CN108196085A - 一种近地高度风速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种近地高度风速测量装置及方法，其中包括如下结构：多个测风气球及与每个所述测风气球对应的LED灯带及其电池、绳子、倾角传感器及其电池、固定装置；其中，每个所述测风气球、LED灯带及其电池、倾角传感器及其电池固定于独立对应的绳子一端，所述绳子的另一端固定于独立对应的固定装置上。以飞艇为圆心，设置多个观测点，在每个观测点上沿半径方向布置高度不同的三个测风气球；根据所述倾角传感器的数据计算得出实时风速。本发明消除了地面风速风向仪的高度局限性，为评估飞艇在空中的稳定性提供了更为可靠的依据；本发明可对飞艇放飞区域附近的阵风进行预测，为飞艇放飞提供实时的气象条件，降低风场的多变性带来的风险。
Description
技术领域
本发明为一种近地高度风速测量装置及方法，适用于飞艇放飞时近地气象观测。
背景技术
随着科学技术的进步，以及军事领域技术革命的进展，平流层飞艇作为一种新型的临近空间飞行平台，具有高空侦查、对地观测、空间观测、大地测绘、防灾减灾等各领域的优势，成为世界各国广泛研究的热点。
地球表面的大气层可以看作若干个同心圆，按照大气温度随高度的变化规律，可以将大气层分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层五个层次。对流层中风速一般是随着高度的增加而增加，且变化较为复杂，没有规律，需要依靠实际测量。1.5km高度以下的大气层由于受到温度、地形、建筑物等影响，空气运动有明显的紊流运动特征，表现为风速和温度在时间和空间上变化激烈。而高空飞艇的动力学设计一般都处于亚临界状态，能源冗余度低，对放飞时气象窗口有严格的要求。如果没有精确、完善的气象预报，往往会导致放飞失败。因此，在飞行前必须建立从地面到平流层高度广大范围的高精度气象观测预测技术。尤其需要实时观测放飞区域的风速风向。
地面风速风向仪受高度限制只能预测贴近地面的风速和风向，而飞艇由于体积巨大，放飞前高度可达空中100m左右，因此，仅仅依靠风速风向仪的数据无法准确判断当下的气象条件是否为飞艇放飞的窗口。因此，有必要提出一种直观、准确、有效、实时的预测艇库近地面风场的方法，以提高飞艇放飞时的气象条件的可靠性。
中国发明专利公开号CN103645339A公开了一种移动式风场风速全尺度高度分布测量装置，其特征在于，包括气球、垂直索、固定气球的第一斜拉索、固定气球的第二斜拉索、固定气球的第三斜拉索、风速仪；所述气球设置有左机翼和右机翼，所述风速仪设置在气球和/或垂直拉索和/或第一斜拉索和/或第二斜拉索和/或第三斜拉索上。该发明在飞艇式气球上增设了一对水平机翼，在气球带机翼升空后，气球的浮力和机翼上的升力共同作用下，在垂直拉索上产生较大的提升力，从而避免气球在风力的作用下四处飘动；将风速仪的安装方式由传统的支撑式改为悬挂式，6～10个数字式风速仪布置在100m多的垂直索上。通过移动斜拉索和垂直拉索的基石，可对复杂地形变化的风场，进行多点风速高度分布的全尺度测量。
然而，上述专利中，用于风速测量的装置结构较为复杂，需要安装的部件多，安装过程繁琐；并且，由于风速测量仅仅位于一个固定点，无法观测到离固定点稍远距离的阵风，无法预警风场突变对飞艇放飞所带来的风险。
发明内容
本发明是一种近地面风速、风向观测装置及方法，主要用于解决以下技术问题：(1)实时准确观测到放飞时放飞区域内不同地面高度处的风速风向；(2)准确观测到放飞区域的阵风，同时可以计算出阵风到达放飞点所需时间，以判断是否对飞艇放飞产生较大影响，降低由于风场突变带来的风险。
具体的，根据本发明的一个方面，提供了一种近地高度风速测量装置，其中包括如下结构：
多个测风气球及与每个所述测风气球对应的LED灯带及其电池、绳子、倾角传感器及其电池、固定装置；其中，
每个所述测风气球、LED灯带及其电池、倾角传感器及其电池固定于独立对应的绳子一端，所述绳子的另一端固定于独立对应的固定装置上。
优选的，所述测风气球为充满氦气的乳胶气球。
优选的，所述LED灯带长度为1～3米。
优选的，所述固定装置为沙袋。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种根据上述装置的近地高度风速测量方法，用于飞艇风速测量，包括：
以飞艇为圆心，设置多个观测点，在每个观测点上沿半径方向布置高度不同的三个测风气球；
根据所述倾角传感器的数据计算得出实时风速。
优选的，所述观测点距离圆心5公里。
优选的，所述实时风速的计算方法为：
其中v：风速；α：所述倾角传感器测得的倾斜角；ρ：空气密度；cd是阻力系数；U：所述测风气球的截面积；所述F净浮力为所述测风气球的浮力与其自身重力之差。
优选的，所述三个测风气球的高度分别为50m、100m、150m。
本发明的优点在于：
(1)本发明可对近地面不同高度处的风速风向进行观测，尤其是对与飞艇同高处风的观测，消除了地面风速风向仪的高度局限性，为评估飞艇在空中的稳定性提供了更为可靠的依据；
(2)本发明可对飞艇放飞区域附近的阵风进行预测，为飞艇放飞提供实时的气象条件，降低风场的多变性带来的风险。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明浮空器有效近地高度风速测量装置优选实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明是一种近地面风速测量装置及方法。
所述装置包括：测风气球(一种充满氦气的乳胶气球)；LED灯带(长约1～3m)及其电池、绳子、倾角传感器及其电池、沙袋(50kg)。
所述装置的安装及工作原理如下：
步骤一：将充满氦气的测风气球、LED灯带及其电池、倾角传感器及其电池固定于绳子一端，气球浮力为10～200N，完成单个装置的安装；
步骤二：在所需观测区域内布置气球，按观测要求布置不同的方阵。每个观测点与飞艇距离为5～10km，固定高度为50～200m，完成整套观测风场系统的布置；
步骤三：将倾角传感器的数据输出给气象保障系统，包括气象数据的实时处理系统及利用处理后的气象数据建立的飞艇放飞升空的仿真计算模型，以保证飞艇放飞的安全性。
实施例1：
如图1所示，本发明涉及的近地面风速测量装置主要包括测风气球(一种充满氦气的乳胶气球)；LED灯带(长约2m)及其电池、绳子、倾角传感器、沙袋(50kg)。具体实施步骤包括：
(1)将测风气球充满氦气至直径约为2m，系紧充气口，固定于绳子一端；
(2)将LED灯带用透明胶带固定在靠近气球一端的绳子上，并接通电池，接口处用透明胶带防护，安装LED灯带是为了保证夜间可以正常观测；同时将倾角传感器及其电池固定于灯带处；
(3)充满氦气的测风气球在空中受到两个力的作用：向上的浮力Fm和向下的重力G，二者之差即为气球的净浮力。利用拉力传感器测出气球的浮力Fm。由于气球较薄，充气之后造成的内外的压力差可以忽略。气球内气体质量很小，可认为球内外温度保持一致。气体密度的变化决定于压力和温度的变化，而气球上升过程中压力和温度的同步变化，说明了气球内外气体的密度也同步变化。因此，气球上升过程中所受浮力和重力的差值保持不变，即净浮力保持恒定。
F净浮力＝Fm-G
(4)将绳子的另一端固定在沙袋上，并将沙袋放置在观测点。按照图1所示布置飞艇放飞时指定区域范围内的测空气式风场预报系统。每个观测点与飞艇相距为5km，观测地域面积约为80km2，共设八个观测点，每个观测点沿半径方向布置高度分别为50m、100m、150m的三个测风气球。
(5)将倾角传感器的数据通过无线传输方式输出给气象保障系统，对气象数据进行实时处理，得出实时风速：
其中v：风速；α：所述倾角传感器测得的倾斜角；ρ：空气密度；cd是阻力系数，不同的气球形状(直径)对应不同的数值；U：所述测风气球的截面积；所述F净浮力为所述测风气球的浮力与其自身重力之差。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种近地高度风速测量装置，其中包括如下结构：
多个测风气球及与每个所述测风气球对应的LED灯带及其电池、绳子、倾角传感器及其电池、固定装置；其中，
每个所述测风气球、LED灯带及其电池、倾角传感器及其电池固定于独立对应的绳子一端，所述绳子的另一端固定于独立对应的固定装置上。
2.根据权利要求1所述的近地高度风速测量装置，其特征在于：
所述测风气球为充满氦气的乳胶气球。
3.根据权利要求1所述的近地高度风速测量装置，其特征在于：
所述LED灯带长度为1～3米。
4.根据权利要求2或3所述的近地高度风速测量装置，其特征在于：
所述固定装置为沙袋。
5.一种根据权利要求1-4任意一项所述装置的近地高度风速测量方法，用于飞艇风速测量，其特征在于，包括：
以飞艇为圆心，设置多个观测点，在每个观测点上沿半径方向布置高度不同的三个测风气球；
根据所述倾角传感器的数据计算得出实时风速。
6.根据权利要求5所述的近地高度风速测量方法，其特征在于：
所述观测点距离圆心5公里。
7.根据权利要求5所述的近地高度风速测量方法，其特征在于：
所述实时风速的计算方法为：
其中v：风速；α：所述倾角传感器测得的倾斜角；ρ：空气密度；cd是阻力系数；U：所述测风气球的截面积；所述F净浮力为所述测风气球的浮力与其自身重力之差。
8.根据权利要求5所述的近地高度风速测量方法，其特征在于：
所述三个测风气球的高度分别为50m、100m、150m。
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