CN105929192A - 一种基于gnss自主测速的测风装置及测风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GNSS自主测速的测风装置及测风方法，涉及卫星导航领域。本发明使用GNSS接收机进行单点测速，通过获得的GNSS接收机单点位置信息、速度信息以及风速与GNSS接收机速度信息之间的关系，实现了高空风速、风向以及风廓线的计算与测量。本发明不依赖外部高精度辅助设备进行测风，大大降低设备复杂程度、提高了测量精度；同时，本发明结构简单，实用，复杂度低，应用场景较为广泛。

Description

一种基于GNSS自主测速的测风装置及测风方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种不需要外部增强系统辅助、基于GNSS自主测速实现高空风速、风向及风廓线测量的装置及方法。

背景技术

GPS测风是20世纪90年代获得应用的测量系统，目前已成为大气风场测量的重要手段。GPS测风原理是利用卫星通过确定大气中自由运动目标的位置变化来确定目标所在处的风向和风速。由于GPS系统可以对目标进行高精度的定值，因此理论上，这种测风系统的精度也较高。目前GPS技术测风有两种方式，一种是多普勒频移方式，其精度受限于接收机；另一种称之为定位方式。但现有的一些测风系统，依赖于外部增强系统。

随着SA政策取消后,卫星的位置、速度、载体的位置、卫星钟速误差、电离层和对流层延迟误差的变化率、相对论效应、地球自转引起的卫星速度误差等影响在mm/s级,对于cm/s的测速精度无较大影响。目前大多数GNSS接收机具有输出多普勒观测值的功能，满足三维速度输出功能，因此用廉价的GNSS接收机进行单点测速具有简单,精度高,实时性较好的特点,能满足当前GNSS测风对速度的精度要求。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于GNSS自主测速的测风装置及测风方法，本发明不需要外部增强系统的辅助,利用GNSS接收机进行单点测速简单、精度高、实时性较好的特点,实现了自主测速。

一种基于GNSS自主测速的测风装置，包括天线、无线电台、GNSS接收机和解算设备；其中，天线、无线电台、GNSS接收机均安装在同一箱体，箱体安装在载体上；GNSS接收机通过天线接收卫星信号，根据接收到的卫星信号解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息后，通过无线电台将GNSS接收机的位置信息和速度信息回传给解算设备；解算设备利用接收到的位置信息和速度信息，根据箱体与载体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与载体的总重量、载体的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数和箱体与载体的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向测风。

其中，所述的根据接收到的卫星信号解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息具体为：根据接收到的卫星信号的多普勒频移和多普勒频移观测方程解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息。

一种基于GNSS自主测速的测风方法，所述的测风方法通过GNSS接收机自主测速实现，不需要外部增强系统的辅助，包括以下步骤：

(1)GNSS接收机测量出当前位置天线接收的卫星信号的多普勒频移，根据测得的多普勒频移计算出GNSS接收机与卫星之间的速度变化率；

(2)根据速度变化率和多普勒频移观测方程解算得到GNSS接收机的位置和速度；

(3)GNSS接收机将得到的位置和速度通过无线电台回传给解算设备；

(4)解算设备利用接收到的位置和速度，根据载体与箱体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与载体的总重量、载体的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数、箱体的尺寸规格和载体的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向；

(5)载体下降过程中按照预设频度，重复步骤(1)-(4)测量出对应位置的测风参数，由对应位置的测风参数得出下降路径对应的风廓线；所述的下降路径为载体开始平稳降落到载体落地或到达离地面一定的高度之间的路径；

完成一次测风。

其中，步骤(1)中根据测得的多普勒频移计算出GNSS接收机与卫星之间的速度变化率，具体为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{c}{f^j}df$

df＝f_s-f^j

式中：f^j为卫星j的信号频率，df为多普勒频移，f_s为接GNSS接收机捕获的卫星j的信号频率，c为光速，为速度变化率。

其中，步骤(2)所述的多普勒频移观测方程具体为：

$\mathrm{\λ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}^j=\frac{(r-r^j)\·(\stackrel{\·}{r}-{\stackrel{\·}{r}}^j)}{{\mathrm{\ρ}}^j}+c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}_k-c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}^j+{\stackrel{\·}{I}}^j+{\stackrel{\·}{T}}^j+{\mathrm{\ϵ}}^j$

式中，为卫星j到GNSS接收机的伪距；r为GNSS接收机的位置向量；为GNSS接收机的速度向量；r^j为卫星j的位置向量；为卫星j的速度向量；为GNSS接收机的钟速；为卫星j的钟速；i^j为电离层延迟变化率；为对流层时延变化率；ε^j为测量噪声，c为光速。

其中，步骤(4)中所述的风速与GNSS接收机速度之间的关系，具体为：由系统运动微分方程和系统当前位置的速度，通过差分确定出系统受到的风力合力；确定系统所受风力合力与箱体受力、载体受力的函数关系；确定箱体受力、载体受力与风速的函数关系；综合以上函数关系，即可实时计算出当前位置处的风速和风向；所述的系统由箱体和载体构成。

本发明相比背景技术的优点在于：本发明不需要依赖外部高精度辅助设备进行测风，大大降低了设备的复杂程度，对设备要求低、设备量少、便携，且提高了测量精度；同时，本发明结构简单，实用，复杂度低，应用场景较为广泛，有利于北斗系统的应用推广。

附图说明

图1是本发明的测风装置方框图；

图2是本发明的系统受力分析图；

图3是本发明的箱体受力分析图；

图4是本发明的降落伞受力与风速图。

具体实施方式

本发明提供一种基于GNSS自主测速的测风方法，不需要外部增强系统的辅助,通过GNSS接收机实现自主测速。下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的测风装置包括测风平台(如无人机)、载体(如降落伞)、天线、无线电台和GNSS接收机，测风平台包括解算设备，天线、无线电台和GNSS接收机均安装于同一箱体，将箱体安装在降落伞上，在一定高度的空中投放安装好的降落伞，当降落伞经过一段时间稳定后开始平稳降落，同时，GNSS接收机开始进行定位和测速；GNSS接收机按照预设频度将位置信息和速度信息通过无线电台回传给测风平台上的解算设备。

GNSS接收机通过天线接收卫星信号，根据接收到的卫星信号解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息后，通过无线电台将GNSS接收机的位置信息和速度信息回传给解算设备；

解算设备利用接收到的位置信息和速度信息，根据箱体与载体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与载体的总重量、载体的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数和箱体与载体的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向。

一种基于GNSS自主测速的测风方法，包括以下步骤：

(1)测风平台(如无人机)将箱体安装在载体(如降落伞)上，其中天线、无线电台、GNSS接收机均安装在该箱体上，在一定高度的空中投放安装好的降落伞；

(2)当降落伞开始平稳降落后，GNSS接收机测量出当前位置天线接收的卫星信号的多普勒频移，根据测得的多普勒频移计算出GNSS接收机与卫星之间的速度变化率；

降落伞脱离飞机几分钟，系统稳定之后，，GNSS接收机开始进行计算。

多普勒频移是因卫星相对于用户的相对运动而产生的，当GNSS接收机与卫星的位置发生相对运动时，GNSS接收机捕获到卫星信号的频率与卫星发射信号时的频率是不一样的，它们之间的频率之差df称为多普勒频移。算法为:

df＝f_s-f^j

其中：f^j为卫星j的信号频率；f_s为接收机捕获的卫星信号频率。

站星之间的速度变化率与观测到的多普勒频移之间满足以下关系式：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{c}{f^j}df=\mathrm{\λ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}^j$

其中，c为光速，df由GNSS接收机直接测得。

(3)根据速度变化率和多普勒频移观测方程解算得到GNSS接收机的位置和三维速度；

多普勒频移观测方程如下：

$\mathrm{\λ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}^j=\frac{(r-r^j)\·(\stackrel{\·}{r}-{\stackrel{\·}{r}}^j)}{{\mathrm{\ρ}}^j}+c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}_k-c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}^j+{\stackrel{\·}{I}}^j+{\stackrel{\·}{T}}^j+{\mathrm{\ϵ}}^j$

其中：ρ^j为第j颗卫星到GNSS接收机的伪距；r、分别为GNSS接收机位置和速度向量；r^j、分别为第j颗卫星的位置和速度向量；为GNSS接收机钟速；为卫星j的钟速；为电离层延迟变化率；为对流层时延变化率。

由上式可知，当接收到4颗及4颗以上卫星时，可列方程求解出GNSS接收机的三维速度。

多普勒频移测速方法的精度与接收机位置误差、卫星位置误差、卫星速度、卫星钟速、电离层和对流层时延变化率和观测噪声有关。其中，卫星轨道误差、卫星速度误差和卫星钟差的精度很高，对测速精度影响可忽略不计。由于对流层和电离层在大部分时间里变化缓慢，而测速时间间隔很短(毫秒级)，所以对流层和电离层时延变化率对测速精度的影响可忽略不计。因此，基于普勒频移算法的GNSS测速方法的测速精度可达到厘米级，且速度可实时显示。

(4)GNSS接收机按照预设频度将得到的位置和三维速度通过无线电台回传给测风平台上的解算设备；

预设频度Δ_i＝t_i-t_i-1，Δ_i在1秒左右，t_i为当前时刻。

(5)测风平台上的解算设备利用接收到的位置和三维速度，根据降落伞与箱体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与降落伞的总重量、降落伞的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数和箱体与降落伞的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向；

当测风平台上的解算设备接收到GNSS接收机的位置信息和速度信息，对降落伞和箱体构成的系统进行受力分析，如图2所示：

系统运动的微分方程为：

式中，分别表示箱体三个方向的加速度，F_x、F_y、F_z分别表示整个系统三个方向的合力；

将降落伞的加速度用已有坐标测量的速度差分表示，则可以用测得的离散坐标，实时计算出当前时刻的作用力F_x(t_i)、F_y(t_i)、F_z(t_i)。

系统运动平稳后，v_x伞≈v_x箱＝v_x机，v_y伞≈v_y箱＝v_y机，v_z伞≈v_z箱＝v_z机,其中，v_x伞、v_y伞、v_z伞分别表示降落伞三个方向的速度，v_x箱、v_y箱、v_z箱分别表示箱体三个方向的速度，v_x机、v_y机、v_z机分别表示GNSS接收机三个方向的速度。

系统所受合力与作用在降落伞上的合力、箱体的合力满足下列关系：

F_x箱+F_x伞＝F_x

F_y箱+F_y伞＝F_y

F_z箱+F_z伞+mg＝F_z

式中，m＝m_箱+m_伞，m_箱为箱体(包括天线、无线电台和GNSS接收机)的质量，m_伞为降落伞的质量，g为重力加速度。

对箱体进行受力分析，如图3所示：

式中，v_x，v_y表示风速；μ_s表示箱体的风阻系数,μ_sx、μ_sy、μ_sz分别表示箱体在x、y、z方向的风阻系数；μ_l表示箱体的横风升力系数；ρ表示空气密度；a,h表示箱体尺寸。

对降落伞进行受力分析，如图4所示：

设降落伞曲率半径为R，开口半径为r。由风工程理论，伞面风阻系数μ_s伞＝μ_s(Ψ，Φ)。对于v_y作用在降落伞表面上的分布风压进行曲面积分，可得作用在伞面上分布风压力系的合力：

式中，表示沿y方向的风速产生的沿x方向的力；表示y方向相对速度导致的风压；是因为伞上风荷对称的缘故。

对上两式进行积分运算，并将降落伞几何参数和测得的降落伞速度v_y机代入运算结果，则得到函数关系：

同理，对于v_x在伞面上作用的分布风压力系进行类似的曲面积分，引入x方向相对速度导致的风压并将降落伞几何参数和测得的降落伞速度v_x机代入运算结果，可得到函数关系：

此外，由于降落伞有下降速度v_z机，降落伞受到铅垂方向的阻力：

式中，μ_z为下降阻力系数。

由系统运动微分方程和系统速度实时测量，通过差分确定出系统受到的风力合力；确定系统所受风力合力与箱体受力、降落伞受力的关系；确定箱体受力、降落伞受力与风速的函数关系；综合以上函数关系式，可实时计算出不同高度处的风速大小和风向。

(6)载体下降过程中按照预设频度，重复步骤(2)-(4)测量出对应位置的测风参数，由对应位置的测风参数得出下降路径对应的风廓线；所述的下降路径为载体开始平稳降落到载体落地或到达离地面一定的高度之间的路径；

对应于高度z(t_i)的风速对应于高度z(t_i)的风向θ(t_i)＝arctg[v_y(t_i)/v_x(t_i)]；

其中，v(t_i)为t_i时刻的风速；θ(t_i)为t_i的风向；v_x(t_i)、v_y(t_i)的正负号用于辅助风向分析。

完成一次测风。

Claims (6)

1.一种基于GNSS自主测速的测风装置，包括天线和无线电台，其特征在于还包括GNSS接收机和解算设备；其中，天线、无线电台、GNSS接收机均安装在同一箱体，箱体安装在载体上；GNSS接收机通过天线接收卫星信号，根据接收到的卫星信号解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息后，通过无线电台将GNSS接收机的位置信息和速度信息回传给解算设备；解算设备利用接收到的位置信息和速度信息，根据箱体与载体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与载体的总重量、载体的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数和箱体与载体的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS自主测速的测风装置，其特征在于：所述的根据接收到的卫星信号解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息具体为：根据接收到的卫星信号的多普勒频移和多普勒频移观测方程解算得到GNSS接收机的位置信息和速度信息。

3.一种基于GNSS自主测速的测风方法，所述的测风方法通过GNSS接收机自主测速实现，不需要外部增强系统的辅助，其特征在于，包括以下步骤：

(1)GNSS接收机测量出当前位置天线接收的卫星信号的多普勒频移，根据测得的多普勒频移计算出GNSS接收机与卫星之间的速度变化率；

(2)根据速度变化率和多普勒频移观测方程解算得到GNSS接收机的位置和速度；

(3)GNSS接收机将得到的位置和速度通过无线电台回传给解算设备；

(4)解算设备利用接收到的位置和速度，根据载体与箱体的物理参数以及风速与GNSS接收机速度之间的关系，实时解算得到GNSS接收机所测量位置处的测风参数；所述的物理参数包括箱体与载体的总重量、载体的风阻系数、箱体的风阻系数、横风升力系数、箱体的尺寸规格和载体的尺寸规格；测风参数包括当前位置对应的风速和风向；

(5)载体下降过程中按照预设频度，重复步骤(1)-(4)测量出对应位置的测风参数，由对应位置的测风参数得出下降路径对应的风廓线；所述的下降路径为载体开始平稳降落到载体落地或到达离地面一定的高度之间的路径；

完成一次测风。

4.根据权利要求3所述的一种基于GNSS自主测速的测风方法，其特征在于：步骤(1)中根据测得的多普勒频移计算出GNSS接收机与卫星之间的速度变化率，具体为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\frac{C}{f^j}df$

df＝f_s-f^j

式中：f^j为卫星j的信号频率，df为多普勒频移，f_s为接GNSS接收机捕获的卫星j的信号频率，c为光速，为速度变化率。

5.根据权利要求4所述的一种基于GNSS自主测速的测风方法，其特征在于：步骤(2)所述的多普勒频移观测方程具体为：

$\mathrm{\λ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\Φ}}}^j=\frac{(r-r^j)\·(\stackrel{\·}{r}-{\stackrel{\·}{r}}^j)}{{\mathrm{\ρ}}^j}+c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}_k-c\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{t}}^j+{\stackrel{\·}{I}}^j+{\stackrel{\·}{T}}^j+{\mathrm{\ϵ}}^j$

式中，ρ^j为卫星j到GNSS接收机的伪距；r为GNSS接收机的位置向量；为GNSS接收机的速度向量；r^j为卫星j的位置向量；为卫星j的速度向量；为GNSS接收机的钟速；为卫星j的钟速；为电离层延迟变化率；为对流层时延变化率；ε^j为测量噪声，c为光速。

6.根据权利要求3至5任一所述的一种基于GNSS自主测速的测风方法，其特征在于：步骤(4)中所述的风速与GNSS接收机速度之间的关系，具体为：由系统运动微分方程和系统当前位置的速度，通过差分确定出系统受到的风力合力；确定系统所受风力合力与箱体受力、载体受力的函数关系；确定箱体受力、载体受力与风速的函数关系；综合以上函数关系，即可实时计算出当前位置处的风速和风向；所述的系统由箱体和载体构成。