CN113671598B - 一种组合式高空风探测方法 - Google Patents
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Abstract
一种组合式高空风探测方法，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗系统发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，探空仪主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计等参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据。
Description
技术领域：
本发明是一种结合GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统，目前最成熟的是GPS和北斗)和INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)的球载式高空风探测技术，主要应用于高空气象探测领域。
背景技术：
气象业务中的高空风探测，一般是指对地面至空中三十多公里高度范围内各个高度上水平气流的方向和速度，即风向、风速的测定。实时、准确的高空风探测资料是进行天气分析预报的最基础资料，也是实施空投和空降、炮兵和防空兵弹道修正等军事气象保障的基本资料。气象业务中，通常利用随气流飘动的物体(通常为气象气球或气象气球与探空仪组成的气球系统)作为示踪物，利用其在空中运动的轨迹来进行高空风的探测，称之为轨迹法测风，主要技术关键在于连续、准确获取飞行中气球(或气球系统中的探空仪)的位置信息。
目前主要采用以下几种手段跟踪气球：光学测风经纬仪、无线电经纬仪、一次测风雷达、二次测风雷达、GNSS高空探测系统、INS高空探测系统等。光学测风经纬仪探测容易受到能见度、低云的影响，高空风的探测高度难以得到保证；无线电经纬仪、测风雷达系统复杂，体积和重量较大、便携性差，低仰角时测风误差极大；GNSS测风精度高，不发射大功率电磁波、体积和重量较小，但系统定位可靠性依赖于空间导航星座存在，卫星导航信号频点公开，容易受到被动强电磁干扰或主动人为电磁干扰无法定位、无法测风，当电离层出现磁暴、太阳风等异常空间天气时会严重影响定位精度，造成测风精度的降低甚至无法测风。
如CN105929192A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，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，不依赖外部高精度辅助设备进行测风。
惯性导航技术通过测量运动物体的惯性信息(加速度信息和转动运动信息)，利用积分计算获得运动物体瞬时速度，进而获得运动物体瞬时位置。目前，惯性导航器件性能不断提高、价格不断降低，针对惯性导航系统具有独立性、抗干扰性强、精度高、不会造成电磁干扰等优点，得到了大量应用。INS测风独立、可靠，但目前的INS定位精度低于GNSS，导致测风精度不高，且其定位误差会在观测过程中随时间累加，导致测风精度逐渐降低。
因此，本发明充分利用二者优点，提出一种GNSS+INS的组合式高空风测量方法，保证高空风探测资料的可靠获取和满足精度要求。
发明内容：
本发明目的是，提出一种组合式高空风探测方法，在探空气球携带的常规电子探空仪中同时加装GNSS导航定位模块和INS导航定位模块，通过二者组合进行高空风探测。
本发明的技术方案是，一种组合式高空风探测方法，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗(和/或GPS以及GLONASS)系统发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；INS导航定位模块通过探空气球运动过程中，INS导航定位模块的加速度计、数字罗盘等获取探空仪的导航参数；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并通过输出模块将数据流送探空发射机；探空发射机通过调制模块、功率放大模块、天线模块将主板送来的数据流向地面、空中或其他位置用户广播发送。
当GNSS导航定位存在且定位准确时，直接输出GNSS定位数据用于计算高空风，同时对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等进行误差补偿订正导航参数，使INS与GNSS定位精度一致；当GNSS导航定位无效时，直接输出INS定位数据用于计算高空风；当GNSS定位信号受到干扰或影响、时断时续时，利用该时段前后，两次GNSS定位准确数据，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等订正导航参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据，提高该时段内测风的准确性。
探空仪(或与地面雷达配合)测量信息包括大气压力、高度、温度、相对湿度和风速风向等。无线电探空仪可同时测量大气臭氧浓度。经纬度由定位信息给出。
在GNSS定位有效时，利用之前10s时间内、GNSS定位数据与INS定位数据的比较，得到INS定位在三维坐标系下的偏移分量；采用滑动平均比较的方式，使INS定位精度与GNSS始终保持一致。当出现GNSS受到干扰、无法定位时，利用INS最新的三维偏移分量对INS定位结果进行订正，输出准确的定位结果。当GNSS干扰排除后、定位再次有效时，再次获取INS定位三维偏移分量，将缺测前后INS三维偏移分量对缺测时段内数据进行优化插值，对该时段内INS定位结果重新订正，使缺测前后与GNSS定位结果保持连续。通过二者的优势互补，可提高测风的可靠性。
组合探空仪中采用的GNSS导航定位模块为北斗和(或)GPS系统双模甚至多模组合导航模块(如还可同时接收俄罗斯的GLONASS、欧盟GALILEO等导航卫星信号进行定位)，工作在L波段，可实现单北斗、单GPS，以及北斗+GPS组合定位，当组合定位时，定位精度通常会较单导航系统定位精度有所提高。
本发明采用全球导航卫星系统与惯性导航系统的组合方式：组合探空仪中采用的INS导航定位模块为捷联式惯性导航模块，惯性导航组合直接安装在组合探空仪上，省去平台，其结构简单、体积小，适合探空仪装载平台。INS导航定位模块采用加速度计+数字罗盘，或加速度计+陀螺仪的组合方式。当气球携带组合探空仪飞行过程中，3个加速度计用于测量组合探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，3个自由度数字罗盘或陀螺仪用于测量组合探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，据此计算组合探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至地理坐标系进行导航计算，得到组合探空仪的速度和位置信息。
有益效果：本发明给出结合全球导航卫星系统和惯性导航系统的球载式高空风探测技术方案，本组合探空仪所建立的高空气象探测系统，系统测风精度较高，安全可靠，代价与现有电子探空仪、GPS探空仪的价格相当，为特殊环境下的高空风测量提供了一种新的有效途径。
附图说明：
图1是GNSS+INS组合探空仪的结构框图。GNSS+INS组合探空仪通过湿、压、湿等气象传感器测量空中温、压、湿等气象要素值；
图2三种方式冗余备份测风数据流。
具体实施方式：
在组合探空仪施放前，需要对INS导航定位模块进行初始对准，其目的是建立起探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，为积分提供初值。由于探空仪为一次性使用，将采用低成本的初始对准算法。其具体过程为，首先，在地面静止条件下读取惯导模块所采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵，由此，即完成了INS探空仪的初始对准。
由于INS导航定位模块利用积分解算组合探空仪位置信息，其定位误差将随时间快速累积。由于一次探测过程通常较长(约1h左右)，须对INS导航定位模块的误差进行补偿，通常采用卡尔曼滤波等方法以尽量减小定位的随机误差。当GNSS信号存在且定位准确时，不断利用GNSS导航定位结果对INS导航定位模块进行参数订正，使INS定位与GNSS定位精度一致。
GNSS定位准确时，以GNSS定位数据为真实值，计算INS定位数据的误差值，使INS定位数据经过误差订正后与GNSS定位数据一致；注意：误差值是基于最新数据不断更新的。当GNSS定位不准确时，将INS定位数据进行误差订正，即为真实值。
利用轨迹法计算得到高空风信息参数(轨迹法计算高空风原理)：记录气球的运动轨迹，读取时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风速风向。
Claims (2)
1.一种组合式高空风探测方法，其特征是，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗和/或GPS以及GLONASS系统发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；INS导航定位模块通过探空气球运动过程中，INS导航定位模块的加速度计、数字罗盘等获取探空仪的导航参数；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，探空仪主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成；
当GNSS导航定位存在且定位准确时，直接输出GNSS定位数据用于计算高空风，同时对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘进行误差补偿订正导航参数，使INS与GNSS定位精度一致；当GNSS导航定位无效时，直接输出INS定位数据用于计算高空风；当GNSS定位信号受到干扰或影响、时断时续时，利用该时段前后两次GNSS定位准确数据，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等订正导航参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据，提高该时段内测风的准确性。
2.根据权利要求1所述的组合式高空风探测方法，其特征是，在GNSS定位有效时，利用之前10s时间内、GNSS定位数据与INS定位数据的比较，得到INS定位在三维坐标系下的偏移分量；采用滑动平均比较的方式，使INS定位精度与GNSS始终保持一致；当出现GNSS受到干扰、无法定位时，利用INS最新的三维偏移分量对INS定位结果进行订正，输出准确的定位结果；当GNSS干扰排除后、定位再次有效时，再次获取INS定位三维偏移分量，将缺测前后INS三维偏移分量对缺测时段内数据进行优化插值，对该时段内INS定位结果重新订正，使缺测前后与GNSS定位结果保持连续。
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