CN113847946A - 一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统及探测方法，该探测系统包括浮标平台，所述浮标平台顶部安装有气象观测模块，所述浮标平台的舱体内安装有浮标姿态测量模块、供电检测模块、发射条件检测模块、发射状态检测模块、探空装置舱模块、探空装置传动模块、发射控制模块、数据接收与传输模块以及供电模块；所述探空装置舱模块内储存有探空装置；本发明所公开的系统及方法利用浮标平台可以实现海上对流层参数剖面高时空分辨率、长周期、无人、自动化探测，且成本低、部署灵活，为海上对流层参数剖面数据的探测和积累，及相关研究成果的比对验证提供了重要的数据基准和支撑，具有重要的实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及海上对流层大气参数观测技术领域，特别涉及一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统及探测方法。
背景技术
海上对流层参数剖面是指海面以上对流层温度、湿度、压强、风速风向随高度的垂直变化剖面。
海上对流层温度、湿度、压强、风速风向参数剖面的长期业务化观测对天气预报、海洋科学研究、海事活动保障等多个领域具有重要的保障和支撑作用。当前海上对流层参数剖面的探测主要基于卫星遥感、调查船载探测激光雷达等手段，但是这些探测手段存在时空分辨率低、受天气影响大、误差大、成本高昂等缺点，无法进行长期观测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统及探测方法，可以解决海上对流层参数剖面的长期、自动化、无人探测的迫切需求，尤其是深远海环境下的探测需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，包括浮标平台，所述浮标平台顶部安装有气象观测模块，所述浮标平台的舱体内安装有浮标姿态测量模块、供电检测模块、发射条件检测模块、发射状态检测模块、探空装置舱模块、探空装置传动模块、发射控制模块、数据接收与传输模块以及供电模块；所述探空装置舱模块内储存有探空装置；
所述气象观测模块、浮标姿态测量模块、供电检测模块分别与发射条件检测模块信号连接，所述发射条件检测模块与发射状态检测模块信号连接，所述发射状态检测模块分别与探空装置舱模块、探空装置传动模块以及发射控制模块连接，用于检测上述模块的状态；所述发射控制模块与探空装置连接，所述气象观测模块和探空装置观测的数据发送到数据接收与传输模块；所述供电检测模块与供电模块连接，所述供电模块为上述模块提供电力支持。
上述方案中，所述探空装置为搭载有下投式探空仪的无人机或火箭弹。
上述方案中，所述无人机的机翼为折叠式结构，每个无人机储存在探空装置舱模块的一个单独的圆筒中，当无人机离开圆筒时，机翼自动打开；圆筒内置压缩气体，通过释放压缩气体将无人机探抛出至空中，然后打开机翼，起飞。
上述方案中，所述供电模块包括太阳能电池板、风力发电机、燃料电池和蓄电池。
一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，采用上述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，包括如下步骤：
第一步、初始化配置，设置观测的初始参数；
第二步、浮标平台分别通过气象观测模块、浮标姿态测量模块、供电检测模块获得海洋环境参数、浮标平台的姿态参数和供电模块的供电能力参数；
第三步、发射条件检测模块根据第二步测量的结果和第一步配置的初始参数，判断是否满足发射条件，如果满足就进入下一步；如果不满足就返回第二步，并等待下一个观测周期；
第四步、具备发射条件后，发射状态检测模块检测探空装置舱模块、探空装置传动模块和发射控制模块是否正常，如果正常就通过探空装置传动模块把储存在探空装置舱模块中的探空装置传动至发射位置；
第五步、发射控制模块检测探空装置状态是否正常，并检测浮标平台的顶部舱盖打开和关闭功能是否正常，两者都正常后，给探空装置发送起飞指令，探空装置起飞完成后再次关闭顶部舱盖，并返回第二步；如果探空装置的状态不正常，则将该不正常的探空装置作为故障模块并进行异常处理，同时返回第二步；
第六步、探空装置向上飞行至预定高度后，释放下投式探空仪，降落伞打开，探空仪下降过程中自上而下获取高空到海面以上的对流层参数剖面，数据接收与传输模块通过无线的方式接收探空仪的测量数据，连同气象观测模块的数据一起进行本地存储，然后通过无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。
上述方案中，所述步骤一中的初始参数包括观测频率、观测条件、观测周期、探空装置数量、最大高度参数。
上述方案中，所述步骤一中的初始化配置，还包括探空装置故障时的处理模式和方法、发射一次所消耗的电量和用时，以及供电模块的性能参数的配置和初始化。
上述方案中，所述步骤二中，海洋环境参数包括风速、风向、降水和波浪，姿态参数包括浮标平台的艏向、横滚和纵摇姿态角和三轴运动速度。
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统及探测方法具有如下有益效果：
本发明通过气象观测模块、浮标姿态测量模块、供电检测模块获得海洋环境参数、浮标平台的姿态参数和供电模块的供电能力参数；发射条件检测模块根据第二步测量的结果和第一步配置的初始参数，判断是否满足发射条件；具备发射条件后，发射状态检测模块检测探空装置舱模块、探空装置传动模块和发射控制模块是否正常，如果正常就通过探空装置传动模块把储存在探空装置舱模块中的探空装置传动至发射位置；发射控制模块检测探空装置状态是否正常，如果正常则控制打开浮标平台顶部的舱盖，然后给探空装置发送起飞指令，探空装置起飞完成后再次关闭顶部舱盖。通过上述模块的设置，可以实现探空装置的自动准确发射，并利用数据接收与传输模块通过无线的方式接收探空仪的测量数据，完成对海上对流层参数剖面数据的自动探测。
本发明克服了卫星遥感、船载平台探测等手段时空分辨率低、成本高的缺点，利用浮标平台可以实现海上对流层参数剖面高时空分辨率、长周期、无人、自动化探测，且成本低、部署灵活，为海上对流层参数剖面数据的探测和积累，及相关研究成果的比对验证提供了重要的支撑，具有重要的实际意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的浮标平台示意图；
图2为本发明实施例所公开的基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统组成示意图；
图3为本发明实施例所公开的探空装置发射过程流程图；
图4为本发明实施例所公开的探测原理图。
图中，1、浮标平台；2、气象观测模块；3、浮标姿态测量模块；4、供电检测模块；5、发射条件检测模块；6、发射状态检测模块；7、探空装置舱模块；8、探空装置传动模块；9、发射控制模块；10、数据接收与传输模块；11、供电模块；12、探空装置；13、降落伞；14、探空仪；15、岸边基站；16、通信卫星；17、舱盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于浮标平台1的对流层参数剖面探测系统，如图1所示，包括浮标平台1，浮标平台1顶部安装有气象观测模块2，浮标平台1的舱体内安装有浮标姿态测量模块3、供电检测模块4、发射条件检测模块5、发射状态检测模块6、探空装置舱模块7、探空装置传动模块8、发射控制模块9、数据接收与传输模块10以及供电模块11；探空装置舱模块7内储存有探空装置12。
如图2所示，气象观测模块2、浮标姿态测量模块3、供电检测模块4分别与发射条件检测模块5信号连接，用于发射条件检测模块5进行发射条件的检测判断。发射条件检测模块5与发射状态检测模块6信号连接，发射条件检测模块5检测完成后将信号发送至发射状态检测模块6，开始发射状态的检测。发射状态检测模块6分别与探空装置舱模块7、探空装置传动模块8以及发射控制模块9连接，用于检测上述模块的状态。发射控制模块9与探空装置12连接，用于控制探空装置12的发射。气象观测模块2和探空装置12观测的数据通过无线方式发送到数据接收与传输模块10。供电检测模块4与供电模块11连接，用于检测供电模块11的供电能力参数。供电模块11为上述模块提供电力支持。
本实施例中，探空装置12可以为搭载有下投式探空仪14的无人机或火箭弹。
无人机的机翼为折叠式结构，每个无人机储存在探空装置舱模块7的一个单独的圆筒中，当无人机离开圆筒时，机翼自动打开；圆筒内置压缩气体，通过释放压缩气体将无人机探抛出至空中，然后打开机翼，起飞。
本实施例中，供电模块11包括但不限于太阳能电池板、风力发电机、燃料电池和蓄电池。
一种基于浮标平台1的对流层参数剖面探测方法，如图3所示，包括如下步骤：
第一步、初始化配置，设置观测的初始参数，包括观测频率、观测条件、观测周期、探空装置数量、最大高度参数；还包括探空装置12故障时的处理模式和方法、发射一次所消耗的电量和用时，以及供电模块11的性能参数的配置和初始化。
第二步、浮标平台1分别通过气象观测模块2、浮标姿态测量模块3、供电检测模块4获得海洋环境参数、浮标平台1的姿态参数和供电模块11的供电能力参数；海洋环境参数包括风速、风向、降水和波浪，姿态参数包括浮标平台1的艏向、横滚和纵摇姿态角和三轴运动速度。
第三步、发射条件检测模块5根据第二步测量的结果和第一步配置的初始参数，判断是否满足发射条件，如果满足就进入下一步；如果不满足就返回第二步，并等待下一个观测周期；
这样可以最大限度的降低整体探测系统的功耗，提高发射状态检测模块6、探空装置舱模块7、探空装置传动模块8的可靠性。
第四步、具备发射条件后，发射状态检测模块6检测探空装置舱模块7、探空装置传动模块8和发射控制模块9是否正常，如果正常就通过探空装置传动模块8把储存在探空装置舱模块7中的探空装置12传动至发射位置；
检测的内容包括探空装置舱模块7储存的探空装置12数量、探空装置12所在舱室编号(当有多个探空装置舱模块7时)、发射状态检测模块6检测探空装置传动模块8是否能够正常工作，是否能将探空装置传动至发射位置。
第五步、发射控制模块9检测探空装置12状态是否正常，并检测浮标平台1的顶部舱盖17打开和关闭功能是否正常，两者都正常后，给探空装置12发送起飞指令，探空装置12起飞完成后再次关闭顶部舱盖17，并返回第二步；如果探空装置12的状态不正常，则将该不正常的探空装置12作为故障模块并进行异常处理，通过探空装置传动模块8将异常的探空装置12传动并储存到专门的异常探空装置的舱室中，同时返回第二步；如果顶部舱盖17打开和关闭功能异常，则停止发射并将探空装置12通过探空装置传动模块8传动回探空装置舱模块7内；将故障情况通过数据接收与传输模块10发回指定客户端，由专业人员进行维修维护。
第六步、探空装置12向上飞行至预定高度后，如图4所示，释放下投式探空仪14，降落伞13打开，探空仪14在下降过程中自上而下获取高空到海面以上的对流层参数剖面，数据接收与传输模块10通过无线的方式接收探空仪14的测量数据，连同气象观测模块2的数据一起进行本地存储，然后通过北斗通信、通信卫星16通信、4G/5G通信、电台等无线通信的方式发送到岸边基站15的指定客户端。
探空装置12起飞所需电能来自预先安装的蓄电池，其电量根据飞行的最大高度、携带载荷重量确定；探空装置12为一次性模块，即每一个探空装置完成一次探测。
本发明中对无人机的飞行姿态、飞行方向没有要求，只要能飞到预定高度即可，且为一次消耗性设计，因此为了提高海上抗风性能，探空装置可以是垂直共轴双机翼设计；为了使浮标平台1能够搭载尽可能多数量的无人机，机翼采用折叠式设计。
需要特别说明的是上述实施例中的每一步中检测到的状态信息、故障信息都会通过数据接收与传输模块10传输至指定客户端，供用户及时、全面的掌握整个探测系统的工作状态、健康状况等情况。
本发明在实际操作过程中，可以根据不同的观测高度需求更换不同的探空装置，从而实现不同高度以下对流层参数剖面的探测。这种利用浮标平台1的海上对流层参数剖面探测系统及探测方法，可极大增加远离海岸区域，尤其是深远海区域中的大气探测数据，扩展了浮标的探测范围和时空分辨率，可有效服务于多个领域。由于目前并未出现关于利用海洋浮标平台1和探空火箭或者无人机探测海上对流层参数剖面的报道，本发明的技术方案为本领域后续的科研工作提供了新的启示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，其特征在于，包括浮标平台，所述浮标平台顶部安装有气象观测模块，所述浮标平台的舱体内安装有浮标姿态测量模块、供电检测模块、发射条件检测模块、发射状态检测模块、探空装置舱模块、探空装置传动模块、发射控制模块、数据接收与传输模块以及供电模块；所述探空装置舱模块内储存有探空装置；
所述气象观测模块、浮标姿态测量模块、供电检测模块分别与发射条件检测模块信号连接，所述发射条件检测模块与发射状态检测模块信号连接，所述发射状态检测模块分别与探空装置舱模块、探空装置传动模块以及发射控制模块连接，用于检测上述模块的状态；所述发射控制模块与探空装置连接，所述气象观测模块和探空装置观测的数据发送到数据接收与传输模块；所述供电检测模块与供电模块连接，所述供电模块为上述模块提供电力支持。
2.根据权利要求1所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，其特征在于，所述探空装置为搭载有下投式探空仪的无人机或火箭弹。
3.根据权利要求2所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，其特征在于，所述无人机的机翼为折叠式结构，每个无人机储存在探空装置舱模块的一个单独的圆筒中，当无人机离开圆筒时，机翼自动打开；圆筒内置压缩气体，通过释放压缩气体将无人机探抛出至空中，然后打开机翼，起飞。
4.根据权利要求1所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，其特征在于，所述供电模块包括太阳能电池板、风力发电机、燃料电池和蓄电池。
5.一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，采用如权利要求1所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测系统，其特征在于，包括如下步骤：
第一步、初始化配置，设置观测的初始参数；
第二步、浮标平台分别通过气象观测模块、浮标姿态测量模块、供电检测模块获得海洋环境参数、浮标平台的姿态参数和供电模块的供电能力参数；
第三步、发射条件检测模块根据第二步测量的结果和第一步配置的初始参数，判断是否满足发射条件，如果满足就进入下一步；如果不满足就返回第二步，并等待下一个观测周期；
第四步、具备发射条件后，发射状态检测模块检测探空装置舱模块、探空装置传动模块和发射控制模块是否正常，如果正常就通过探空装置传动模块把储存在探空装置舱模块中的探空装置传动至发射位置；
第五步、发射控制模块检测探空装置状态是否正常，并检测浮标平台的顶部舱盖打开和关闭功能是否正常，两者都正常后，给探空装置发送起飞指令，探空装置起飞完成后再次关闭顶部舱盖，并返回第二步；如果探空装置的状态不正常，则将该不正常的探空装置作为故障模块并进行异常处理，同时返回第二步；
第六步、探空装置向上飞行至预定高度后，释放下投式探空仪，降落伞打开，探空仪下降过程中自上而下获取高空到海面以上的对流层参数剖面，数据接收与传输模块通过无线的方式接收探空仪的测量数据，连同气象观测模块的数据一起进行本地存储，然后通过无线通信的方式发送到岸边基站的指定客户端。
6.根据权利要求5所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，其特征在于，所述步骤一中的初始参数包括观测频率、观测条件、观测周期、探空装置数量、最大高度参数。
7.根据权利要求5所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，其特征在于，所述步骤一中的初始化配置，还包括探空装置故障时的处理模式和方法、发射一次所消耗的电量和用时，以及供电模块的性能参数的配置和初始化。
8.根据权利要求5所述的一种基于浮标平台的对流层参数剖面探测方法，其特征在于，所述步骤二中，海洋环境参数包括风速、风向、降水和波浪，姿态参数包括浮标平台的艏向、横滚和纵摇姿态角和三轴运动速度。
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