RU2650094C2 - Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination - Google Patents

Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination Download PDF

Info

Publication number
RU2650094C2
RU2650094C2 RU2016119943A RU2016119943A RU2650094C2 RU 2650094 C2 RU2650094 C2 RU 2650094C2 RU 2016119943 A RU2016119943 A RU 2016119943A RU 2016119943 A RU2016119943 A RU 2016119943A RU 2650094 C2 RU2650094 C2 RU 2650094C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uav
wind
point
vertical components
horizontal
Prior art date
Application number
RU2016119943A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016119943A (en
Inventor
Сергей Анатольевич Кураков
Полина Сергеевна Куракова
Ольга Алексеевна Куракова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2016119943A priority Critical patent/RU2650094C2/en
Publication of RU2016119943A publication Critical patent/RU2016119943A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2650094C2 publication Critical patent/RU2650094C2/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • G01W1/08Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes

Abstract

FIELD: measurement; test.
SUBSTANCE: invention relates to the field of meteorology and can be used to determine the wind speed and its direction horizontal and vertical components averaged values. Summary: launching the multi-rotor type unmanned aerial vehicle (UAV) into the region of interest, which is made capable of hovering and returning to a given point in space. When the UAV reaches a given point in space, it is put into the horizontal position holding mode and the "zero buoyancy", characterized by equality in modulus and opposite in the direction of the UAV thrust vector and its weight. After the time necessary to equalize the UAV speed relative to the wind, determined empirically from the disappearance of the acceleration, using the satellite navigation system measuring the latitude, longitude and altitude of the first point, as well as the current time. After that, measuring the latitude, longitude and altitude of the second point and the current time. Solving the inverse geodetic problem, calculating the wind speed and its direction horizontal and vertical components averaged values.
EFFECT: technical result is expansion of functional capabilities.
1 cl

Description

Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления относится к метеорологии и предназначен для измерения параметров ветра в заданной точке.The method for determining the averaged values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction relates to meteorology and is intended to measure wind parameters at a given point.

Известны способы и устройства для определения скорости и направления ветра путем использования воздушных шаров или радиозондов (Патент на изобретение РФ №2101736, МПК G01W 1/02, 01.10.1998, патенты на полезные модели №103195, МПК G01W 1/08, 01.12.2010, №92204, МПК G01W 1/02, 10.03.2010).Known methods and devices for determining the speed and direction of the wind by using balloons or radiosondes (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2101736, IPC G01W 1/02, 10/01/1998, utility patents No. 103195, IPC G01W 1/08, 12/01/2010 No. 92204, IPC G01W 1/02, 03/10/2010).

Недостатком таких технических решений является сложность в обеспечении неподвижности зонда относительно окружающей среды, что снижает точность определения искомых величин.The disadvantage of such technical solutions is the difficulty in ensuring the immobility of the probe relative to the environment, which reduces the accuracy of determining the desired values.

Наиболее близким является способ, описанный в устройстве для определения скорости и направления ветра на заданной высоте, который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в запуске зонда в интересующую область пространства на заданную высоту с помощью специальных средств, обеспечении движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и регистрации скорости и направления ветра с помощью специальных средств. Зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом (Патент РФ 98256, МПК G01W 1/00, 27.04.2010).The closest is the method described in the device for determining the speed and direction of the wind at a given height, which is selected as a prototype. The method consists in launching the probe into the desired region of space to a predetermined height using special means, ensuring the probe moves in the horizontal direction in the wind and recording the speed and direction of the wind using special means. The probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass (RF Patent 98256, IPC G01W 1/00, 04/27/2010).

Недостатком прототипа является невозможность определения вертикальной составляющей скорости ветра и сложность приведения движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и обеспечения его неподвижности относительно окружающей среды.The disadvantage of the prototype is the inability to determine the vertical component of the wind speed and the difficulty of bringing the probe in the horizontal direction in the wind and ensuring its immobility relative to the environment.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности следования зонда за движением окружающей среды, обеспечивая его неподвижность относительно окружающей среды.The objective of the invention is the expansion of functionality, improving the accuracy of the probe following the movement of the environment, ensuring its immobility relative to the environment.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно измерения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления в заданной точке.The technical result is the expansion of functionality, namely measuring the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction at a given point.

Технический результат достигается тем, что, как и в известном способе определения усредненных значений скорости и направления ветра, запускают зонд в интересующую область пространства на заданную высоту, обеспечивают движение зонда по ветру, отслеживают траекторию его движения под действием ветра, направляя информацию на радиоприемную систему, при этом зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом.The technical result is achieved by the fact that, as in the known method for determining the averaged values of wind speed and direction, a probe is launched into a region of space of interest to a predetermined height, the probe moves in the wind, and its trajectory is monitored by the wind, directing information to the radio receiving system, the probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass.

В отличие от известного способа, в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный зависать в воздухе и возвращаться в заданную точку пространства. По достижении необходимой высоты и географических координат БПЛА переводят в режим удержания горизонтального положения и нулевой плавучести, который характеризуется равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги и веса БПЛА. Затем, через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, которое определяют эмпирически, по исчезновению ускорения, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту, долготу и высоту первой точки и текущее время, а через определенное методикой время измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.Unlike the known method, an unmanned aerial vehicle (UAV) of a multi-rotor type, capable of hovering in the air and returning to a given point in space, is used as a probe. Upon reaching the required height and geographical coordinates, the UAVs are transferred to the horizontal position and zero buoyancy holding mode, which is characterized by equality in absolute value and opposite in direction of the thrust vector and UAV weight. Then, after the time necessary to equalize the speed of the UAV relative to the wind, which is determined empirically, by the disappearance of acceleration, the latitude, longitude and height of the first point and the current time are measured using a satellite navigation system, and after a certain time, the latitude, longitude, and height of the second are measured points and current time, after which, solving the inverse geodesic problem, calculate the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction.

Движение БПЛА в описанном выше режиме соответствует усредненному движению ветра в данной области пространства. Для определения направления и величины трехмерного вектора средней скорости ветра необходимо рассматривать такие показания навигационных приборов, как широта, долгота и высота.The UAV movement in the mode described above corresponds to the average wind movement in a given area of space. To determine the direction and magnitude of the three-dimensional vector of the average wind speed, it is necessary to consider such indications of navigation devices as latitude, longitude and altitude.

Для выполнения работ по определению усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления предлагается применять БПЛА мультироторного типа с электрической силовой установкой, которые оснащаются системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным компасом и высотомером. В комплект комплекса дистанционного мониторинга должны входить: летательный аппарат, расположенный в защитном кейсе весом не более 20 кг, удобном для переноски в полевых условиях; наземная станция управления (НСУ) с ноутбуком специального исполнения (противоударное, пылевлагозащитное исполнение); зарядная станция (зарядное устройство) с комплектом аккумуляторных батарей для БПЛА; комплект запасных частей и вспомогательного оборудования для проведения мелкого ремонта в полевых условиях; руководство по летной эксплуатации, паспорта и формуляры на БПЛА.To perform work on determining the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction, it is proposed to use multi-rotor UAVs with an electric power plant, which are equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic compass and an altimeter. The set of the remote monitoring complex should include: an aircraft located in a protective case weighing no more than 20 kg, convenient for carrying in the field; ground control station (NSU) with a laptop of special design (shockproof, dust and moisture protection); charging station (charger) with a set of batteries for the UAV; a set of spare parts and auxiliary equipment for minor repairs in the field; flight operation manual, passports and UAV forms.

В дополнительное оснащение комплекса дистанционного мониторинга рекомендуется включать: малогабаритную бензоэлектростанцию мощностью не менее 1 кВт или дополнительный автомобильный аккумулятор емкостью не менее 55 А/час, весом не более 20 кг (для работы в полевых условиях в случае отсутствия автомобиля, или невозможности подъезда автомобиля к месту старта); съемный носитель информации; спутниковый навигатор (ГЛОНАСС/GPS); 2-3 комплекта «радиомаяка» с индивидуальным питанием и продолжительностью их работы не менее 6 часов, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускает их применение; 2-3 съемных флеш-карты памяти объемом не менее 16 Гб для записи видео-(фото) информации на борту БПЛА, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускает их применение; антенный кабель-удлинитель длиной 15-20 м с усилителем сигнала для увеличения высоты подъема антенны в полевых условиях, если конструкция и программное обеспечение НСУ допускает их применение.It is recommended to include in the additional equipment of the remote monitoring complex: a small-sized gas-fired power station with a capacity of at least 1 kW or an additional car battery with a capacity of at least 55 A / hour and weighing no more than 20 kg (for working in the field in the absence of a car, or the inability to drive the car to a place start); removable storage medium; satellite navigator (GLONASS / GPS); 2-3 sets of “beacon” with individual power supply and a duration of at least 6 hours, if the design and software of the UAV allows their use; 2-3 removable flash memory cards of at least 16 GB for recording video (photo) information on board the UAV, if the design and software of the UAV allows their use; antenna extension cable 15-20 m long with a signal amplifier to increase the height of the antenna in the field, if the design and software of the NSU allows their use.

Способ осуществлялся следующим образом.The method was carried out as follows.

1. В точку измерения запустили БПЛА мультироторного типа, способный зависать в воздухе и возвращаться в заданную точку пространства, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп и магнитный компас.1. A multi-rotor UAV was launched at the measurement point, capable of hovering in the air and returning to a given point in space, which has a satellite navigation system, a gyroscope and a magnetic compass.

2. При достижении БПЛА нужной точки с заранее выбранными географическим координатами перевели БПЛА в режимы горизонтального положения удержания и «нулевой плавучести», который характеризуется равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги и веса БПЛА. Через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра (момент времени определили эмпирически, по исчезновению ускорения), начали фиксацию показаний бортовых навигационных приборов. Фиксируемые показания содержат данные как о горизонтальном (широта-долгота), так и о вертикальном (высота) положении БПЛА.2. When the UAV reaches the desired point with preselected geographical coordinates, the UAV is transferred to the horizontal holding and “zero buoyancy” modes, which is characterized by equality in absolute value and opposite in direction of the thrust vector and UAV weight. After the time required to equalize the speed of the UAV relative to the wind (the time was determined empirically, by the disappearance of acceleration), we began to fix the readings of the on-board navigation devices. The recorded readings contain data on both the horizontal (latitude-longitude) and vertical (height) position of the UAV.

3. Принимая зафиксированные показания навигационных приборов соответствующими характеристикам ветра в рассматриваемой области, определили направление и величину трехмерного вектора средней скорости ветра.3. Taking the recorded readings of navigation instruments corresponding to the wind characteristics in the considered area, we determined the direction and magnitude of the three-dimensional vector of the average wind speed.

4. Исходные данные передавали на наземную станцию управления по штатному радиоканалу (телеметрия).4. The source data was transmitted to the ground control station via a standard radio channel (telemetry).

Можно вернуть БПЛА в исходную точку и повторить пункты 1…3, либо переместить БПЛА в новую точку измерения, либо осуществить приземление БПЛА для замены аккумуляторных батарей.You can return the UAV to the starting point and repeat steps 1 ... 3, or move the UAV to a new measurement point, or make the UAV land to replace the batteries.

Данный алгоритм может выполняться автоматически, по программе.This algorithm can be performed automatically, according to the program.

Измеренные величины передаются наземной станции управления с телеметрией и анализируются автоматически в режиме реального времени.The measured values are transmitted to the ground control station with telemetry and analyzed automatically in real time.

Таким образом может быть рассчитана усредненная скорость ветра на заданной высоте с усреднением неравномерности движения БПЛА по траектории с учетом не только горизонтальной, но и вертикальной составляющей скорости.Thus, the averaged wind speed at a given height can be calculated by averaging the uneven movement of the UAV along the trajectory, taking into account not only the horizontal, but also the vertical component of the speed.

В качестве БПЛА использован гексакоптер DJI Spreading Wings S900 с доработанным программным обеспечением.As a UAV, a DJI Spreading Wings S900 hexacopter with modified software was used.

Возможен вариант, в котором измеряемые величины записываются на сменный носитель, устанавливаемый на БПЛА. Расчеты ведутся после посадки БПЛА.A variant is possible in which the measured values are recorded on removable media mounted on the UAV. Calculations are carried out after landing UAV.

Дополнительные достоинства: независимость от состояния облачности, тумана; произвольный выбор точки измерения; управляемый возврат зонда в точку старта по завершении измерений.Additional advantages: independence from cloudiness, fog; arbitrary choice of measuring point; controlled return of the probe to the starting point upon completion of measurements.

Claims (1)

Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления, по которому в интересующую область пространства запускают зонд, движущийся под действием ветра и снабженный навигационными приборами, отличающийся тем, что в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный зависать и возвращаться в заданную точку пространства, при достижении БПЛА нужной точки с заранее выбранными географическим координатами его переводят в режим удержания горизонтального положения и “нулевой плавучести”, характеризующийся равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги БПЛА и его веса, затем через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, которое определяют эмпирически по исчезновению ускорения, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту, долготу и высоту первой точки и текущее время, а затем измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.A method for determining the averaged values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction, in which a probe is launched into an area of space, moving under the influence of wind and equipped with navigation devices, characterized in that a multi-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) is used as a probe, capable of hover and return to a given point in space, when the UAV reaches the desired point with pre-selected geographical coordinates, it is put into hold mode horizontal position and “zero buoyancy”, characterized by equality in absolute value and opposite in direction of the UAV thrust vector and its weight, then after the time required to equalize the speed of the UAV relative to the wind, which is determined empirically from the disappearance of acceleration, measure the latitude using a satellite navigation system , the longitude and height of the first point and the current time, and then measure the latitude, longitude, height of the second point and the current time, after which, solving the inverse geodesic problem, calculate the average dnennye the horizontal and vertical components of wind velocity and direction.
RU2016119943A 2016-05-23 2016-05-23 Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination RU2650094C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119943A RU2650094C2 (en) 2016-05-23 2016-05-23 Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119943A RU2650094C2 (en) 2016-05-23 2016-05-23 Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016119943A RU2016119943A (en) 2017-11-28
RU2650094C2 true RU2650094C2 (en) 2018-04-06

Family

ID=60580691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119943A RU2650094C2 (en) 2016-05-23 2016-05-23 Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2650094C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2727315C1 (en) * 2019-12-13 2020-07-21 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
RU2744772C1 (en) * 2020-08-12 2021-03-15 Открытое акционерное общество "Радиоавионика" Method for determining wind speed and direction using unmanned aircraft

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU593150A1 (en) * 1976-03-05 1978-02-15 Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения Method of measuring mean direction and velocity of wind
RU2013151242A (en) * 2013-11-18 2015-05-27 Открытое акционерное общество "Радиозавод" METHOD FOR DETERMINING SPEED AND DIRECTION OF WIND
CN205139164U (en) * 2015-11-20 2016-04-06 中国计量学院 Particle image velocimetry detecting system based on unmanned aerial vehicle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU593150A1 (en) * 1976-03-05 1978-02-15 Центральное конструкторское бюро гидрометеорологического приборостроения Method of measuring mean direction and velocity of wind
RU2013151242A (en) * 2013-11-18 2015-05-27 Открытое акционерное общество "Радиозавод" METHOD FOR DETERMINING SPEED AND DIRECTION OF WIND
CN205139164U (en) * 2015-11-20 2016-04-06 中国计量学院 Particle image velocimetry detecting system based on unmanned aerial vehicle

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2727315C1 (en) * 2019-12-13 2020-07-21 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
RU2744772C1 (en) * 2020-08-12 2021-03-15 Открытое акционерное общество "Радиоавионика" Method for determining wind speed and direction using unmanned aircraft

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016119943A (en) 2017-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10852364B2 (en) Interference mitigation in magnetometers
CN103557871B (en) A kind of lighter-than-air flight aerial Initial Alignment Method of device inertial navigation
CN103472503B (en) Sonde and upper air wind finding method based on INS
CN105737828A (en) Combined navigation method of joint entropy extended Kalman filter based on strong tracking
CN107179775B (en) Multi-angle earth surface spectrum automatic measurement system and method based on unmanned aerial vehicle
CN103487822A (en) BD/DNS/IMU autonomous integrated navigation system and method thereof
CN204173162U (en) Based on the vehicular photoelectric reconnaissance system of multi-rotor aerocraft
JP2015512818A (en) Wind calculation system using steady bank angle turning
JP6347469B2 (en) Weather observation system
Nguyen Loosely coupled GPS/INS integration with Kalman filtering for land vehicle applications
US20130158749A1 (en) Methods, systems, and apparatuses for measuring fluid velocity
RU2616352C1 (en) Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction
CN105242682A (en) Target characteristic measurement system for drone aircraft
Hirokawa et al. A Low‐Cost Tightly Coupled GPS/INS for Small UAVs Augmented with Multiple GPS Antennas
RU2650094C2 (en) Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination
RU2600519C1 (en) Method for determination of averaged values of wind speed and direction
RU2617020C1 (en) Method for determining averaged wind speed vector
WO2014207492A1 (en) Measurement data collection method and system for spatially detecting atmosphere properties
RU2727315C1 (en) Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
RU2695698C1 (en) Method for determining averaged wind speed vector using an unmanned aerial vehicle
RU2501031C2 (en) Method for flight inspection of ground-based radio flight support equipment and apparatus for realising said method
RU2487316C1 (en) Method to use universal system of survey control and navigation
Świerczynski et al. Determination of the position using receivers installed in UAV
Koh et al. Performance Validation and Comparison of range/INS integrated system in urban navigation environment using Unity3D and PILS
RU2632270C1 (en) Method of average wind velocity determination by dint of unmanned aerial vehicle