工降雨。

Description

基于智能气球群的云监测系统和人工降水系统、控制方法

技术领域

本发明涉及人工降雨技术领域，具体涉及一种基于智能气球群的云监测系统和人工降水系统、控制方法。

背景技术

人工降水的原理是通过播撒催化剂(碘化银、干冰等)，影响云的微物理过程，使在一定条件下本来不能自然降水的云受激发而产生降水，或使本来能自然降水的云提高降水效率。能够用催化剂增雨的云需具备一定条件，称为潜在降水云体。目前人工降水催化作业方式主要有：地面布置碘化银燃烧炉、地面发射高炮或火箭播撒催化剂、飞机播撒催化剂、气球携带催化剂等。

地面布置燃烧炉的作业方式通过点燃催化剂焰条或溶液产生大量烟剂，依靠上升气流输送入云。这种方式要求有自然形成的持续上升气流，主要适用于易形成地形云且迎风面提供上升气流的山区，具有明显的地域局限性。另外，这种方式难以定点播撒催化剂，也难以确定催化剂入云的剂量，催化效率较低。

以高炮和火箭为载体的播撒方式相对更为有效。炮弹在云中爆炸，把携带的碘化银燃成烟剂撒在云中。火箭则在到达云中高度以后燃烧碘化银剂，随飞行过程沿途拉烟播撒。这种方式要求配备车载炮弹或火箭发射装备，属于火工装备，使用时受安保级别限制，难以在一般级别的人工降水任务或科学研究实验中使用，而且设备和材料成本较高，作业过程噪声大，火箭坠落时若未能及时开启降落伞可能影响地面生命财产安全，只能布置极少的作业地点，难以保证增雨雪效果与及时性。

飞机播撒催化剂是由搭载播撒设备的飞机直接将催化剂播撒到潜在降水云层。这种方式固定资产投入大，运行成本高，一次飞行的花费通常需要几十万到上百万元，而且为确保飞行安全，无法在强对流的天气下应用。

气球携带催化剂是一种轻巧、灵活的作业方式，它将碘化银焰条固定在浮力气球上，在气球上升过程中不断燃烧播撒烟剂，具有不受地域限制、成本低、催雨效率高等优点。但是，目前这种方式的应用程度不高，通常只作为非飞机作业期间的辅助或补充增雨手段，主要原因是：气球上升路径受气流影响，不确定性大，不能保证进入云体适当部位，投放点选择困难；气球投放后完全不受监测，作业人员无法核验本次投放是否有效；气球投放前就需要点燃催化剂烟剂或开始播撒，在气球尚未到达云体期间大量浪费催化剂。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于智能气球群的云监测系统。

本发明的第二个目的在于提出一种基于智能气球群的人工降雨系统。

本发明的第三个目的在于提出一种基于智能气球群的人工降水系统的控制方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于智能气球群的云监测系统，包括：多个智能气球和地面工作站，每个所述智能气球包括：气球主体；定位模块；大气监测模块，用于检测所述智能气球周围的第一环境参数；升降控制装置，用于根据主控装置发送升降控制指令控制所述智能气球的升降；无线通信模块，用于将所述智能气球的位置信息、所述智能气球周围的第一环境参数、所述催化剂散播装置的散播状态信息发送给所述地面工作站；主控模块，用于向所述升降控制装置发送所述升降控制指令；所述地面工作站，用于接收多个所述智能气分别发送的位置信息、大气环境参数、催化剂散播装置的散播状态信息得到预定大气区域的第一环境参数信息。

根据本发明实施例的基于智能气球群的云监测系统，通过多个智能气球可以采集预定大气区域的环境参数，为后续是否进行人工降雨提供有用信息。

另外，根据本发明上述实施例的基于智能气球群的云监测系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，多个所述智能气球之间通过所述无线通信模块可相互通信。

进一步地，所述第一环境参数包括空气温度、湿度、气压和微粒浓度中的一种或多种。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于智能气球群的人工降雨系统，包括上述的基于智能气球群的云监测系统，所述人工降雨系统还包括：催化剂散播装置，设置在所述智能气球上，用于根据主控模块的散播指令进行催化剂的散播；其中，所述主控模块用于发送所述散播指令，所述地面工作站还用于根据所述预定大气区域的第一环境参数信息调整多个所述智能气球的投放点和多个所述智能气球散播所述催化剂的位置进行人工降雨。

根据本发明实施例的基于智能气球群的人工降雨系统，通过多个智能气球可以采集预定大气区域的环境参数，根据预定大气区域的环境参数调整智能气球的投放点和散播催化剂的位置从而实现人工降雨。

另外，根据本发明上述实施例的基于智能气球群的人工降雨系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述催化剂散播装置包括催化剂容器，所述催化剂容器内设置有粉末状催化剂，通过打开所述催化剂容器的开口散播所述催化剂进行降雨。

进一步地，所述催化剂散播装置包括点火装置，通过点燃所述催化剂进行降雨。

进一步地，所述地面工作站进一步用于根据多个所述智能气球的运动轨迹得到所述预定大气区域的风场信息，并根据所述预定大气区域的第一环境参数和所述风场信息预测进行人工降雨时的多个所述智能气球的设置点和散播所述催化剂的位置。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于智能气球群的人工降水系统的控制方法，包括上述的智能气球群的人工降水系统，所述方法包括以下步骤：S1：在不同投放点总共投放第一预设数量的所述智能气球分别探测所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数；S2：根据所述第一预设数量的所述智能气球的分别采集的所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数得到所述预定大气区域的第一环境参数；S3：根据所述预定大区区域的第一环境参数调整智能气球的投放点总共投放第二预设数量的所述智能气球进行人工降雨。

根据本发明实施例的基于智能气球群的人工降雨系统的控制方法，通过多个智能气球可以采集预定大气区域的环境参数，根据预定大气区域的环境参数调整智能气球的投放点和散播催化剂的位置从而实现人工降雨。

另外，根据本发明上述实施例的基于智能气球群的人工降雨系统的控制方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在步骤S2后还包括以下步骤：S3’：根据所述第一预设数量的所述智能气球的运动轨迹得到所述预定大气区域的风场信息；S4’：根据所述预定大区区域的第一环境参数和所述风场信息预测进行人工降雨时的多个所述智能气球的设置点和散播所述催化剂的位置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的智能气球的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的基于智能气球群的人工降水系统的控制方法的流程图；

图3是本发明的一个实施例的人工降水作业过程的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于智能气球群的云监测系统。

图1是本发明一个实施例的智能气球的结构示意图。请参考图1，一种基于智能气球群的云监测系统，包括多个智能气球和地面工作站。

具体地，每个智能气球包括气球主体4、定位模块、大气监测模块、升降控制装置、无线通信模块和主控模块2。在本发明的一个示例中，智能气球的具体结构如图1所示，由阀门1、控制监测器2、催化剂播撒装置3、气球4、绳5、导线6组成。

定位模块用于定位气球任意时刻的三维坐标，并获得其运动状态。

大气监测模块由温湿度传感器、气压传感器、空气微粒传感器等组成，用于测定空气温度、湿度、气压、微粒浓度等大气参数。

升降控制装置用于根据主控装置发送升降控制指令控制所述智能气球的升降。在本发明个一个示例中，升降控制装置包括阀门1。阀门1安装在气球底部，用于充气和排气。阀门开度可调节，可实现对气球高度的单向控制，即减缓上升速度或使气球下降。当气球上升至理想高度时，排出少量气体使其不再上升，停留在该高度层上；当气球完成任务后，逐渐排出更多气体，使其降落至地表等待回收。阀门开度由主控模块控制。

无线通信模块，用于将智能气球的位置信息、智能气球周围的第一环境参数、催化剂散播装置的散播状态信息发送给所述地面工作站。在本发明的一个实施例中，无线通信模块接收和转发其他气球的消息。所有已投放的气球和地面车载工作站构成无线自组网络，消息通过气球间的转发形成广播，最终由地面车载工作站接收。这种自组网络能有效增加信息传输距离，提高通信的可靠性。

主控模块用于向升降控制装置发送升降控制指令。主控模块用于智能气球的自动化控制，包括无线通信、排气阀门的开启关闭。主控模块提供程序烧写接口，可与计算机连接，通过软件修改智能气球的运行参数。

地面工作站用于接收多个智能气分别发送的位置信息、大气环境参数、催化剂散播装置的散播状态信息得到预定大气区域的第一环境参数信息。

具体地，地面工作站是工作人员进行云监测的决策中心。工作站的机动性强，作业过程中能够灵活改变气球投放点并回收气球。工作站配备有风速仪、GPS、望远镜等基本设备，帮助工作人员粗测现场风向和潜在降水云体的位置，观察气球飞行路径。此外，工作站还配备有无线通信设备和气球充气设备，并搭载基于智能气球群的云监测平台。

地面工作站搭载的无线通信设备接收所有已投放气球的信息，并将数据传输给软件平台，帮助其实时掌握智能气球群的工作状态。智能气球的运行以完全自主控制为主，从而降低系统复杂度，提高可靠性。底面工作站一般只作为信息接收端，特殊情况下可向智能气球发送指令消息。

地面工作站搭载的气球充气设备用于对智能气球充气，包括储气罐和充气机。若采用碘化银焰条等易燃物作为催化剂，则不能用氢气，而应该选用氦气等惰性气体。

地面工作站的主要功能有：气球参数设置、数据采集与实时分析、最优投放点推荐、信息可视化。各项功能详述如下。

气球参数设置：每个智能气球在投放前都需要设置运行参数。使用时，通过串行通讯端口、USB接口或其他接口将智能气球的主控模块与地面车载工作站上的计算机相连，在软件平台提供的参数设置图形化界面，依据作业实际需求设定相关参数，点击确认后相应设置写入智能气球中。

数据采集与实时分析：地面工作站通过与智能气球群建立的无线自组网络实时获取各智能气球的工作状态及其测得的大气环境信息，存储原始数据，并做进一步的数据分析。根据智能气球位置的变化，确定其飞行路径和飞行速度，计算沿途每点的风向和风速，当同时考虑空中所有气球时，可以估计气球群飞行包络范围内的风场及其演变；根据所有气球采集的温度、湿度、气压信息，估计区域内的温度、湿度、气压分布；综合考虑温度、湿度、气压、微粒浓度等环境信息，根据云的形成原理及特征，判断区域内云的分布和潜在降水云体的位置。

最优投放点推荐：地面工作站根据潜在降水云体的位置和风场信息，预测云体的运动。由于已知风场，智能气球在不同地点投放后的飞行轨迹均可预测，因此能够找出最优的气球投放点，使气球投放后有最大可能进入潜在降水云体。地面工作站将最优投放点位置推荐给工作人员，帮助工作人员做出正确决策。

信息可视化：地面工作站提供各类信息的三维图形显示界面，将气球群的工作状态和数据分析决策成果直观并实时地展示出来，帮助工作人员掌握人工降水作业情况。在三维地图中显示每个智能气球的位置，同时标明各个气球的工作状态，包括是否播撒催化剂、是否开启阀门、是否进入云体、是否飞离活动范围、网络是否通畅等；可以查看每个智能气球的投放点、飞行轨迹、飞行速度以及对未来飞行轨迹的预测；在三维地图中显示已探测区域的风场、气压、温度、湿度、微粒浓度的分布，显示云的分布，并重点标明潜在降水云体的范围；标记历史投放点的位置并推荐最优投放点的位置；若导入当地地形数据则可以显示该地区的三维地形。

根据本发明实施例的基于智能气球群的云监测系统，通过多个智能气球可以采集预定大气区域的环境参数，为后续是否进行人工降雨提供有用信息。

以下描述根据本发明实施例的基于智能气球群的人工降水系统。

一种基于智能气球群的人工降雨系统，包括上述实施例的基于智能气球群的云监测系统，还包括催化剂散播装置，设置在智能气球上，用于根据主控模块的散播指令进行催化剂的散播。其中，主控模块用于发送所述散播指令，所述地面工作站还用于根据所述预定大气区域的第一环境参数信息调整多个所述智能气球的投放点和多个所述智能气球散播所述催化剂的位置进行人工降雨。

在本发明的一个实施例中，催化剂散播装置包括催化剂容器，催化剂容器内设置有粉末状催化剂(录入干冰、盐粉等)，通过打开催化剂容器的开口散播所述催化剂进行降雨。

在本发明的一个实施例中，催化剂散播装置包括点火装置，通过点燃催化剂(例如碘化银焰条)进行降雨。

在本发明的一个实施例中，地面工作站进一步用于根据多个智能气球的运动轨迹得到所述预定大气区域的风场信息，并根据所述预定大气区域的第一环境参数和所述风场信息预测进行人工降雨时的多个所述智能气球的设置点和散播催化剂的位置。

具体地，地面工作站根据潜在降水云体的位置和风场信息，预测云体的运动。由于已知风场，智能气球在不同地点投放后的飞行轨迹均可预测，因此能够找出最优的气球投放点，使气球投放后有最大可能进入潜在降水云体。软件平台将最优投放点位置推荐给工作人员，帮助工作人员做出正确决策。

以下描述根据本发明实施例的基于智能气球群的人工降水系统的控制方法。

图2是本发明一个实施例的基于智能气球群的人工降水系统的控制方法的流程图，图3是本发明的一个实施例的人工降水作业过程的示意图。请参考图2和图3，一种基于智能气球群的人工降水系统的控制方法包括如下步骤：

S1：在不同投放点总共投放第一预设数量的智能气球分别探测智能气球运动轨迹上的第一环境参数。

具体地，初拟投放点，粗略测定现场风向、风速和潜在降水云体的位置，拟定首次投放气球的投放点位置。

智能气球参数设定和投放：智能气球配备了GPS等全球定位系统和传感器等电子元件，能够感知自身位置、运动状态和周围环境。投放前对智能气球的运行参数进行设置，然后充气(氢气、氦气等)，并使其携带增雨催化剂(催化剂可以是碘化银焰条，也可以是干冰、盐粉等)，在拟定的投放点进行投放。首次投放气球的数目不宜过多，首批气球主要承担初步探测和试验任务。

智能气球需要设定的运行参数及其作用如下所述。

催化剂的播撒条件：设置为潜在降水云体内部的温度、湿度、气压、微粒浓度等环境条件，当周围环境达到条件时智能气球开始播撒催化剂。

最高高度：根据云分布和空域使用条件，当智能气球上升至某一设定最高高度时，释放部分气体以减小升力，使其维持或降落到潜在降水云体可能出现的高度层。

活动范围：本次作业的最大影响范围，用一系列坐标点表示，当智能气球飞出预设的活动范围时，逐渐释放气体降落至地面。

催化剂播撒时间：当使用碘化银焰条等易燃催化剂时，气球只有在点燃超过预设时间后才能排气，确保焰条燃尽再降落，避免落地后造成火灾。

消息发送频率：每隔多长时间发送一次消息。

智能气球群空中作业：智能气球投放后，形成一组智能气球群，传感器不断采集环境信息，每隔一段时间就将各自三维坐标和各项大气参数通过无线网络发送出去。当智能气球进入潜在降水云体时(即各项环境指标达到了预设的播撒条件时)，自动开启催化剂播撒装置，若智能气球始终不进入云体，则不播撒催化剂；当智能气球高度过高时，自动打开排气阀以降低高度；当超出预设的活动范围时，确保易燃催化剂燃尽后，逐渐释放气体降落至地面等待回收。智能气球开始播撒催化剂、排气阀门开闭等工作状态信息也通过无线信号传输，并可通过无线信号发射控制指令。

S2：根据第一预设数量的智能气球的分别采集的智能气球运动轨迹上的第一环境参数得到预定大气区域的第一环境参数。

具体地，地面工作人员接收智能气球群发送的信息，了解气球的飞行路径和途经区域的云层状况。根据本轮气球投放效果和掌握的信息，优化投放点位置，进行下一轮投放，使更多的气球进入云体。重复步骤S1，直至达到所需的作业规模。

所有作业完成后，工作人员回收降落的气球。由于智能气球报告了降落位置，回收过程较为容易。

S3：根据预定大区区域的第一环境参数调整智能气球的投放点总共投放第二预设数量的智能气球进行人工降雨。

具体地，地面工作站根据潜在降水云体的位置，找出最优的气球投放点，使气球投放后有最大可能进入潜在降水云体。地面工作站将最优投放点位置推荐给工作人员，帮助工作人员做出正确决策。

在本发明的一个实施例中，在步骤S2之后还包括以下步骤：

S3’：根据第一预设数量的智能气球的运动轨迹得到预定大气区域的风场信息。

具体地，地面工作站根据智能气球位置的变化，确定其飞行路径和飞行速度，计算沿途每点的风向和风速，当同时考虑空中所有气球时，可以估计气球群飞行包络范围内的风场及其演变。

S4’：根据预定大区区域的第一环境参数和风场信息预测进行人工降雨时的多个智能气球的设置点和散播催化剂的位置。

具体地，地面工作站根据潜在降水云体的位置和风场信息，预测云体的运动。由于已知风场，智能气球在不同地点投放后的飞行轨迹均可预测，因此能够找出最优的气球投放点，使气球投放后有最大可能进入潜在降水云体。软件平台将最优投放点位置推荐给工作人员，帮助工作人员做出正确决策。

另外，本发明实施例的基于智能气球群的云监测系统和人工降水系统、控制方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种基于智能气球群的云监测系统，其特征在于，包括：多个智能气球和地面工作站，

每个所述智能气球包括：

气球主体；

定位模块；

大气监测模块，用于检测所述智能气球周围的第一环境参数；

升降控制装置，用于根据主控装置发送升降控制指令控制所述智能气球的升降；

无线通信模块，用于将所述智能气球的位置信息、所述智能气球周围的第一环境参数、所述催化剂散播装置的散播状态信息发送给所述地面工作站；

主控模块，用于向所述升降控制装置发送所述升降控制指令；

所述地面工作站，用于接收多个所述智能气分别发送的位置信息、大气环境参数、催化剂散播装置的散播状态信息得到预定大气区域的第一环境参数信息。

2.根据权利要求1所述的基于智能气球群的云监测系统，其特征在于，多个所述智能气球之间通过所述无线通信模块可相互通信。

3.根据权利要求1所述的基于智能气球群的云监测系统，其特征在于，所述第一环境参数包括空气温度、湿度、气压和微粒浓度中的一种或多种。

4.一种基于智能气球群的人工降雨系统，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的基于智能气球群的云监测系统，所述人工降雨系统还包括：

催化剂散播装置，设置在所述智能气球上，用于根据主控模块的散播指令进行催化剂的散播；

其中，所述主控模块用于发送所述散播指令，所述地面工作站还用于根据所述预定大气区域的第一环境参数信息调整多个所述智能气球的投放点和多个所述智能气球散播所述催化剂的位置进行人工降雨。

5.根据权利要求4所述的基于智能气球群的人工降水系统，其特征在于，所述催化剂散播装置包括催化剂容器，所述催化剂容器内设置有粉末状催化剂，通过打开所述催化剂容器的开口散播所述催化剂进行降雨。

6.根据权利要求4或5所述的基于智能气球群的人工降水系统，其特征在于，所述催化剂散播装置包括点火装置，通过点燃所述催化剂进行降雨。

7.根据权利要求3所述的基于智能气球群的人工降水系统，其特征在于，所述地面工作站进一步用于根据多个所述智能气球的运动轨迹得到所述预定大气区域的风场信息，并根据所述预定大气区域的第一环境参数和所述风场信息预测进行人工降雨时的多个所述智能气球的设置点和散播所述催化剂的位置。

8.一种基于智能气球群的人工降水系统的控制方法，其特征在于，包括权利要求4-7中任一项所述的智能气球群的人工降水系统，所述方法包括以下步骤：

S1：在不同投放点总共投放第一预设数量的所述智能气球分别探测所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数；

S2：根据所述第一预设数量的所述智能气球的分别采集的所述智能气球运动轨迹上的所述第一环境参数得到所述预定大气区域的第一环境参数；

S3：根据所述预定大区区域的第一环境参数调整智能气球的投放点总共投放第二预设数量的所述智能气球进行人工降雨。

9.根据权利要求7所述的基于智能气球群的人工降水系统的控制方法，其特征在于，在步骤S2后还包括以下步骤：

S3’：根据所述第一预设数量的所述智能气球的运动轨迹得到所述预定大气区域的风场信息；

S4’：根据所述预定大区区域的第一环境参数和所述风场信息预测进行人工降雨时的多个所述智能气球的设置点和散播所述催化剂的位置。