CN114019583B - 基于惯性补偿的高精度测风系统及方法 - Google Patents
基于惯性补偿的高精度测风系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，属于气象探测技术领域。本发明包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统。基于惯性补偿和滤波原理提高测风精度和测风空间分辨率，缩短吊线长度且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，实时滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度；通过非膨胀、表面带锥角的探空气球整流，减小气流扰动带来的误差；通过点爆模块控制探空气球引爆、坠落。采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。本发明具有测风精度高、效率高和安全性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度安全测风系统及方法，属于气象探测技术领域。
背景技术
随着社会的发展，测风的应用场景越来越多，测风手段多种多样。常见的测风方案主要包括被动式和主动式测量。被动测量往往是机械式测量，如常见的皮托管、风杯风速计、光学经纬仪。主动测量最常见的有激光测风雷达、风廓线雷达、多普勒声雷达、探空仪等。目前在各种高空测风仪器中，探空仪是最主要的仪器，在探空气球搭载下能满足20至30公里高度的测风需求，且精度较高，装载定位模块的探空仪可通过卫星数据实现对风速风向的测量。探空仪体积小，可采用探空气球搭载至高空或由火箭、飞机从高空下投，可以满足在航天器发射、武器试验等场合下测风范围广、测风精度优、空间分辨率高的需求。
目前搭载于探空气球的探空仪，依靠全球卫星定位系统(Global PositioningSystem,GPS)或北斗/GPS混合定位模式测量风速风向，对探空仪的测风数据直接进行处理，无其他补偿环节，受定位模块精度限制。气球与探空仪之间的吊线往往长达数十米，在气球上升过程中，吊线使得探空仪产生摆动现象，摆动使探空仪定位产生误差从而影响风速风向的测量。即使对探空仪摆动进行建模分析，对风速风向数据进行与摆动周期成比例的多点滤波，由于摆动周期过长，滤波后探空仪有效数据的时间间隔仍然过大，从而降低了探空仪测风的精度和空间分辨率。实际的对探空仪测风数据滤除摆动影响的操作往往在地面进行，采用滤波器对探空仪测风的全部数据进行滤波，滤除一定带宽范围内的摆动，降低了测风精度，实时性较差。常见探空气球的形状多为圆形，这种形状在高空中会引起局部气流扰动，造成探空气球移动轨迹为“之”字形，产生位置误差，从而影响测风精度。目前主流探空仪测风的数据采样率低，采样周期在1秒，因此空间分辨率难以达到高精度要求。此外，常见的探空气球采用天然胶乳或氯丁胶乳材料，这种材料的特点是高弹性、富有柔韧性，这种材料的气球随着高度增加会逐渐膨胀，只有当气球达到一定高度时，气球才会因膨胀而爆裂，由于气球质量不一，气球爆炸高度难以控制，有时甚至无法爆炸，影响航天器及武器的发射飞行试验。
发明内容
本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风系统及方法要解决的技术问题是：基于惯性补偿实现高精度测风，即：基于惯性补偿和滤波原理提高测风精度和测风空间分辨率，缩短吊线长度且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，实时滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度；通过非膨胀、表面带锥角的探空气球整流，减小气流扰动带来的误差；通过点爆模块控制探空气球在指定高度引爆、坠落，提高安全性。本发明具有测风精度高、效率高和安全性高的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风系统，包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统。
探空仪通过吊线挂载于探空气球下方，随着气球上升测量风速风向，并将测风数据发送给地面的无线数据接收设备。通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率。
非膨胀锥角气球挂载探空仪。利用非膨胀锥角气球的非膨胀性质维持气球形状不变，锥角形状起整流作用，减小气流扰动的影响。气球从地面充气、起飞，将探空仪带至高空，到达预定高度后气球被引爆、坠落。作为优选，采用聚乙烯材料(polyethene，PE)和聚酰亚胺(polyimide，PI)材料粘合制作成表面遍布锥角的非膨胀锥角气球，非膨胀锥角气球随高度上升、外界气压下降，形状保持不变。
地面无线数据接收设备用于接收探空仪发出的测风数据。
高精度测风信息处理系统用于对测风数据进行可视化处理，并存储测风数据。
探空仪从功能上包括定位模块、气压传感模块、惯性模块、点爆模块、无线通讯模块、单片机。
定位模块用于接收来自卫星的探空仪定位信息，包括探空仪的经纬度、高度。探空仪两次定位的变化在理想情况下只由风场的气压差引起，则两次移动之间的距离与时间之比就是风速大小，探空仪位置变化的方向即是风向。作为优选，采用高精度北斗定位模块，测风数据采用0.5秒的采样周期，测风精度高。
气压传感模块用于测量探空仪所处位置的气压，依据气压解算高度。
惯性模块用于测量探空仪三个方向的加速度、角速度、姿态信息。加速度积分得到的速度即风速，用于补偿定位模块测速的误差，姿态信息用于实时解算探空仪摆动的周期。作为优选，采用微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)，实现体积小、功耗低。
点爆模块用于引燃火工品点爆探空气球，使探空气球破裂，探空仪和探空气球下坠，保证空域无飞行物。作为优选，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
无线通讯模块用于将测风数据通过气象专用信道传输给地面无线数据接收设备。
单片机用于接收定位模块、气压传感模块、惯性模块的信息并进行数据处理，控制点爆模块、无线通讯模块。单片机接收定位模块测得的探空仪定位信息和惯性模块测得的探空仪加速度、姿态信息，通过定位信息的变化解算出风速风向，对探空仪加速度积分得到速度，补偿定位模块测速的误差，通过探空仪姿态信息实时解算探空仪的摆动周期，并利用惯性模块的姿态信息对本周期的测风数据进行针对性滤波，提高测风的实时性和精度；通过探空仪定位信息和气压高度判断探空仪的高度是否达到指定高度，当探空仪处于预定高度以上时控制点爆模块引爆探空气球。在整个测风过程中控制测风的数据通过无线通讯模块发出。
本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风方法：非膨胀锥角气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞；单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向；对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对定位模块测得的风速进行补偿；根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响；通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储；判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在预定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球。
本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风方法，基于所述的基于惯性补偿的高精度测风系统实现，包括如下步骤：
步骤一：根据高精度测风需求，非膨胀锥角气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞。
在航天器发射、武器试验前，将探空仪挂载于非膨胀锥角气球下方，气球在地面充气、起飞。通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率。
步骤二：单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向。
探空仪在空中定位模块测得的相邻两点在特定坐标系中的坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，则实际的风速、风向为：
其中，t为探空仪两相邻测点之间的运动时间。
步骤三：对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对用定位模块测得的风速进行补偿。
当模块静止时，受重力的影响，惯性模块测量得到的X轴、Y轴、Z轴三个方向分别有加速度值输出，各轴的加速度与重力加速度相等，因此需对重力加速度进行补偿。重力加速度补偿公式为：
式中[ax ay az]T为采集到的运动加速度，[x0 y0 z0]T为静止时模块的输出值。
对加速度在时间上进行积分即得到运动速度。从t0时刻开始采样，从t0～tn时刻，连续时间域中速度v(t)和加速度a(t)的计算关系如式(4)所示：
式中，v(t0)为t0时刻的瞬时运动速度。对式(4)进行离散化得到差分方程：
根据数值分析原理，当采样时间间隔Δt足够小时，近似地将曲线看作直线，采用梯形积分方法得到实际运算的积分公式：
又t1-t0＝t2-t1＝…＝tn-tn-1＝Δt，当n＞1时，将式(6)改写为：
根据式(7)，仅需知道v(t0)和惯性模块输出的加速度值即可求出探空仪的速度即风速。
由于定位模块测风结果和加速度积分测风结果两种测量方法精度不同，故采用针对性的权重进行加权平均计算，得补偿后的风速测量结果如式(8)所示。
v＝k1v1+k2v2 (8)
其中：k1+k2＝1,k1＞0,k2＞0
式中，v1,v2分别为定位模块测风结果和加速度积分测风结果，k1,k2分别为对应的权重。
步骤四：根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度。
对探空仪的摆动进行建模分析，公示(9)是探空仪摆动周期的计算公式，从公式(9)中看出，探空仪摆动周期与摆线长度、摆动半径成正比。
其中：
摆动半径r＝lcosθ，K(k)为第一类Legendre完全椭圆积分，g为重力加速度，l为摆线长度。通过缩短吊线长度且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，实时滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度。
步骤五：通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储。
步骤六：判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在预定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，安全可靠保障气球坠落。
采用定位模块测得探空仪定位高度，采用气压传感方式获得气压高度，提供冗余高度信息。首先根据定位高度判断探空仪是否持续一段时间保持在指定高度以上，是则控制点爆模块引爆探空气球，当定位模块定位失效时，如果气压高度持续一段时间在指定高度以上，同样控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，可靠保障气球坠落。
大气压同海拔高度的关系如式(10)所示。
则气压高度的计算公式为
其中：H为海拔高度，P0为标准大气压(0℃，101.325kPa)。
当通过点爆模块引燃火工品点爆探空气球时，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
有益效果：
1、本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，基于惯性补偿和滤波原理，利用惯性模块的加速度信息补偿风速，提高测风精度，缩短了探空仪和探空气球间的吊线长度，减小探空仪摆动周期，且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，滤除探空仪摆动的影响，相比在地面处理测风数据，能够提高测风的精度、实时性和空间分辨率。
2、本发明公开的基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，采用非膨胀、表面带锥角的探空气球，锥角形状起整流作用，相比圆形探空气球会引起局部气流扰动，减小气流扰动带来的误差，提高测风精度。非膨胀材料维持锥角形状不变，保持整流作用，本发明通过大量实验和分析，选取聚乙烯材料(polyethene，PE)和聚酰亚胺(polyimide，PI)材料粘合制作成表面遍布锥角的非膨胀锥角气球，能够满足维持气球锥角形状不变，保持整流作用要求，且能够减小气球爆炸威力进一步提高安全性。
3、本发明公开的一种基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，根据定位模块测得定位高度、采用气压传感方式测得气压高度，冗余控制点爆模块，当气球持续一段时间在预定高度时被引爆、坠落，相比气球自行爆裂、坠落，提高安全性，可靠保证空域无飞行物。
4、本发明公开的一种基于惯性补偿的高精度测风系统及方法，当通过点爆模块引燃火工品点爆探空气球时，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
附图说明
通过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。
图1示出了本发明“基于惯性补偿的高精度测风系统及方法”的系统结构组成；
图2示出了常见探空气球的圆形形状和本发明的表面遍布锥角的探空气球；
图3示出了本发明“基于惯性补偿的高精度测风系统及方法”中探空仪的模块组成；
图4示出了本发明“基于惯性补偿的高精度测风系统及方法”的方法流程图；
图5示出了本发明“基于惯性补偿的高精度测风系统及方法”的详细流程框图；
图6示出了运动物体的加速度-时间曲线，横轴为时间，纵轴为加速度；
图7示出了探空仪在随气球上升过程中的锥摆运动图；
图8示出了对探空仪运动进行建模分析的运动分解图。
具体实施方式
为使本发明更加清楚明白，以下结合具体实施例子，并且参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的基于惯性补偿的高精度测风系统，包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统。
探空仪通过2米长的吊线挂载于探空气球下方，随着气球上升测量风速风向，并将测风数据发送给地面的无线数据接收设备。探空仪与探空气球之间的吊线长度相比常规长度(30米)更短，减小探空仪摆动周期。
如图2所示，分别为常见探空气球的圆形形状和本发明的表面遍布锥角的探空气球。常见探空气球的形状多为圆形，这种形状在高空中会引起气流扰动，从而影响测风精度。采用非膨胀锥角气球挂载探空仪，采用非膨胀的PE材料和PI材料粘合制作探空气球，非膨胀的性质维持气球形状不变，锥角形状起整流作用，相比圆形的探空气球，减小气流扰动的影响。气球从地面充气、起飞，以每秒5～7米的速度上升，将探空仪带至高空，高度一般在30千米以下，到达预定高度后气球被引爆、坠落。通过大量实验和分析，选取聚乙烯材料PE和聚酰亚胺PI材料粘合制作成表面遍布锥角的非膨胀锥角气球，能够满足维持气球锥角形状不变，保持整流作用要求，且能够减小气球爆炸威力进一步提高安全性。
地面无线数据接收设备用于接收探空仪发出的测风数据。
高精度测风信息处理系统用于对测风数据进行可视化处理，并存储测风数据。
如图3所示，探空仪从功能上包括定位模块、气压传感模块、惯性模块、点爆模块、无线通讯模块、单片机。
定位模块采用高精度北斗定位模块，用于接收来自卫星的探空仪定位信息，包括探空仪的经纬度、高度，定位精度≤2米。探空仪两次定位的变化在理想情况下只由风场的气压差引起，则两次移动之间的距离与时间之比就是风速大小，探空仪位置变化的方向就是风向。对测风数据的采样周期为0.5秒。
气压传感模块采用MS5611气压传感计，用于测量探空仪所处位置的气压，依据气压解算高度。
惯性模块采用MIMU模块，用于测量探空仪三个方向的加速度、角速度、姿态信息。加速度积分得到的速度即风速，用于补偿定位模块测速的误差，姿态信息用于实时解算探空仪摆动的周期。
点爆模块采用超级电容充放电的方式引燃火工品，点爆探空气球，使探空气球破裂，探空仪和探空气球下坠，保证空域无飞行物。超级电容充放电的方式能够实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
无线通讯模块采用Si4432无线模块，用于将测风数据通过气象专用信道传输给地面无线数据接收设备。无线通讯采用400～406MHz气象专用信道，数据传输速率2.4kbps，调制方式采用GFSK。
单片机采用STM32L系列，用于接收定位模块、气压传感模块、惯性模块的信息并进行数据处理，控制点爆模块、无线通讯模块。单片机接收定位模块测得的探空仪定位信息和惯性模块测得的探空仪加速度、姿态信息，通过定位信息的变化解算出风速风向，对探空仪加速度积分得到速度，补偿定位模块测速的误差，通过探空仪姿态信息实时解算探空仪的摆动周期，并对本周期的测风数据进行针对性滤波。通过探空仪定位信息和气压高度判断探空仪的高度是否达到指定高度，当探空仪处于一定高度以上时控制点爆模块引爆探空气球。在整个测风过程中控制测风的数据通过无线通讯模块发出。
如图4所示，本实施例公开的基于惯性补偿的高精度测风方法：非膨胀锥角探空气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞；单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向；对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对定位模块测得的风速进行补偿；根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响；通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储；根据定位信息和气压信息判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在指定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球。
本实施例公开的基于惯性补偿的高精度测风方法，基于所述的基于惯性补偿的高精度测风系统实现，包括如下步骤：
步骤一：非膨胀锥角气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞。
在航天器发射、武器试验前，将探空仪挂载于非膨胀锥角气球下方，气球在地面充气、起飞。较短的吊线减小探空仪摆动周期，提高测风空间分辨率。
步骤二：测风系统结构如图5所示，单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向。
探空仪在空中定位模块测得的相邻两点在特定坐标系中的坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，则实际的风速、风向为：
其中，t为探空仪两相邻测点之间的运动时间。
步骤三：对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对用定位模块测得的风速进行补偿。
惯性模块测量得到的X轴、Y轴、Z轴三个方向的加速度，当模块静止时，受重力的影响，X轴、Y轴、Z轴分别有加速度值输出，各轴的加速度与重力加速度相等，因此首先需对重力加速度进行补偿。重力加速度补偿公式为：
式中[ax ay az]T为采集到的运动加速度，[x0 y0 z0]T为静止时模块的输出值。
如图6所示，对加速度在时间上进行积分即得到运动速度。从t0时刻开始采样，从t0～tn时刻，连续时间域中速度v(t)和加速度a(t)的计算关系如式(15)所示：
式中，v(t0)为t0时刻的瞬时运动速度。对式(16)进行离散化得到差分方程：
根据数值分析原理，当采样时间间隔Δt足够小时，近似地将曲线看作直线，采用梯形积分方法得到实际运算的积分公式：
又t1-t0＝t2-t1＝…＝tn-tn-1＝Δt，当n＞1时，可将式(17)改写为：
根据式(18)，仅需知道v(t0)和惯性模块输出的加速度值即可求出探空仪的速度即风速。
由于定位模块测风结果和加速度积分测风结果两种测量方法精度不同，故采用不同的权重进行加权平均计算。最终风速测量结果如式(19)所示。
v＝k1v1+k2v2 (19)
其中：k1+k2＝1,k1＞0,k2＞0
式中，v1,v2分别为定位模块测风结果和加速度积分测风结果，k1,k2分别为对应的权重。设某一时刻计算得到的定位测风方差和积分测风方差分别为和/>则取权重分别为方差的倒数，即
该时刻的测风结果如式(21)所示。
步骤四：根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度。
在理想情况下，探空仪两次测量位置之间的变化应当只由风场的气压差引起，则两次移动之间的距离与时间之比就是风速大小。但实际情况中，探空仪的运动不是仅由风压引起，探空仪通过一根吊线与探空气球相连，则探空仪在随气球上升过程中不会与气球保持垂直不动，而是伴随着如同锥摆的水平移动，如图7所示，探空仪在随气球上升过程中如同锥摆一样运动，探空仪会绕着不同方向的轴线做锥摆运动，即既有水平摆动，还有旋转，统称为复摆运动。
如图8所示，对探空仪的摆动进行建模分析，公示(22)是探空仪摆动周期的计算公式，从公式中可看出，探空仪摆动周期与摆线长度、摆动半径成正比。
其中：
摆动半径r＝lcosθ，K(k)为第一类Legendre完全椭圆积分，g为重力加速度，l为摆线长度。通过缩短探空仪与气球之间的吊线减小探空仪摆动周期。
步骤五：通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储。
步骤六：判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在预定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，安全可靠保障气球坠落。
采用定位模块测得探空仪定位高度，采用气压传感方式获得气压高度，提供冗余高度信息。对定位高度和气压高度同时判断并计时，当定位高度连续10秒有效且大于15000米时，启动点爆模块；如果定位模块定位失败，当气压高度连续10秒有效且大于15000米时，同样启动点爆模块，实现气球点爆的冗余控制，可靠保障气球坠落。
大气压同海拔高度的关系如式(23)所示。
则气压高度的计算公式为
其中：H为海拔高度，P0为标准大气压(0℃，101.325kPa)
当通过点爆模块引燃火工品点爆探空气球时，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于惯性补偿的高精度测风方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：根据高精度测风需求，非膨胀锥角气球通过较短的吊线搭载探空仪，在地面充气、起飞；
将探空仪挂载于非膨胀锥角气球下方，气球在地面充气、起飞；通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率；
步骤二：单片机接收定位模块测得的定位信息，解算风速风向，探空仪两次测量之间位置变化的距离与测量时间间隔之比即风速，位置改变的方向代表风向；
步骤三：对惯性模块测得的探空仪加速度积分得到速度，用加权平均的方式对用定位模块测得的风速进行补偿；
步骤四：根据惯性模块测得的探空仪姿态信息，解算探空仪摆动周期，并针对不同周期的数据进行多点滤波滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度；
步骤五：通过无线通讯模块将测风数据传输给地面无线数据接收设备，高精度测风信息处理系统对测风数据进行可视化处理并存储；
步骤六：判断探空仪高度，如果探空仪持续一段时间保持在预定高度以上，则控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，安全可靠保障气球坠落。
2.如权利要求1所述的基于惯性补偿的高精度测风方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
探空仪在空中定位模块测得的相邻两点在特定坐标系中的坐标分别为(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)，则实际的风速、风向为：
其中，t为探空仪两相邻测点之间的运动时间。
3.如权利要求2所述的基于惯性补偿的高精度测风方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
当模块静止时，受重力的影响，惯性模块测量得到的X轴、Y轴、Z轴三个方向分别有加速度值输出，各轴的加速度与重力加速度相等，因此需对重力加速度进行补偿；重力加速度补偿公式为：
式中[ax ay az]T为采集到的运动加速度，[x0 y0 z0]T为静止时模块的输出值；
对加速度在时间上进行积分即得到运动速度；从t0时刻开始采样，从t0～tn时刻，连续时间域中速度v(t)和加速度a(t)的计算关系如式(2)所示：
式中，v(t0)为t0时刻的瞬时运动速度；对式(2)进行离散化得到差分方程：
根据数值分析原理，当采样时间间隔Δt足够小时，近似地将曲线看作直线，采用梯形积分方法得到实际运算的积分公式：
又t1-t0＝t2-t1＝…＝tn-tn-1＝Δt，当n＞1时，将式(4)改写为：
根据式(5)，仅需知道v(t0)和惯性模块输出的加速度值即可求出探空仪的速度即风速；
由于定位模块测风结果和加速度积分测风结果两种测量方法精度不同，故采用针对性的权重进行加权平均计算，得补偿后的风速测量结果如式(6)所示；
v＝k1v1+k2v2 (6)
其中：k1+k2＝1,k1＞0,k2＞0
式中，v1,v2分别为定位模块测风结果和加速度积分测风结果，k1,k2分别为对应的权重。
4.如权利要求3所述的基于惯性补偿的高精度测风方法，其特征在于：步骤四实现方法为，对探空仪的摆动进行建模分析，公示(7)是探空仪摆动周期的计算公式，从公式(7)中看出，探空仪摆动周期与摆线长度、摆动半径成正比；
其中：
摆动半径r＝lcosθ，K(k)为第一类Legendre完全椭圆积分，g为重力加速度，l为摆线长度；通过缩短吊线长度且利用惯性模块的姿态信息实时测得探空仪摆动周期并对本周期测风数据进行针对性滤波，实时滤除探空仪摆动的影响，提高测风的实时性和精度。
5.如权利要求4所述的基于惯性补偿的高精度测风方法，其特征在于：步骤六实现方法为，
采用定位模块测得探空仪定位高度，采用气压传感方式获得气压高度，提供冗余高度信息；首先根据定位高度判断探空仪是否持续一段时间保持在指定高度以上，是则控制点爆模块引爆探空气球，当定位模块定位失效时，如果气压高度持续一段时间在预定高度以上，同样控制点爆模块引爆探空气球，实现气球点爆的冗余控制，可靠保障气球坠落；
大气压同海拔高度的关系如式(8)所示；
则气压高度的计算公式为
其中：H为海拔高度，P0为标准大气压(0℃，101.325kPa)；
当通过点爆模块引燃火工品点爆探空气球时，采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全。
6.基于惯性补偿的高精度测风系统，用于实现权利要求1、2、3、4或5所述的基于惯性补偿的高精度测风方法其特征在于：包括探空仪、非膨胀锥角气球、地面无线数据接收设备、高精度测风信息处理系统；
探空仪通过吊线挂载于探空气球下方，随着气球上升测量风速风向，并将测风数据发送给地面的无线数据接收设备；通过缩短探空气球与探空仪之间的吊线长度，减小探空仪摆动的周期，提高测风的空间分辨率；
非膨胀锥角气球挂载探空仪；利用非膨胀锥角气球的非膨胀性质维持气球形状不变，锥角形状起整流作用，减小气流扰动的影响；气球从地面充气、起飞，将探空仪带至高空，到达预定高度后气球被引爆、坠落；
地面无线数据接收设备用于接收探空仪发出的测风数据；
高精度测风信息处理系统用于对测风数据进行可视化处理，并存储测风数据；
探空仪从功能上包括定位模块、气压传感模块、惯性模块、点爆模块、无线通讯模块、单片机；
定位模块用于接收来自卫星的探空仪定位信息，包括探空仪的经纬度、高度；探空仪两次定位的变化在理想情况下只由风场的气压差引起，则两次移动之间的距离与时间之比就是风速大小，探空仪位置变化的方向即是风向；
气压传感模块用于测量探空仪所处位置的气压，依据气压解算高度；
惯性模块用于测量探空仪三个方向的加速度、角速度、姿态信息；加速度积分得到的速度即风速，用于补偿定位模块测速的误差，姿态信息用于实时解算探空仪摆动的周期；
点爆模块用于引燃火工品点爆探空气球，使探空气球破裂，探空仪和探空气球下坠，保证空域无飞行物；采用超级电容充放电的方式，实现小功率电池产生大功率电流输出，可靠点爆火工品，精确控制点爆高度，保证空域安全；
无线通讯模块用于将测风数据通过气象专用信道传输给地面无线数据接收设备；
单片机用于接收定位模块、气压传感模块、惯性模块的信息并进行数据处理，控制点爆模块、无线通讯模块；单片机接收定位模块测得的探空仪定位信息和惯性模块测得的探空仪加速度、姿态信息，通过定位信息的变化解算出风速风向，对探空仪加速度积分得到速度，补偿定位模块测速的误差，通过探空仪姿态信息实时解算探空仪的摆动周期，并利用惯性模块的姿态信息对本周期的测风数据进行针对性滤波，提高测风的实时性和精度；通过探空仪定位信息和气压高度判断探空仪的高度是否达到指定高度，当探空仪处于预定高度以上时控制点爆模块引爆非膨胀锥角气球；在整个测风过程中控制测风的数据通过无线通讯模块发出。
7.如权利要求6所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：采用聚乙烯材料(polyethene，PE)和聚酰亚胺(polyimide，PI)材料粘合制作成表面遍布锥角的非膨胀锥角气球，非膨胀锥角气球随高度上升、外界气压下降，形状保持不变。
8.如权利要求6所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：采用高精度北斗定位模块，测风数据采用0.5秒的采样周期，测风精度高。
9.如权利要求6所述的基于惯性补偿的高精度测风系统，其特征在于：采用微型惯性测量单元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)，实现体积小、功耗低。
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