CN114112296A - 一种平流层双气球式风场实时信息测量系统及方法 - Google Patents

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CN114112296A CN202111334395.5A CN202111334395A CN114112296A CN 114112296 A CN114112296 A CN 114112296A CN 202111334395 A CN202111334395 A CN 202111334395A CN 114112296 A CN114112296 A CN 114112296A
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Abstract

本发明公开了一种平流层双气球式风场实时信息测量系统及方法，该系统包括：通过绳索连接的浮力球和重力球；浮力球的顶部设置第一阀门排气装置，用于对浮力球进行充放气；绳索上设有拉力传感器；重力球与绳索连接处设有角度传感器；重力球的底部设置第二阀门排气装置和第二载荷舱；第二阀门排气装置用于对重力球进行充放气；第二载荷舱内设有电源模块、通信模块和控制模块。该系统通过在互锚定双气球上加装测力和角度传感器结合气球自身位姿进行风场信息反算，可通过气球的升降获得不同高度的风场的速度与方向，建立平流层局部区域的实时风场数据。

Description

一种平流层双气球式风场实时信息测量系统及方法
技术领域
本发明涉及风场感知技术领域，特别涉及一种平流层双气球式风场实时信息测量系统及方法。
背景技术
平流层浮空器飞行控制需要与风场感知结合，尤其对于借助平流层风场特性进行驻空工作的双气球平台，只有建立可信的预测风场，才能实现可控飞行。但目前高空气球风场感知手段缺乏，由于风速低、密度小，传统风速计误差较大，飞艇带的多普勒雷达设备又较重，给高精度实时风场信息获取带来了难题。
现有技术中的三种设备：
1、基于热力学原理的风速仪包括热线式、热膜式风速仪，它们通过元器件的热能传递速率和温度耗散来推算风速，虽这类型的风速仪稳定可靠且测量精度高，但量程较小且受温度响应时间的影响。
2、微压传感器具有耐腐蚀、重量轻等优点，但半导体材料存在温移问题，需要校正，且在空气密度小的平流层区域无法达到测速精度要求。
3、超声测速仪基于相对运动的多普勒效应可以得到顺风或者逆风的传播速度，但由于声波会对风产生阻挡，接收器件会改变风的运动，会造成一定的误差，超声波的“吹偏”现象使得超声测量仪的量程有限。此外，超声波测速仪结构复杂，不易在浮空平台实现。
因此，如何克服上述现有技术中的缺陷，成为同行从业人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种平流层双气球式风场实时信息测量系统及方法，该系统通过在互锚定双气球上加装测力和角度传感器结合气球自身位姿进行风场信息反算，通过气球的升降获得不同高度的风场的速度与方向，建立平流层局部区域的实时风场数据。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
第一方面，本发明实施例提供一种平流层双气球式风场实时信息测量系统，包括：浮力球和重力球；所述浮力球通过绳索与所述重力球连接；
所述浮力球的顶部设置第一阀门排气装置，用于对所述浮力球进行充放气；
所述绳索上设有拉力传感器，用于测量所述绳索的拉力值；
所述重力球与所述绳索连接处设有角度传感器，用于测量所述绳索的相对方位；
所述重力球的底部设置第二阀门排气装置和第二载荷舱；所述第二阀门排气装置用于对所述重力球进行充放气；
所述第二载荷舱内设有电源模块、通信模块和控制模块；所述电源模块分别与所述第一阀门排气装置、第二阀门排气装置、通信模块和控制模块电连接；
所述控制模块分别与所述第一阀门排气装置、拉力传感器、角度传感器、第二阀门排气装置和通信模块连接。
进一步地，第一阀门排气装置和第二阀门排气装置均包括气泵与阀门；所述气泵与阀门分别与所述电源模块、控制模块连接；
充气时，所述阀门打开，所述气泵做功将空气充入对应的浮力球和/重力球；放气时，所述阀门打开，在压强差的作用下排出气体。
进一步地，所述浮力球底部还设有第一载荷舱，内置所述绳索的收放装置。
第二方面，本发明实施例还提供一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，使用上述实施例所述的平流层双气球式风场实时信息测量系统，该测量方法包括：
对重力球进行受力分析，构建重力球的相应方程；
根据所述重力球的相应方程，计算出所述重力球的风场方位角及风速；
根据所述重力球在东西和南北方向的加速度误差、拉力传感器误差以及角度传感器误差，测量出风场方位角的相对误差和风速的相对误差。
进一步地，对重力球进行受力分析，构建重力球的相应方程；包括：
重力球受到浮力
Figure 333859DEST_PATH_IMAGE002
、重力G，拉绳拉力
Figure 844474DEST_PATH_IMAGE004
和风场作用力
Figure 624212DEST_PATH_IMAGE006
的共同作用，当重力球在竖直方向处于平衡态时，所受到的合力为零，满足：
Figure 816159DEST_PATH_IMAGE007
（1）
（1）式中，
Figure 630531DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 187414DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 454447DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 246823DEST_PATH_IMAGE015
分别为重力球所处位置的大气密度和重力球内部气体的密度；m为重力球质量；g为重力加速度；V为重力球的体积；
Figure 915702DEST_PATH_IMAGE017
重力球在竖直方向的速度；t为对应的时间；
重力球在东西方向满足：
Figure 705803DEST_PATH_IMAGE018
（2）
重力球在南北方向满足：
Figure 460132DEST_PATH_IMAGE019
（3）
（1）和（3）式中，
Figure 665986DEST_PATH_IMAGE021
为绳索与竖直方向的夹角，
Figure 189371DEST_PATH_IMAGE023
为风与东西方向的夹角，
Figure 475340DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 622026DEST_PATH_IMAGE027
分别为重力球在东西和南北方向的速度；
风作用在重力球上的力与风场的速度和方向有关，根据量纲分析，满足：
Figure 555871DEST_PATH_IMAGE028
（4）
（4）式中，u为风速大小，D为重力球的直径，
Figure 668184DEST_PATH_IMAGE030
为阻力系数，
Figure 800088DEST_PATH_IMAGE031
为重力球所处位置的大气密度。
进一步地，
Figure 122485DEST_PATH_IMAGE032
通过计算流体力学求解Navier-Stokes方程进行标定；或由如下公式获得：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE033
（5）
（5）式中，μ为粘性系数。
进一步地，根据所述重力球的相应方程，计算出所述重力球的风场方位角及风速；包括：
结合角度传感器和所述重力球的航迹确定出风场的方位角，该角度公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
（6）
（6）式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
；
联合公式（1）-（4），得出风速为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE039
（7）
u为计算出的风速。
进一步地，根据所述重力球在东西和南北方向的加速度误差、拉力传感器误差以及角度传感器误差，测量出风场方位角的相对误差和风速的相对误差；包括：
通过测量系统得到的风速和夹角的误差取决于测量得到的东西和南北方向的加速度误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE043
拉力传感器的误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE045
和角度传感器的误差
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE047
；
分别将
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE055
带入公式(6)得测得角度的相对误差为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
（8）
带入公式（7）得测得速度大小的相对误差为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE057
（9）。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1. 为克服传统风速测量设备在平流层误差较大且费效比高的缺点，创新性地将互锚定双气球与相对拉力、角度测量传感器结合，基于重力球的位姿可以得到高精度风场力大小与方向，通过时间积累进而获得局部风场信息。
2. 为克服传统风速测量设备在测量区域小的缺点，通过双气球的升降获得所经历高度上的风场信息，实现实时更新风场预测模型。
3. 首次推导了双气球式风场实时测算的误差表达式，基于双气球加速度、拉绳相对夹角与拉力，可以给出风速大小与方位角的精度。
4. 进一步地，为提高平流层风场信息的预报精度，利用双气球式平台获得实时数据，结合多个公开的临近空间风场数据集，对已有数据库进行补充和完善，可建立平流层风场随季节、地理位置及高度变化的高精度数据库。
附图说明
图1为本发明实施例提供的平流层双气球式风场实时信息测量系统结构图。
图2为本发明实施例提供的平流层双气球式风场实时信息测量系统的测量原理示意图。
图3为本发明实施例提供的待测风速方向相对球体的俯视图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
参照图1所示，本发明实施例提供一种平流层双气球式风场实时信息测量系统，包括：上下两球，下球为质量较大的重力球6，上球为质量较轻的浮力球2；两个球体为可充气气囊，内部充有浮升气体；
浮力球2通过绳索与重力球6连接；在浮力球2的顶部设置第一阀门排气装置1，用于对浮力球进行充放气，实现调节高度。绳索上设有拉力传感器4，用于测量绳索的拉力值；重力球6与绳索连接处设有角度传感器5，用于测量绳索的相对方位，可由此计算出风速及方向。
重力球6的底部设置第二阀门排气装置7和第二载荷舱8；第二阀门排气装置7，由气泵、阀门组成，用于对重力球进行充放气；可通过排气改变重力球的高度；
第二载荷舱8内设有电源模块、通信模块和控制模块；电源模块分别与第一阀门排气装置、第二阀门排气装置、通信模块和控制模块电连接，提供电量支持；控制模块分别与第一阀门排气装置、拉力传感器、角度传感器、第二阀门排气装置和通信模块控制连接。通信模块可采取常规的浮空器通信技术，保证对地通信，中继通信，并实现数传和图传一体化。可将数据回传到地面中心。
其中，第一阀门排气装置1也是由气泵和阀门组成，在控制模块的控制下，充气时，阀门打开，气泵做功将外界环境中的空气充入浮力球，质量变大，高度下降；放气时，阀门打开，浮力球中的空气在压强差的作用下可排出，质量变小，高度上升。
浮力球2又称上气囊，内部充有浮升气体，其大小根据载荷大小确认， 下方设有第一载荷舱1；该上气囊主要为下方第一载荷舱1和整个平台提供升力，并提供额外的浮力差可将绳索拉紧。第一载荷舱1，位于浮力球2下端附近，通过绳索与上下气囊连接，内部装有调节绳收放装置；调节绳收放装置需要控制模块的控制，寻找风场的时候要对其进行调节即适当的收和缩，以及气球起飞和回收的时候，用于调节上下气囊的相对高度。
重力球6又称下气囊，内部同样充有浮升气体，其大小根据载荷确认 ，主要为下方第二阀门排气装置7和第二载荷舱8提供升力。第二载荷舱8内还搭载组合导航定位测姿等工作设备。比如，搭载有测速计，可以测量重力球在竖直方向上的速速 ；密度测量仪器等可测量重力球内部密度。
双球的充气和排气分为以下几种情况:一是上升或者下降，通过调节上下球的充放气可以实现；二是为寻找风场，并在找到风场后保持双球的平衡和稳态，对其进行充气和排气的调整；三是根据能量条件，比如气球内部和外部的温度，对其进行充放气，保证正常的气压。
本发明实施例提供的平流层双气球式风场实时信息测量系统，通过在互锚定双气球上加装测力和角度传感器结合气球自身位姿，可进行风场信息反算，通过气球的升降获得不同高度的风场的速度与方向，建立平流层局部区域的实时风场数据。
实施例2：
本发明实施例还提供一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，使用实施例1的测量系统，测量过程包括：
S1、对重力球进行受力分析，构建重力球的相应方程；
S2、根据所述重力球的相应方程，计算出所述重力球的风场方位角及风速；
S3、根据所述重力球在东西和南北方向的加速度误差、拉力传感器误差以及角度传感器误差，测量出风场方位角的相对误差和风速的相对误差。
该测量方法根据牛顿第二定律，可以根据拉力传感器与角度传感器推测风速的大小及方向，具体来说：
以位于下方的重力球为例，参照图2所示，重力球受到浮力
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、重力G ，拉绳拉力
Figure DEST_PATH_IMAGE059
和风场作用力
Figure DEST_PATH_IMAGE060
的共同作用，当重力球在竖直方向处于平衡态时，所受到的合力为零，满足：
Figure 634588DEST_PATH_IMAGE007
（1）
（1）式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
和
Figure DEST_PATH_IMAGE064
分别为重力球所处位置的大气密度和重力球内部气体的密度；m为重力球质量；g为重力加速度；V为重力球的体积；
Figure DEST_PATH_IMAGE065
重力球在竖直方向的速度；t为对应的时间；
Figure 257199DEST_PATH_IMAGE065
可以通过测速计进行测量，还可以由重力球所在高度的气压得出高度，然后由高度值和对应的时间推导出
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。
在地面上的时候，m是已知的，升空以后虽然m不能测量了，但是可以通过公式m=ρV来求解，ρ也可以通过密度测量设备，比如密度传感器来测量，V为已知；重力球为无弹性，充气后体积V固定，在少量充气和放气的状态下，一般可忽略V的变化。除非当重力球内部排气后，不足以支撑重力球时，则变为未充气的气囊。
重力球在东西方向满足：
Figure 763266DEST_PATH_IMAGE018
（2）
重力球在南北方向满足：
Figure 713905DEST_PATH_IMAGE019
（3）
（1）和（3）式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为绳索与竖直方向的夹角，如图3所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为风与东西方向的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure DEST_PATH_IMAGE070
分别为重力球在东西和南北方向的速度；
风作用在重力球上的力与风场的速度和方向有关，根据量纲分析可知风场力具有以下表达式：
Figure 455465DEST_PATH_IMAGE028
（4）
（4）式中，u为风速大小，D为重力球的直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE071
为阻力系数，
Figure 135845DEST_PATH_IMAGE063
为重力球所处位置的大气密度。
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为阻力系数，其大小为Froude数的函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
的大小可以通过计算流体力学软件求解Navier-Stokes方程进行标定；或由如下经验公式获得：
Figure 878060DEST_PATH_IMAGE033
（5）
（5）式中，μ为粘性系数。
通过角度传感器可以得到风场的速度大小及其与角度传感器的夹角，结合角度传感器和重力球的航迹确定出风场的方位角，该角度公式如下：
Figure 175050DEST_PATH_IMAGE034
（6）
（6）式中，
Figure 595667DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 537078DEST_PATH_IMAGE038
；
联合公式（1）-（4），得出风速为：
Figure 650527DEST_PATH_IMAGE039
（7）
u为计算出的风速。
通过测量系统得到的风速和夹角的误差取决于测量得到的东西和南北方向的加速度误差
Figure DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure DEST_PATH_IMAGE075
拉力传感器的误差
Figure DEST_PATH_IMAGE076
和角度传感器的误差
Figure DEST_PATH_IMAGE077
；
分别将
Figure 700392DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 518175DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 579672DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
带入公式(6)得测得角度的相对误差为：
Figure 395181DEST_PATH_IMAGE056
（8）
带入公式（7）得测得速度大小的相对误差为：
Figure 807708DEST_PATH_IMAGE057
（9）
由此结合加速度测量，对于低动态、相对角度
Figure DEST_PATH_IMAGE079
小、拉绳力较大的双气球情况下，可以获得较高的风场速度和角度测量精度。
该方法基于双气球互锚定拉力与角度测算的风场精确感知，解决了风速低、密度小的平流层风速大小与方位数据可信获取问题，提供了一种潜在的风场实时感知手段，具有实施简单、效费比高、误差较小的优点，在临近空间开发利用方面具有广泛的应用前景与效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明范围的前提下，本发明
还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种平流层双气球式风场实时信息测量系统，其特征在于，包括：浮力球和重力球；所述浮力球通过绳索与所述重力球连接；
所述浮力球的顶部设置第一阀门排气装置，用于对所述浮力球进行充放气；
所述绳索上设有拉力传感器，用于测量所述绳索的拉力值；
所述重力球与所述绳索连接处设有角度传感器，用于测量所述绳索的相对方位；
所述重力球的底部设置第二阀门排气装置和第二载荷舱；所述第二阀门排气装置用于对所述重力球进行充放气；
所述第二载荷舱内设有电源模块、通信模块和控制模块；所述电源模块分别与所述第一阀门排气装置、第二阀门排气装置、通信模块和控制模块电连接；
所述控制模块分别与所述第一阀门排气装置、拉力传感器、角度传感器、第二阀门排气装置和通信模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量系统，其特征在于，第一阀门排气装置和第二阀门排气装置均包括气泵与阀门；所述气泵与阀门分别与所述电源模块、控制模块连接；
充气时，所述阀门打开，所述气泵做功将空气充入对应的浮力球和/重力球；放气时，所述阀门打开，在压强差的作用下排出气体。
3.根据权利要求1所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量系统，其特征在于，所述浮力球底部还设有第一载荷舱，内置所述绳索的收放装置。
4.一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，其特征在于，使用如权利要求1-3任一项所述的平流层双气球式风场实时信息测量系统，该测量方法包括：
对重力球进行受力分析，构建重力球的相应方程；
根据所述重力球的相应方程，计算出所述重力球的风场方位角及风速；
根据所述重力球在东西和南北方向的加速度误差、拉力传感器误差以及角度传感器误差，测量出风场方位角的相对误差和风速的相对误差。
5.根据权利要求4所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，其特征在于，对重力球进行受力分析，构建重力球的相应方程；包括：
重力球受到浮力
Figure 371062DEST_PATH_IMAGE002
、重力G，拉绳拉力
Figure 21486DEST_PATH_IMAGE004
和风场作用力
Figure 211159DEST_PATH_IMAGE006
的共同作用，当重力球在竖直方向处于平衡态时，所受到的合力为零，满足：
Figure 438878DEST_PATH_IMAGE007
（1）
（1）式中，
Figure 4988DEST_PATH_IMAGE009
；
Figure 900132DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 463968DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 851087DEST_PATH_IMAGE015
分别为重力球所处位置的大气密度和重力球内部气体的密度；m为重力球质量；g为重力加速度；V为重力球的体积；
Figure 814364DEST_PATH_IMAGE017
重力球在竖直方向的速度；t为对应的时间；
重力球在东西方向满足：
Figure 704960DEST_PATH_IMAGE018
（2）
重力球在南北方向满足：
Figure 829911DEST_PATH_IMAGE019
（3）
（1）和（3）式中，
Figure 438747DEST_PATH_IMAGE021
为绳索与竖直方向的夹角，
Figure 815501DEST_PATH_IMAGE023
为风与东西方向的夹角，
Figure 826183DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 387614DEST_PATH_IMAGE027
分别为重力球在东西和南北方向的速度；
风作用在重力球上的力与风场的速度和方向有关，根据量纲分析，满足：
Figure 483746DEST_PATH_IMAGE028
（4）
（4）式中，u为风速大小，D为重力球的直径，
Figure 523246DEST_PATH_IMAGE030
为阻力系数，
Figure 388434DEST_PATH_IMAGE031
为重力球所处位置的大气密度。
6.根据权利要求5所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，其特征在于，
Figure 996133DEST_PATH_IMAGE032
通过计算流体力学求解Navier-Stokes方程进行标定；或由如下公式获得：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（5）
（5）式中，μ为粘性系数。
7.根据权利要求6所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，其特征在于，根据所述重力球的相应方程，计算出所述重力球的风场方位角及风速；包括：
结合角度传感器和所述重力球的航迹确定出风场的方位角，该角度公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
（6）
（6）式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；
联合公式（1）-（4），得出风速为：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
（7）
u为计算出的风速。
8.根据权利要求7所述的一种平流层双气球式风场实时信息测量方法，其特征在于，根据所述重力球在东西和南北方向的加速度误差、拉力传感器误差以及角度传感器误差，测量出风场方位角的相对误差和风速的相对误差；包括：
通过测量系统得到的风速和夹角的误差取决于测量得到的东西和南北方向的加速度误差
Figure DEST_PATH_IMAGE041
、
Figure DEST_PATH_IMAGE043
拉力传感器的误差
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和角度传感器的误差
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
分别将
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
带入公式(6)得测得角度的相对误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
（8）
带入公式（7）得测得速度大小的相对误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
（9）。
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CN110967522A (zh) * 2018-09-30 2020-04-07 厦门大学 一种风场梯度的测量方法
CN112285805A (zh) * 2020-11-24 2021-01-29 中国科学院大气物理研究所 一种风速脉动湍流探空系统

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