CN110764165B - 一种基线测风的参数测量及仪器定向方法 - Google Patents

一种基线测风的参数测量及仪器定向方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基线测风的参数测量及仪器定向方法，包括：设置两个观测点，每个观测点设置定位设备和测风经纬仪，通过每个观测点定位设备获取该观测点处的高斯空间坐标；根据高斯空间坐标计算两个观测点的高程差、基线长度和基线坐标方位角；调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向；将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向；或对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向。本发明适用于两观通视或不通视情况下的基线测风标定，能有效提高测风精度，缩短作业准备时间。

Description

一种基线测风的参数测量及仪器定向方法
技术领域
本发明涉及气象探测领域，具体地说是一种基线测风的参数测量及仪器定向方法。
背景技术
基线测风又称双经纬仪测风，作业时通过在两个观测点(观测点1和观测点2)分别架设一部测风经纬仪，测算基线(两观测点连线)参数和对经纬仪定向后，施放一个气象气球，两经纬仪同时观测气球，获取气球在规定时刻的精确坐标(仰角、方位角、高度)，计算各高度的风向风速，是气象台站采用光学器材进行精确空中风观测的唯一手段。在基线测风的实施过程中，空中气球精确坐标的获取是基线测风精度的重要保证。气球坐标中的仰角和方位角可通过测风经纬仪直接测量，仰角精度一般通过仪器精确水平调整来保证，方位角精度则必须对仪器进行定向修正来确保精度；气球高度由两观测点交汇定位求取，其精度除与观测点仰角、方位角测量精度有关外，主要取决于基线长度(两观测点水平距离)和基线坐标方位角(坐标北到基线方向的角度)等基线测风参数的精度。
当前基线测风所采用的参数获取与仪器定向方法为如文献“矢量法基线测风的坐标系选取与数据处理分析，气象水文海洋仪器，2005年第1期”所述的互瞄定向，即使用经纬仪直接测量基线坐标方位角，采用直接测量或短基线法获取基线长度，采用两观测点经纬仪互相瞄准后，观测点1仪器装定180°，观测点2仪器装定0°。当基线较短、两观通视、地形平坦时，该参数测量与仪器定向方法能够满足基线测风的基本需求。当两观距离较远、受山川、树林等地形条件影响无法通视时，则只能通过短基线测算和仪器概略瞄准定向的方式进行，使参数测量和仪器定向精度大幅降低，作业准备时间大幅延长。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基线测风的参数测量及仪器定向方法，解决基线测风两观不通视时参数测量不便、仪器定向精度无法保证的问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
本发明提供了一种基线测风的参数测量及仪器定向方法，包括：
设置两个观测点，每个观测点设置定位设备和测风经纬仪，通过每个观测点定位设备获取该观测点处的高斯空间坐标；
根据高斯空间坐标计算两个观测点的高程差、基线长度和基线坐标方位角；
调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向；
将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向；或
对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向。
进一步地，第一观测点处的高斯空间坐标为(x1，y1，z1)，第二观测点处的高斯空间坐标为(x2，y2，z2)。
进一步地，所述两个观测点的高程差为：
ΔH＝z2-z1
其中，ΔH为两个观测点的高程差。
进一步地，两个观测点的基线长度为：
Figure BDA0002264899920000021
其中，b为两个观测点的基线长度。
进一步地，两个观测点的基线坐标方位角为：
Figure BDA0002264899920000022
其中，β为两个观测点的基线坐标方位角。
进一步地，所述调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向，包括：
转动两个观测点的测风经纬仪的方位，使其磁针归北，用定向转螺将两个观测点的经纬仪方位读数装定为360°+α，其中α为现地磁坐偏角，带正负号，西偏为负、东偏为正。
进一步地，所述将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向，包括：
顺时针转动第一观测点的测风经纬仪的方位使其方位度盘读数为β，顺时针转动第二观测点的测风经纬仪方位使其方位度盘读数为β+180°或β-180°，其中，当β<180°时，方位度盘读数为β+180°；当β>180°时，方位度盘读数为β-180°；
用定向转螺将第一测风经纬仪的方位度盘装定为180°，用定向转螺将第二测风经纬仪的方位度盘装定为0°。
进一步地，所述对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向，包括：
将第一观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β1修正为180+β1-β，将第二观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β2修正为180+β2-β，其中β为两个观测点的基线坐标方位角。
本发明可以在两观通视或不通视情况下实现基线测风的参数精确计算与仪器精准定向，方法只需使用定位设备(推荐使用北斗定位终端)获取两观测点的高斯坐标即可，计算准确、作业便捷。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的基于基线测风的仪器定向原理图；
其中，1为第一观测点测风经纬仪、2为第二观测点测风经纬仪、3为第一观测点定位设备、4为第二观测点定位设备、5为便携处理终端。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
如图1所示为方法流程图。
该方法包括如下步骤：
S101、设置两个观测点，每个观测点设置定位设备和测风经纬仪，通过每个观测点定位设备获取该观测点处的高斯空间坐标。
观测点位置的选取应立足基线测风作业模式要求，两观测点连线即基线方向应与近地面风向概略垂直，且距离应大于最大探测高度的2/5。
定位设备可选用军用北斗定位终端或精度较高的GPS定位设备。
第一观测点处的高斯空间坐标为(x1，y1，z1)，第二观测点处的高斯空间坐标为(x2，y2，z2)。
S102、根据高斯空间坐标计算两个观测点的高程差、基线长度和基线坐标方位角。
两个观测点的高程差为：ΔH＝z2-z1
其中，ΔH为两个观测点的高程差。
两个观测点的基线长度为：
Figure BDA0002264899920000051
其中，b为两个观测点的基线长度。
两个观测点的基线坐标方位角为：
Figure BDA0002264899920000052
其中，β为两个观测点的基线坐标方位角。
此种方法计算基线参数，可在满足基线参数测量精度的同时，使误差集中在两观测点的定位精度上，有效回避高度、角度、长度等多参数测量带来的误差传递。
S103、调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向，执行S104或S105步骤。
转动两个观测点的测风经纬仪的方位，使其磁针归北，用定向转螺将两个观测点的经纬仪方位读数装定为360°+α，其中α为现地磁坐偏角，带正负号，西偏为负、东偏为正。
当前仪器定向所使用的互瞄定向方法，要求两观测点处测风经纬仪必须能够通视且实现物镜互瞄。区别于此，采用S103所述归北定向方法进行仪器定向，两观测点处测风经纬仪只需独立完成仪器定向即可，减少了两观测点处的协同误差，同时可保证两观即使在无法通视的情况下亦可进行观测作业，避免复杂地形地貌的不利影响。
S104、将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向。
顺时针转动第一观测点的测风经纬仪的方位使其方位度盘读数为β，顺时针转动第二观测点的测风经纬仪方位使其方位度盘读数为β+180°或β-180°，其中，当β<180°时，方位度盘读数为β+180°；当β>180°时，方位度盘读数为β-180°；
用定向转螺将第一测风经纬仪的方位度盘装定为180°，用定向转螺将第二测风经纬仪的方位度盘装定为0°。
采用所述步骤进行定向，可在通过S102获取基线坐标方位角和S103归北定向的基础上，使两观测点测风经纬仪物镜无须通视，也可分别瞄向基线，即处于互瞄状态。在此基础上进行定向，可与当前基线测风数据处理模式保持较好的一致性。
S105、对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向。
将第一观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β1修正为180+β1-β，将第二观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β2修正为180+β2-β，其中β为两个观测点的基线坐标方位角。
采用所述步骤进行定向，可有效回避互瞄定向的步骤和测风数据处理模式，简化作业流程，但需按此方法对所获取的实时坐标方位角进行修正。
如图2所示为基于基线测风的仪器定向原理图。
在一种实施例中，获取两观测点高斯空间坐标。通过第一观测点定位设备3、第二观测点定位设备4分别获取第一观测点测风经纬仪1、第二观测点测风经纬仪2所在位置的高斯空间坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)，第二观测点通信设备(推荐使用北斗模块的短报文通信功能)将第二观测点高斯空间坐标(x2，y2，z2)传输至第一观测点通信设备，汇总至便携处理终端5。
计算两观测点高程差。两观测点高程差ΔH计算公式为：
ΔH＝z2-z1
计算基线长度。基线长度b计算公式为：
Figure BDA0002264899920000071
计算基线坐标方位角。基线坐标方位角β计算式为：
Figure BDA0002264899920000072
两观测点经纬仪归北定向。转动两观测点经纬仪方位，使其磁针均精确归北，用定向转螺将两观测点经纬仪方位读数装定为360+α(α为现地磁坐偏角，带正负号，西偏为负、东偏为正)。
两观测点经纬仪分别转动至基线。顺时针转动第一观测点测风经纬仪1方位至方位度盘读数为β，顺时针转动第二观测点测风经纬仪2方位至方位度盘读数为β+180(β<180)或β-180(β>180)。转动第一观测点测风经纬仪定向转螺，方位度盘装定180°，转动第二观测点测风经纬仪定向转螺，方位度盘装定0°。
在另一种实施例中：
获取两观测点高斯空间坐标。通过第一观测点定位设备3、第二观测点定位设备4分别获取第一观测点测风经纬仪1、第二观测点测风经纬仪2所在位置的高斯空间坐标(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)，第二观测点通信设备(推荐使用北斗模块的短报文通信功能)将第二观测点高斯空间坐标(x2，y2，z2)传输至第一观测点通信设备，汇总至便携处理终端5。
计算两观测点高程差。两观测点高程差ΔH计算公式为：
ΔH＝z2-z1
计算基线长度。基线长度b计算公式为：
Figure BDA0002264899920000081
计算基线坐标方位角。基线坐标方位角β计算式为：
Figure BDA0002264899920000082
两观测点经纬仪归北定向。转动两观测点经纬仪方位，使其磁针均精确归北，用定向转螺将两观测点经纬仪方位读数装定为360+α(α为现地磁坐偏角，带正负号，西偏为负、东偏为正)。
在测风实施过程中通过便携处理终端5对两观观测数据进行实时修正，第一观测点测风经纬仪1观测的方位角β1修正为180+β1-β，第二观测点经纬仪2观测的方位角β2修正为180+β2-β。

Claims (6)

1.一种基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于，包括：
设置两个观测点，每个观测点设置定位设备和测风经纬仪，通过每个观测点定位设备获取该观测点处的高斯空间坐标；
根据高斯空间坐标计算两个观测点的高程差、基线长度和基线坐标方位角；
调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向；
将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向；或
对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向；
所述将两个观测点的测风经纬仪分别转动至基线，对测风经纬仪进行定向，包括：
顺时针转动第一观测点的测风经纬仪的方位使其方位度盘读数为β，顺时针转动第二观测点的测风经纬仪方位使其方位度盘读数为β+180°或β-180°，其中，当β<180°时，方位度盘读数为β+180°；当β>180°时，方位度盘读数为β-180°；
用定向转螺将第一测风经纬仪的方位度盘装定为180°，用定向转螺将第二测风经纬仪的方位度盘装定为0°；
所述对两个观测点的测风经纬仪的观测数据实时修正，对测风经纬仪进行定向，包括：
将第一观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β1修正为180+β1-β，将第二观测点处测风经纬仪获取的实时坐标方位角β2修正为180+β2-β，其中β为两个观测点的基线坐标方位角。
2.根据权利要求1所述的基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于：第一观测点处的高斯空间坐标为(x1，y1，z1)，第二观测点处的高斯空间坐标为(x2，y2，z2)。
3.根据权利要求1所述的基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于：所述两个观测点的高程差为：
ΔH＝z2-z1
其中，ΔH为两个观测点的高程差。
4.根据权利要求1所述的基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于：两个观测点的基线长度为：
Figure FDA0003010592780000021
其中，b为两个观测点的基线长度。
5.根据权利要求1所述的基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于：两个观测点的基线坐标方位角为：
Figure FDA0003010592780000022
其中，β为两个观测点的基线坐标方位角。
6.根据权利要求1所述的基线测风的参数测量及仪器定向方法，其特征在于：所述调整两个观测点处的测风经纬仪，使其归北定向，包括：
转动两个观测点的测风经纬仪的方位，使其磁针归北，用定向转螺将两个观测点的经纬仪方位读数装定为360°+α，其中α为现地磁坐偏角，带正负号，西偏为负、东偏为正。
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