CN109407176B - 一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气象检测技术，为弹射式三维空间气象参数实时测量系统及测量方法，包括若干弹射单元、若干测量单元和若干回收单元，测量单元分别与弹射单元和回收单元连接；弹射单元位于待测三维空间区域周围不同位置点上；若干弹射单元将若干个测量单元分别发射到测量高度点后，利用测量单元对测量高度点进行瞬时气象参数的测量并对所测量的瞬时气象参数数据进行实时回传，同时在测量单元达到测量高度点后回收单元对测量单元进行回收。本发明利用弹射单元进行精准快速投射，快速将测量单元布置于测量点，避免因立体气象的快速变化而出现测量误差，方便应用于近地三维空间气象参数的测量，测量数据能及时对无人机飞行及航空施药作业进行指导。

Description

一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及气象检测领域，具体为一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统及测量方法。

背景技术

随着对近地航空领域的不断开发应用，近地航空器的应用越来越广泛，大多数近地航空器例如无人机、飞艇等的起飞及其在对地观测、空间观测、大地测绘、防灾减灾、农业植保等各个领域的应用受到气象条件的影响，而且航空器一般工作于一定三维空间范围内，三维空间内的气象参数会对航空器的工作效果、工作状态产生较大影响，故而对三维空间内的气象参数的测量尤为重要，而目前的地面气象观测站只能探测到较低高度的气象参数，受到设备的限制其测得数据不足以满足实际需求。

目前存在利用无人机进行立体高度风速的检测，但无人机本身产生的风场会造成三维空间内的气象参数的不断变化，其测量结果准确性低，而且无法应用于较大的三维立体空间的气象参数测量，同时也存在一些以气球等为辅助工具的系留式或利用支架对检测单元多层叠加的方式进行三维空间气象检测设备，但其装置结构复杂，需要布置的部件多，测量数据有限，测量过程复杂，无法快速获取气象数据，工作效率较低。因此，有必要提出快速、准确、有效、实时的三维空间气象参数测量技术方案，以快速地大量获取三维空间气象参数，减少观测数据的丢失，提高测量数据的准确性，从而使测量数据能够及时对无人机、飞艇等近地航空飞行器的运行及作业进行指导。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统，该测量系统利用弹射单元进行精准快速的投射，可快速将测量单元布置于测量点，避免因立体气象的快速变化而出现测量误差，本发明适用性强，能快速地获取一定三维区域内的气象参数并实时反馈测量结果，可方便地应用于近地三维空间气象参数的测量，从而使测量数据能够及时对无人机飞行及航空施药作业进行指导。

本发明还提供一种弹射式三维空间气象参数实时测量方法。

本发明测量系统所采用的技术方案是：一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统，包括若干弹射单元、若干测量单元和若干回收单元，测量单元分别与弹射单元和回收单元连接；弹射单元位于待测三维空间区域周围不同位置点上；若干弹射单元将若干个测量单元分别发射到测量高度点后，利用测量单元对测量高度点进行瞬时气象参数的测量并对所测量的瞬时气象参数数据进行实时回传，同时在测量单元达到测量高度点后回收单元对测量单元进行回收。

优选地，所述弹射单元包括发射筒、数据库和控制单元，发射筒设有若干个，若干发射筒固定在设有支撑架及滚轮的发射架上，发射筒通过滚轮设置在支撑架上，每个发射筒内均设有用于弹射测量单元的弹射器；所述数据库存储有测量高度点的高度值及测量单元达到此高度值所需初始弹力值，其中每个发射筒中弹射器的弹力值根据测量高度点进行设置，以使每个测量单元在相同的时间达到相应测量高度点；所述控制单元包括弹力控制器、发射控制器、控制板，其中弹力控制器设置发射筒的弹力值，控制板用于控制滚轮的旋转，发射控制器用于控制测量单元的发射。

本发明测试方法采用如下技术方案实现：基于上述弹射式三维空间气象参数实时测量系统，包括以下步骤：

(1)将弹射单元布置于相应位置点；并根据不同的测量高度对发射筒中弹射器的弹力值进行设置；

(2)调试测量单元，调试后将测量单元置于发射筒内，与弹射器连接；

(3)调试回收单元；

(4)三维空间气象参数检测

(4.1)测量单元的弹射：当弹射单元满足发射条件后，通过发射筒中的弹射器将第一个发射筒内的测量单元按照相应的最大弹射力度竖直弹射出去，其中该最大弹射力度刚好满足第一个测量单元到达最高测量高度点；完成第一个测量单元的弹射后，通过控制单元的控制板控制滚轮转动以将第二个发射筒旋转至测量点的竖直线上，并以第二个弹射力度进行第二个测量单元的弹射，其中第二个弹射力度使第一个测量单元到达第一测量高度点时第二个测量单元到达第二测量高度点；根据不同弹射力度依次进行位于同一滚轮上的不同发射筒内的其他测量单元的弹射，使各测量单元同时到达同一竖直线上的相应测量高度点；

(4.2)气象参数测量及数据处理：对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时通过气象检测单元对该测量高度点的气象参数进行检测，将测量值进行存储、记录并回传至地面；

(4.3)设备回收：测量单元完成测试后，回收单元的高度计实时检测测量单元的高度值并与之前的检测高度值进行实时对比，当回收单元检测到测量单元到达测量最高点且高度值开始下降时，回收单元触发弹出件将降落伞弹开，进行测量单元的回收，完成测试工作。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明采用弹射式的技术手段将测量单元快速弹射至相应的测量高度位置，能够快速完成测量单元的布置及测量任务，避免由于气象条件的突变性对测量结果准确性的影响。

2、系统结构简单，便于布置，灵活性高，适用性强，能随时根据需求对任意三维空间区域的气象参数进行测试，工作效率高。

3、系统中装配有回收单元，在完成测试后可以对装置进行回收以便重复使用，避免设备的浪费，降低了系统成本。

4、测量过程中可实现测量数据的实时回传，能够以最快的速度获取气象参数。

附图说明

图1是本发明测量系统的拓扑结构图；

图2是本发明发射架的立体结构示意图；

图3是本发明发射架的侧视图；

图4是本发明测试方法的实现流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例及附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都落入本发明的保护范围。

实施例

参见图1，本实施例提供的弹射式三维空间气象参数实时测量系统包括多个弹射单元、测量单元、回收单元，测量单元分别与弹射单元和回收单元连接。本系统通过位于待测三维空间区域周围不同位置点上的多个弹射单元将若干个测量单元分别发射到测量高度点后，利用测量单元对测量高度点进行瞬时气象参数的测量并对所测量的瞬时气象参数数据进行实时回传，同时在测量单元达到测量高度点后回收单元对测量单元进行回收。

所述弹射单元包括发射筒、数据库和控制单元，发射筒设有若干个，若干发射筒固定在发射架上，每个发射筒内均设有用于弹射测量单元的弹射器。参见图2、3，所述发射架上设有支撑架1及滚轮3等；若干发射筒2沿滚轮3的径向设置，每个发射筒2的一端固定于滚轮的表面，另一端从滚轮的外圆周向外延伸出去，若干发射筒2整体上成圆周分布于滚轮3上；滚轮3固定于支撑架1上并能转动，通过滚轮3来切换每个发射筒所处的位置，以保证每个发射筒2中弹射器发射出的测量单元位于同一条竖直线上。所述数据库存储有测量高度点的高度值及测量单元达到此高度值所需初始弹力值，其中每个发射筒中弹射器的弹力值根据测量高度点进行设置，以保证每个测量单元能够在相同的时间达到相应测量高度点。所述控制单元包括弹力控制器、发射控制器、控制板，其中弹力控制器设置发射筒的弹力值，控制板用于控制滚轮的旋转，发射控制器用于控制测量单元的发射。此外，为了实现对三维空间区域气象参数的测量，可将若干发射架布置于拟测量气象参数的三维空间区间的不同位置点，例如将多个发射架分别设置在三维空间区域的周围。

所述测量单元包括气象检测单元、综合处理单元。测量单元通过气象检测单元对测量高度点的瞬时气象参数进行检测，并通过综合处理单元对所检测的瞬时气象参数数据进行实时回传、存储与记录。当测量单元到达测量高度点后，通过回收单元对测量单元进行回收，便于试验数据的采集及相关测量设备的再次利用。

所述气象检测单元包括各类气象传感器(如风速传感器、温度传感器、湿度传感器等)、传感器通信模块、传感器数据接收模块、数据储存单元、数据输出口、外围设备；通过风速传感器、温度传感器、湿度传感器对测量高度点的风速、温度、湿度等气象参数进行采集；所述传感器通信模块、数据储存单元、数据输出口、外围设备均分别与综合处理单元连接；所述综合处理单元采用8位处理芯片的微处理器；所述传感器通信模块用于将各类气象传感器采集到的气象参数实时回传至位于地面的传感器数据接收模块。

所述回收单元包括弹出件、降落伞和高度计。回收单元的高度计对测量单元的实时高度进行测量并与之前的数据进行对比，当测量的实时高度达到最大值且稍有下降后，触发弹出件工作以将降落伞弹出，从而对测量单元进行回收，并保证测量单元的安全降落以实现无损回收，便于试验数据的采集及系统的再次利用。

参见图4，本实施例弹射式三维空间气象参数实时测量方法适用于立体高度风速测量，包括以下步骤：

(1)按照实际的测试任务要求，将弹射单元布置于相应位置点；并根据不同的测量高度对发射筒中弹射器的弹力值进行设置。

(2)调试测量单元的各测试及控制设备，确认一切正常工作，通信畅通，调试后将测量单元置于发射筒内，与弹射器连接。

(3)调试回收单元的各测量及控制设备，确认其正常工作。

(4)三维空间气象参数检测

(4.1)测量单元的弹射：当弹射单元满足发射条件后，通过发射筒中的弹射器将第一个发射筒内的测量单元按照相应的最大弹射力度竖直弹射出去，其中该最大弹射力度刚好满足第一个测量单元到达最高测量高度点；完成第一个测量单元的弹射后，通过控制单元的控制板控制滚轮转动以将第二个发射筒旋转至测量点的竖直线上，并以第二个弹射力度进行第二个测量单元的弹射，其中第二个弹射力度能够保证第一个测量单元到达第一测量高度点时第二个测量单元到达第二测量高度点；根据不同弹射力度依次进行位于同一滚轮上的不同发射筒内的其他测量单元的弹射，保证各测量单元同时到达同一竖直线上的相应测量高度点。

(4.2)气象参数测量及数据处理：测量单元到达相应测量高度点后瞬时速度为零，通过测量单元中的GPS高度计对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时气象检测单元对该测量高度点的气象参数进行检测，将测量值进行存储、记录并回传至位于地面的传感器数据接收模块。

(4.3)设备回收：测量单元完成测试后，回收单元通过高度计实时检测测量单元的高度值并与之前的检测高度值进行实时对比，当回收单元检测到测量单元到达测量最高点且高度值开始下降时，回收单元触发弹出件将降落伞弹开，进行测量单元的回收，完成测试工作。

以上所述的实施例仅仅是示意性的，需要说明的是本发明的说明书中，说明了大量具体细节；然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实现。实施例中，并未详细示出一些公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

需说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和保护范围。

Claims (7)

1.一种弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于：包括若干弹射单元、若干测量单元和若干回收单元，测量单元分别与弹射单元和回收单元连接；弹射单元位于待测三维空间区域周围不同位置点上；若干弹射单元将若干个测量单元分别发射到测量高度点后，利用测量单元对测量高度点进行瞬时气象参数的测量并对所测量的瞬时气象参数数据进行实时回传，同时在测量单元达到测量高度点后回收单元对测量单元进行回收；

所述弹射单元包括发射筒、数据库和控制单元，发射筒设有若干个，若干发射筒固定在设有支撑架及滚轮的发射架上，发射筒通过滚轮设置在支撑架上，每个发射筒内均设有用于弹射测量单元的弹射器；所述数据库存储有测量高度点的高度值及测量单元达到此高度值所需初始弹力值，其中每个发射筒中弹射器的弹力值根据测量高度点进行设置，以使每个测量单元在相同的时间达到相应测量高度点；所述控制单元包括弹力控制器、发射控制器、控制板，其中弹力控制器设置发射筒的弹力值，控制板用于控制滚轮的旋转，发射控制器用于控制测量单元的发射。

2.根据权利要求1所述的弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于，若干发射筒沿滚轮的径向设置，每个发射筒的一端固定于滚轮的表面，另一端从滚轮的外圆周向外延伸出去，若干发射筒整体上成圆周分布于滚轮上；滚轮固定于支撑架上并能转动，通过滚轮切换每个发射筒所处的位置，以使每个发射筒中弹射器发射出的测量单元位于同一条竖直线上。

3.根据权利要求1所述的弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于，所述测量单元包括气象检测单元、综合处理单元，通过气象检测单元对测量高度点的瞬时气象参数进行检测，通过综合处理单元对所检测的瞬时气象参数数据进行实时回传、存储与记录；当测量单元到达测量高度点后，通过回收单元对测量单元进行回收。

4.根据权利要求3所述的弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于，所述气象检测单元包括气象传感器、传感器通信模块和数据储存单元；通过气象传感器对测量高度点的气象参数进行采集；所述传感器通信模块、数据储存单元分别与综合处理单元连接；传感器通信模块用于将气象传感器采集到的气象参数实时回传至位于地面的传感器数据接收模块。

5.根据权利要求4所述的弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于，所述气象传感器包括风速传感器、温度传感器及湿度传感器。

6.根据权利要求1所述的弹射式三维空间气象参数实时测量系统，其特征在于，所述回收单元包括弹出件、降落伞和高度计；高度计对测量单元的实时高度进行测量并与之前的数据进行对比，当实时高度达到最大值且稍有下降后，触发弹出件工作以将降落伞弹出，对测量单元进行回收。

7.基于权利要求1所述弹射式三维空间气象参数实时测量系统的测量方法，其特征在于，测量单元包括气象检测单元、综合处理单元，回收单元包括弹出件、降落伞和高度计；测量方法包括以下步骤：

(1)将弹射单元布置于相应位置点；并根据不同的测量高度对发射筒中弹射器的弹力值进行设置；

(2)调试测量单元，调试后将测量单元置于发射筒内，与弹射器连接；

(3)调试回收单元；

(4)三维空间气象参数检测

(4.1)测量单元的弹射：当弹射单元满足发射条件后，通过发射筒中的弹射器将第一个发射筒内的测量单元按照相应的最大弹射力度竖直弹射出去，其中该最大弹射力度刚好满足第一个测量单元到达最高测量高度点；完成第一个测量单元的弹射后，通过控制单元的控制板控制滚轮转动以将第二个发射筒旋转至测量点的竖直线上，并以第二个弹射力度进行第二个测量单元的弹射，其中第二个弹射力度使第一个测量单元到达第一测量高度点时第二个测量单元到达第二测量高度点；根据不同弹射力度依次进行位于同一滚轮上的不同发射筒内的其他测量单元的弹射，使各测量单元同时到达同一竖直线上的相应测量高度点；

(4.2)气象参数测量及数据处理：对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时通过气象检测单元对该测量高度点的气象参数进行检测，将测量值进行存储、记录并回传至地面；

(4.3)设备回收：测量单元完成测试后，回收单元的高度计实时检测测量单元的高度值并与之前的检测高度值进行实时对比，当回收单元检测到测量单元到达测量最高点且高度值开始下降时，回收单元触发弹出件将降落伞弹开，进行测量单元的回收，完成测试工作。

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