RU2727315C1 - Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere - Google Patents
Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727315C1 RU2727315C1 RU2019141897A RU2019141897A RU2727315C1 RU 2727315 C1 RU2727315 C1 RU 2727315C1 RU 2019141897 A RU2019141897 A RU 2019141897A RU 2019141897 A RU2019141897 A RU 2019141897A RU 2727315 C1 RU2727315 C1 RU 2727315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- uav
- wind
- meteorological
- measurements
- atmosphere
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01W—METEOROLOGY
- G01W1/00—Meteorology
- G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01W—METEOROLOGY
- G01W1/00—Meteorology
- G01W1/08—Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к области мониторинга метеорологической обстановки и может быть использовано для повышения точности экологических прогнозов загрязнения окружающей среды вредными примесями от аварийных источников, местоположение которых неизвестно заранее, например для прогноза радиационной обстановки от выбросов радиоактивных веществ при транспортных авариях радиационно-опасных грузов в пределах пограничного слоя атмосферы.The invention relates to the field of monitoring meteorological conditions and can be used to improve the accuracy of environmental predictions of environmental pollution by harmful impurities from emergency sources, the location of which is unknown in advance, for example, to predict the radiation situation from emissions of radioactive substances in transport accidents of radiation hazardous cargo within the boundary layer atmosphere.
Уровень техники.State of the art.
Отсутствие технических средств, позволяющих провести оперативные градиентные метеорологические измерения в районе нахождения аварийного источника загрязнения окружающей среды, местоположение которого неизвестно заранее, вынуждает, при прогнозировании экологической обстановки прибегать к оцениванию метеорологических параметров по полуэмпирическим моделям без проведения метеорологических наблюдений непосредственно в месте проведения аварийно-спасательных работ. Например, в случаях радиационных аварий при расчетах в качестве исходных данных используют результаты градиентных измерений, проводимых в приземном слое атмосферы на высотах от 0,5 до 10 м на стационарных метеорологических постах, ближайших к аварийному источнику аварийных выбросов [1].The lack of technical means allowing to carry out operational gradient meteorological measurements in the area where an emergency source of environmental pollution is located, the location of which is unknown in advance, makes it necessary, when predicting the ecological situation, to resort to estimating meteorological parameters using semi-empirical models without conducting meteorological observations directly at the place of emergency rescue operations ... For example, in cases of radiation accidents, in the calculations, the results of gradient measurements carried out in the surface layer of the atmosphere at heights from 0.5 to 10 m at stationary meteorological posts closest to the emergency source of emergency emissions are used as initial data [1].
Известны стационарные технические системы контроля за экологической обстановкой в районах размещения радиационно- и химически-опасных объектов, которые включают в себя датчики метеорологических параметров (Патент на полезную модель РФ 85002, 20.07.2009, G01W 1/11; Патент на полезную модель РФ 61448, 27.02.2007, G08C 19/00). Известна Автоматизированная система контроля радиационной обстановки (АСКРО), включающая систему метеорологических датчиков, окружающих атомные электростанции (АЭС), которые осуществляют градиентные измерения температуры воздуха и скорости ветра на высотах 0,5 и 2 м [1]. Недостатком рассмотренных технических систем контроля экологической обстановки является ограничение высоты проведения измерений (до 8-10 м) и необходимость заблаговременного размещения датчиков в районах нахождения радиационно-опасных объектов.Known stationary technical systems for monitoring the environmental situation in areas where radiation and chemically hazardous objects are located, which include sensors of meteorological parameters (Patent for utility model RF 85002, 20.07.2009, G01W 1/11; Patent for utility model RF 61448, 27.02.2007, G08C 19/00). Known Automated radiation monitoring system (ARMS), including a system of meteorological sensors surrounding nuclear power plants (NPP), which carry out gradient measurements of air temperature and wind speed at heights of 0.5 and 2 m [1]. The disadvantage of the considered technical systems for monitoring the environmental situation is the limitation of the measurement height (up to 8-10 m) and the need to place sensors in advance in the areas where radiation hazardous objects are located.
Известны дистанционные способы измерения характеристик ветрового потока и турбулентности атмосферы лидарными и радарными системами (Патент РФ 2494422, 27.09.2013, G01W /00; Патент РФ 2602730, 20.11.2016, G01W /00; Патент РФ 2405172, 27.11.2010, G01S 17/95, G01P 5/26; Патент РФ 24004435, 04.06.2009, G01P 5/22). Недостатками лидарных и радарных систем является их высокая стоимость и массогабаритные характеристики, требующие привлечения дополнительных транспортных средств.Known remote methods for measuring the characteristics of wind flow and atmospheric turbulence with lidar and radar systems (RF Patent 2494422, 09/27/2013, G01W / 00; RF Patent 2602730, 11/20/2016, G01W / 00; RF Patent 2405172, 11/27/2010,
Известны способы контроля за метеорологической обстановкой и переносом примесей в атмосфере с помощью шаров-зондов (Патент на полезную модель РФ 92204, 10.03.2010, G01W 1/02; Патент РФ 2274880, 20.04.2006, G01W 1/02; Патент на полезную модель РФ 98256, 10.10.2010, G01W 1/00). Недостатком способов является низкая оперативность измерений и необходимость применения специального оборудования и баллонов с гелием, которые являются объектами повышенной взрыво- и пожаро-опасности.There are known methods of monitoring the meteorological situation and the transfer of impurities in the atmosphere using balloons (Patent for utility model RF 92204, 10.03.2010, G01W 1/02; Patent RF 2274880, 20.04.2006, G01W 1/02; Patent for utility model RF 98256, 10.10.2010, G01W 1/00). The disadvantage of these methods is the low efficiency of measurements and the need to use special equipment and helium cylinders, which are objects of increased explosion and fire hazard.
Аналог.Analog.
Аналогами предлагаемого способа являются способы определения скорости и направления ветра летательными аппаратами, в том числе беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) вертикального или горизонтального типов взлета, на основе анализа характеристик их полета (смещение под воздействием силы ветра относительно ориентиров, зависимость наклона вектора тяги от скорости ветра) или использования специальных технических средств измерений [2, 3].Analogs of the proposed method are methods for determining the speed and direction of the wind by flying vehicles, including unmanned aerial vehicles (UAVs) of vertical or horizontal types of takeoff, based on the analysis of their flight characteristics (displacement under the influence of wind force relative to landmarks, dependence of the slope of the thrust vector on wind speed ) or the use of special technical measuring instruments [2, 3].
Известны способы определения усредненных значений скорости ветра (Патент РФ 2600519, 20.10.2016, G01W 1/00, Патент РФ 2650094, 06.04.2018, G0W 1/08, G01P 5/00, Патент РФ 2632270, 03.10.2017, G0W 1/08, G01P 5/00), заключающиеся в том, что в качестве зонда используют БПЛА мультироторного типа, способный зависать в заданной точке пространства и способ (Патент РФ 2206112, 10.06.2003, G01W 1/00), заключающийся в том, что измеряют скорость ветра летательным аппаратом самолетного типа по отклонению маршрута от заданного курса за определенный период времени. В указанных способах решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления. Измерения скорости ветра осуществляют в свободной атмосфере, в которой пренебрегают влиянием орографии на ветровой поток.Known methods for determining the average values of wind speed (RF Patent 2600519, 20.10.2016, G01W 1/00, RF Patent 2650094, 04/06/2018, G0W 1/08,
Прототип.Prototype.
Наиболее близким аналогом является «Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющей скорости ветра и его направления» (Патент РФ 2616352, 14.02.2017, G01W 1/08), заключающийся в том, что в заданную точку пространства запускают БПЛА мультироторного типа, снабженный навигационными приборами, способный возвращаться в заданную точку, переводят БПЛА в режим удержания горизонтального положения и «нулевой плавучести». Спустя время, необходимое для уравнивая скорости БПЛА относительно ветра, с помощью системы спутниковой навигации измеряют координаты первой точки и текущее время, спустя время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси измеряют координаты второй точки и текущее время. Полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего значения компонент скорости ветра и его направления находят, решая обратную геодезическую задачу.The closest analogue is the "Method for determining the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction" (RF Patent 2616352, 02/14/2017, G01W 1/08), which consists in the fact that a multi-rotor UAV equipped with navigation devices, capable of returning to a given point, transfer the UAV to the mode of keeping the horizontal position and "zero buoyancy". After the time required to equalize the speed of the UAV relative to the wind, using a satellite navigation system, the coordinates of the first point and the current time are measured, after a time that is a multiple of a full revolution of the apparatus around the vertical axis, the coordinates of the second point and the current time are measured. The complete revolution and direction of the UAV are determined using an electronic magnetic compass, after which the values of the components of the wind speed and its direction are found by solving the inverse geodetic problem.
Недостатком прототипа является то, что достоверные данные о вертикальном распределении параметров ветра возможно получить только для свободной атмосферы. На результаты измерений БПЛА в зависании в пограничном слое атмосферы неизбежно окажет влияние характер местности, что исказит получаемый вертикальный профиль ветра [3]. Кроме того, проведение измерений только с использованием БПЛА не позволит получить данные о метеорологических параметрах вблизи поверхности земли.The disadvantage of the prototype is that reliable data on the vertical distribution of wind parameters can be obtained only for a free atmosphere. The results of measurements of the UAV in hovering in the boundary layer of the atmosphere will inevitably be influenced by the nature of the terrain, which will distort the resulting vertical wind profile [3]. In addition, taking measurements only with the use of UAVs will not allow obtaining data on meteorological parameters near the earth's surface.
Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении функциональных возможностей БПЛА и увеличении объема информации, а именно в возможности определения с помощью БПЛА усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы в районах выбросов загрязняющих веществ от аварийных источников от поверхности земли до требуемой для выполнения достоверного экологического прогноза высоты.The technical result of the proposed method consists in expanding the functionality of the UAV and increasing the amount of information, namely, in the possibility of determining, using the UAV, the averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere in the areas of emissions of pollutants from emergency sources from the earth's surface to the altitude required to perform a reliable environmental forecast ...
Цель изобретения - повышение достоверности прогноза экологической обстановки путем повышения достоверности исходных данных о метеорологической обстановке в районе нахождения аварийного источника вредных выбросов.The purpose of the invention is to increase the reliability of the forecast of the ecological situation by increasing the reliability of the initial data on the meteorological situation in the area where the emergency source of harmful emissions is located.
Способ достижения технического результата.A way to achieve a technical result.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения метеорологических параметров в слое атмосферы от поверхности земли до высоты подъема облака загрязняющих примесей осуществляют одновременно двумя техническими средствами. В приземном слое измерения осуществляют средствами метеорологического комплекта (МК), высотные измерения проводят средствами БПЛА. Оперативность обработки данных достигается тем, что цифровые каналы связи и электронные вычислительные комплексы обеспечивают обработку данных в режиме реального времени.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed method for measuring meteorological parameters in the atmospheric layer from the earth's surface to the height of the rise of the cloud of pollutants is carried out simultaneously by two technical means. In the surface layer, measurements are carried out by means of a meteorological kit (MC), altitude measurements are carried out by means of a UAV. Efficiency of data processing is achieved by the fact that digital communication channels and electronic computing systems provide data processing in real time.
Предлагаемый способ отличается тем, что одновременно проводят измерения метеорологических параметров в однородном ветровом потоке в приземном слое атмосферы и на любых требуемых высотах в непосредственной близости от аварийного источника вредных выбросов в период времени, соответствующий времени развития аварии и формирования загрязнения, с учетом влияния орографии на результаты измерений. Сущность изобретения.The proposed method differs in that at the same time measurements of meteorological parameters are carried out in a homogeneous wind flow in the surface layer of the atmosphere and at any required altitudes in the immediate vicinity of the emergency source of harmful emissions in a time period corresponding to the time of the accident development and the formation of pollution, taking into account the influence of orography on the results measurements. The essence of the invention.
Сущность способа схематично поясняется на фигурах:The essence of the method is schematically illustrated in the figures:
на фиг. 1 - показаны схема проведения измерений в районе нахождения аварийного источника выбросов и схема местности, влияющей на формирование ветрового потока в точке измерения скорости ветра в приземном слое;in fig. 1 shows a diagram of measurements in the area where an emergency source of emissions is located and a diagram of the terrain influencing the formation of a wind flow at the point of measuring the wind speed in the surface layer;
на фиг. 2 - показана зависимость ширины района, влияющего на формирование ветрового потока в точке измерения, от высоты проведения измерений;in fig. 2 - shows the dependence of the width of the region, influencing the formation of the wind flow at the measurement point, on the height of the measurements;
на фиг. 3 - сплошной линией показана схема полетного задания для БПЛА, штриховой линией - маршрут полета БПЛА под влиянием ветрового потока;in fig. 3 - the solid line shows the scheme of the flight task for the UAV, the dashed line - the route of the UAV flight under the influence of the wind flow;
на фиг. 4 - показан комплекс технических средств и схема их взаимодействия в процессе измерения усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы.in fig. 4 shows a set of technical means and a diagram of their interaction in the process of measuring averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere.
Известно, что препятствия на местности с наветренной стороны от места установки датчика приводят к искажению измеряемого профиля ветра [4]. При выборе места для проведения измерений следует выбирать участок местности с наветренной стороны относительно района нахождения аварийного источника вредных выбросов, показанный на фиг. 1, такой, чтобы в зоне, воздействующей на ветер в точке М на высоте z, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности или участок местности был типичным для района аварии. В полевых условиях в целях оперативности при выборе места установки датчиков целесообразно пользоваться грубым правилом, предложенным Бызовой Н.Л. [4]: первая реакция на перемену высоты шероховатости на высоте z проявляется на расстоянииIt is known that obstacles on the ground from the windward side of the sensor installation site lead to distortion of the measured wind profile [4]. When choosing a place for measurements, one should select a site on the windward side relative to the location of the emergency source of harmful emissions, shown in Fig. 1, such that in the zone acting on the wind at point M at height z, there is a minimum number of jumps in surface roughness or the terrain is typical for the accident area. In the field, for the purpose of efficiency, when choosing a place for installing sensors, it is advisable to use a rough rule proposed by N.L. Byzova. [4]: the first reaction to a change in the roughness height at a height z is manifested at a distance
от места перемены, а полное приспособление наступает на расстоянииfrom the place of change, and full adaptation occurs at a distance
Ориентировочные размеры ширины с зоны, оказывающей влияние на ветровой поток в точке измерения на высоте z, приведены на графике фиг. 2, построенном по эмпирическим данным, полученным Пасквиллом для безразличной стратификации атмосферы.The approximate dimensions of the width c of the zone influencing the wind flow at the measurement point at height z are shown in the graph of FIG. 2, constructed from empirical data obtained by Pasquill for the indifferent stratification of the atmosphere.
Если высота препятствий на местности значительная (лес, строения), для оценки минимальной высоты проведения измерений z можно воспользоваться формулой [5]If the height of obstacles on the terrain is significant (forest, buildings), to estimate the minimum height of measurements z, you can use the formula [5]
где z0 - высота шероховатости поверхности в зоне, оказывающей влияние на формирование ветрового потока, α - коэффициент, учитывающий реальные параметры местности, а - расстояние от места проведения измерений до скачка высоты шероховатости.where z 0 is the height of the surface roughness in the zone influencing the formation of the wind flow, α is the coefficient that takes into account the real parameters of the terrain, and is the distance from the measurement site to the jump in the roughness height.
Очевидно, что чем ниже точка измерения, тем больше вероятность найти площадку, характеризующуюся однородным типом подстилающей поверхности. Результаты измерений, проведенные на более значительных высотах (более 8 м), неизбежно будут искажены особенностями местности - рельефом, наличием скачков шероховатости (лес/пашня и т.п.) и смены сред (вода/суша). Известны способы осреднения скорости ветра по некоторой площади по градиентным измерениям, проведенным в нескольких пунктах [4].Obviously, the lower the measurement point, the more likely it is to find an area characterized by a uniform type of underlying surface. The results of measurements carried out at higher altitudes (more than 8 m) will inevitably be distorted by terrain features - relief, the presence of roughness jumps (forest / arable land, etc.) and a change in media (water / land). There are known methods of averaging the wind speed over a certain area using gradient measurements carried out at several points [4].
Применение БПЛА позволяет усреднить скорость ветра по некоторой траектории полета. Снижение влияния местности на получаемый профиль ветра осуществляется путем осреднения скорости ветра по некоторой площади, центральная часть которой должна находиться над местом установки метеорологической мачты МК. Схема маршрута приведена на фиг. 3, где 1 - заданный курс полета, 2 - траектория полета под влиянием ветрового потока, 3 - направление ветра. Курсы полета (линии 1) прокладываются по прямым линиям, проходящим через точку, находящуюся вертикально над метеорологической мачтой МК, под углами кратными⋅45 градусам относительно курса на магнитный полюс Земли. Скорость и направление ветра uп рассчитывают известными способами путем решения обратной геодезической задачи по отклонению маршрутов полета (2 фиг. 3) от заданного маршрута (1 фиг. 3) за фиксированное время полета Δt.The use of a UAV allows the wind speed to be averaged along a certain flight path. Reducing the effect of the terrain on the resulting wind profile is carried out by averaging the wind speed over a certain area, the central part of which should be located above the installation site of the meteorological mast MK. The route diagram is shown in Fig. 3, where 1 is a given flight path, 2 is a flight trajectory under the influence of a wind flow, 3 is a wind direction. Flight courses (line 1) are laid along straight lines passing through a point located vertically above the meteorological mast MK, at angles that are multiples of 45 degrees relative to the course to the Earth's magnetic pole. The speed and direction of the wind u p is calculated by known methods by solving the inverse geodetic problem of deviating flight routes (2 in Fig. 3) from a given route (1 in Fig. 3) for a fixed flight time Δt.
Обработка данных осуществляется специальным программным обеспечением в режиме реального времени по данным, поступающим по радиоканалу связи на наземный вычислительный комплекс (НВК).Data processing is carried out by special software in real time according to the data received via the radio communication channel to the ground computing complex (NVC).
Схема взаимодействия технических средств в процессе проведения метеорологических измерений приведена на фиг. 4. Технический комплекс для определения усредненных значений метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы включает: НВК со специальным программным обеспечением (поз. 1); комплекс средств автоматизации сбора, передачи и приема телеметрических данных от метеорологических датчиков, включающего помехоустойчивую аппаратуру передачи данных и средство радиосвязи (поз. 2); МК с метеорологической мачтой (поз. 3); БПЛА, оснащенный системой крепления метеорологических и навигационных датчиков, электронными гироскопом, электронным магнитным компасом, высотометром (поз. 4); наземную станцию управления БПЛА (поз. 5); целевую метеорологическую нагрузку БПЛА, в состав которой входят термометр, барометр, психрометр, с возможностью передачи данных в телекодовый канал связи по цифровым стандартным интерфейсам (поз. 6); навигационную систему БПЛА с дециметровой точностью позиционирования (поз. 7).The scheme of interaction of technical means in the process of carrying out meteorological measurements is shown in Fig. 4. The technical complex for determining the averaged values of meteorological parameters in the atmospheric boundary layer includes: NVK with special software (pos. 1); a set of automation tools for collecting, transmitting and receiving telemetric data from meteorological sensors, including anti-jamming equipment for data transmission and a radio communication device (item 2); MK with a meteorological mast (pos. 3); UAV equipped with a meteorological and navigation sensor mounting system, electronic gyroscope, electronic magnetic compass, altimeter (pos. 4); UAV ground control station (pos. 5); target meteorological load of the UAV, which includes a thermometer, barometer, psychrometer, with the ability to transmit data to a telecode communication channel via digital standard interfaces (pos. 6); UAV navigation system with decimeter positioning accuracy (pos. 7).
Дециметровая точность позиционирования по сигналам космических навигационных систем может достигаться за счет режима относительной навигации по специально развернутым в зоне действия БПЛА базовым (рефрентным) станциям, либо по имеющимся региональным навигационным сетям высокоточного позиционирования гражданского назначения, либо совместного использования инерциальной и космической навигационных систем.Decimeter positioning accuracy based on signals from space navigation systems can be achieved through the mode of relative navigation through base (reference) stations specially deployed in the UAV's coverage area, or through existing regional navigation networks for high-precision positioning for civil purposes, or the joint use of inertial and space navigation systems.
Вертикальные профили метеорологических параметров аппроксимируют по измерениям, проведенным на трех или более высотах, известными методами, например, методом наименьших квадратов.Vertical profiles of meteorological parameters are approximated from measurements taken at three or more heights using known methods, for example, the method of least squares.
Способ осуществляется следующим образом:The method is carried out as follows:
1 По прибытии к месту аварии выбирают место проведения измерений средствами МК, такое, чтобы в зоне, влияющей на формирование ветрового потока в месте проведения измерений, было минимальное количество скачков шероховатости поверхности, отсутствовали участки смены сред, или участок местности был типичным для района аварии. Площадь зоны с наветренной стороны относительно места аварии определяют с учетом правил, определенных формулами (1) - (3), и зависимости на фиг. 3.1 Upon arrival at the place of the accident, the place of measurement by means of MC is chosen, such that in the zone influencing the formation of the wind flow at the place of measurements, there is a minimum number of jumps in surface roughness, there are no areas of changing media, or the terrain is typical for the area of the accident. The area of the zone from the windward side with respect to the accident site is determined taking into account the rules determined by formulas (1) - (3), and the dependence in Fig. 3.
2 Специальным программным обеспечением НВК рассчитывают полетное задание БПЛА в соответствии со схемой фиг.4 и временем, отведенным на измерения, для двух или более высот полета. Маршруты задают географическими координатами точек начала маршрутов в выбранной системе координат и курсом полета. Курсы полета (линии 1) прокладываются по прямым линиям, проходящим через точку, находящуюся вертикально над метеорологической мачтой МК, например, под углами 0, 45, 90, 135 градусов относительно направления на магнитный полюс Земли. Полетное задание передают на станцию управления БПЛА.2 Special software NVK calculate the flight task of the UAV in accordance with the scheme of Fig. 4 and the time allotted for measurements for two or more flight altitudes. Routes are set by the geographic coordinates of the route origin points in the selected coordinate system and by the flight path. Flight courses (lines 1) are laid along straight lines passing through a point located vertically above the meteorological mast MK, for example, at angles of 0, 45, 90, 135 degrees relative to the direction to the Earth's magnetic pole. The flight task is transmitted to the UAV control station.
3 Определяют исходные геодезические данные для места проведения измерений в выбранных системе координат и референц-эллипсоиде.3 Determine the initial geodetic data for the location of the measurements in the selected coordinate system and reference ellipsoid.
4 Осуществляют измерения скорости ветра, температуры, давления и влажности в приземном слое атмосферы средствами МК.4 Carry out measurements of wind speed, temperature, pressure and humidity in the surface layer of the atmosphere by means of MC.
5 Одновременно с п. 4 БПЛА поднимают на первую высоту в первую точку маршрута, определенную полетным заданием.5 Simultaneously with
6 Выполняют полет с постоянными значениями скорости, высоты полета и курса в течение заданного времени Δt.6 Fly at constant values of speed, altitude and heading for a given time Δt.
7 В режиме реального времени с помощью специального программного обеспечения НВК осуществляют сбор и обработку данных, поступающих от метеорологических и навигационных датчиков БПЛА. Вычисляют координату, в которую должен был переместиться БПЛА в отсутствии влияния ветрового потока. Скорость и направление ветра рассчитывают по навигационным данным БПЛА известными способами путем решения обратной геодезической задачи.7 In real time, using special software, the NIAC collects and processes data from meteorological and navigation sensors of the UAV. Calculate the coordinate to which the UAV should have moved in the absence of the influence of the wind flow. Wind speed and direction are calculated from UAV navigation data by known methods by solving an inverse geodetic problem.
8 Перемещают БПЛА в следующую точку полетного задания. Повторяют пункты 6-7 для всех точек на заданной высоте полета.8 Move the UAV to the next point of the flight mission. Repeat steps 6-7 for all points at a given flight altitude.
9 По совокупности измерений рассчитывают среднее значение скорости ветра на высоте полета.9 From the set of measurements, the average wind speed at the flight altitude is calculated.
10 Перемещают БПЛА на следующую высоту проведения измерений в первую точку маршрута. Повторяют п. 6-9 на заданной высоте.10 Move the UAV to the next measurement altitude to the first point of the route. Repeat items 6-9 at a given height.
11 Аппроксимируют вертикальные профили метеорологических параметров по измерениям на трех или более высотах, например, методом наименьших квадратов.11 Fit vertical profiles of meteorological parameters from measurements at three or more heights, for example, using the least squares method.
Рекомендуемое время усреднения измерений скорости ветра анемометром не менее 10 мин. Расчетное время проведения измерений БПЛА на двух высотах и обработки данных при длине маршрутов порядка 0,5 км и крейсерской скорости БПЛА 60 км/ч составит 10-15 мин. Таким образом, время измерений БПЛА соответствует времени измерений МК и требованиям оперативности поступления исходных данных для прогнозирования экологической обстановки.The recommended averaging time for wind speed measurements with an anemometer is at least 10 minutes. The estimated time for UAV measurements at two heights and data processing with a route length of about 0.5 km and a UAV cruising speed of 60 km / h will be 10-15 minutes. Thus, the UAV measurement time corresponds to the MC measurement time and the requirements for the promptness of the initial data receipt for predicting the ecological situation.
Соответствие критерию «новизна».Compliance with the criterion "novelty".
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в известных способах измерений скорости ветра с помощью БПЛА измерения осуществляют в свободной атмосфере, где отсутствует необходимость учитывать влияние особенностей местности на формирование ветрового потока. В отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет минимизировать влияние орографии местности на получаемый профиль ветра при измерениях в пограничном слое атмосферы на высотах более 8 м за счет осреднения измерений скорости ветра по траектории полета БПЛА. В отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет одновременно проводить измерения в приземном слое и на любых требуемых высотах в однородном ветровом потоке в требуемом районе.The proposed technical solution is new, since in the known methods of measuring wind speed using UAVs, measurements are carried out in a free atmosphere, where there is no need to take into account the influence of terrain features on the formation of wind flow. In contrast to the known methods, the proposed method minimizes the effect of the terrain orography on the resulting wind profile when measuring in the boundary layer of the atmosphere at altitudes above 8 m by averaging the wind speed measurements along the UAV flight path. In contrast to the known methods, the proposed method allows simultaneous measurements in the surface layer and at any required heights in a uniform wind flow in the required area.
Соответствие критерию «изобретательский уровень».Compliance with the criterion "inventive step".
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные способы метеорологических измерений позволяют определять усредненные значения метеорологических параметров в пограничном слое атмосферы, включая приземный, используя БПЛА и МК.The proposed technical solution has an inventive step, since it does not explicitly follow from published scientific data and known technical solutions that the claimed methods of meteorological measurements make it possible to determine the averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere, including the surface layer, using UAVs and MCs.
Соответствие критерию «промышленная применимость».Compliance with the criterion "industrial applicability".
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы серийно выпускаемые БПЛА вертикального или горизонтального типа взлета, метеорологические датчики и комплекты для метеорологических измерений.The proposed technical solution is industrially applicable, since for its implementation can be used commercially available UAVs of vertical or horizontal take-off type, meteorological sensors and sets for meteorological measurements.
Реализация способа.Implementation of the method.
Предлагаемый способ может быть реализован техническими средствами из состава мобильных комплексов специальных аварийных формирований ликвидации последствий радиационных аварий или серийно выпускаемыми БПЛА и МК.The proposed method can be implemented by technical means from the mobile complexes of special emergency units for liquidating the consequences of radiation accidents or by serially produced UAVs and MCs.
Технико-экономическая эффективность.Technical and economic efficiency.
Для реализации предлагаемого способа не требуется включение в состав мобильных комплексов специальных аварийных формирований дополнительного дорогостоящего оборудования, при этом повышение достоверности прогноза масштабов загрязнения вредными и опасными веществами позволяет снизить затраты на привлекаемые для инструментального обследования ресурсы, способствует сохранению жизни и здоровья персонала и населения. Расширение перечня функциональных задач БПЛА специальных аварийных формирований способствует повышению эффективности их эксплуатации.To implement the proposed method, it is not required to include additional expensive equipment in the mobile complexes of special emergency formations, while increasing the reliability of the forecast of the scale of pollution with harmful and hazardous substances allows to reduce the costs of resources involved for instrumental examination, helps to preserve the life and health of personnel and the population. Expansion of the list of functional tasks of UAVs of special emergency units contributes to an increase in the efficiency of their operation.
Список литературыList of references
1 Положение о повышении точности прогностических оценок радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население - Вв. в дейст. пр. ФСЭТАН №11 от 15.01.2010 г.1 Regulation on improving the accuracy of predictive assessments of radiation characteristics of radioactive contamination of the environment and dose loads on personnel and population - Vv. in action. FSETAN Ave. No. 11 dated January 15, 2010
2 Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.2 Berlyand M.E. Modern problems of atmospheric diffusion and air pollution. - L .: Gidrometeoizdat, 1975 .-- 448 p.
3 Расторгуев И.П. Беспилотные технологии мониторинга погодных условий. -Гелиогеофизические исследования. - 2014. - Вып. 8. - С. 51-54.3 Rastorguev I.P. Unmanned technologies for monitoring weather conditions. -Heliogeophysical research. - 2014. - Issue. 8. - S. 51-54.
4 Вызова Н.Л, Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 264 с.4 Vyzova N.L., Ivanov V.N., Garger E.K. Turbulence in the atmospheric boundary layer. - L .: Gidrometeoizdat, 1989 .-- 264 p.
5 Кухарец В.П., Цванг Л.Р. Некоторые результаты натурного моделирования воздействия подстилающей поверхности на характеристики турбулентности в приземном слое атмосферы. - Известия АН. Физика атмосферы и океана. - 1994. - Т. 33. - №5. - С. 608-614.5 Kuharets V.P., Tsvang L.R. Some results of full-scale modeling of the influence of the underlying surface on the characteristics of turbulence in the surface layer of the atmosphere. - Izvestiya AN. Physics of the atmosphere and ocean. - 1994. - T. 33. - No. 5. - S. 608-614.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141897A RU2727315C1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019141897A RU2727315C1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2727315C1 true RU2727315C1 (en) | 2020-07-21 |
Family
ID=71741437
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019141897A RU2727315C1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2727315C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112782123A (en) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | System and method for comprehensively detecting atmospheric optical key parameters based on unmanned aerial vehicle technology |
| RU2756031C1 (en) * | 2021-01-11 | 2021-09-24 | Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining the stability class of the atmosphere by measuring meteorological parameters by an unmanned aerial vehicle |
| RU2796383C1 (en) * | 2022-07-25 | 2023-05-22 | Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining hight of roughness of the surface of a reservoir |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2600519C1 (en) * | 2015-08-26 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Method for determination of averaged values of wind speed and direction |
| RU2616352C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction |
| RU2650094C2 (en) * | 2016-05-23 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination |
-
2019
- 2019-12-13 RU RU2019141897A patent/RU2727315C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2600519C1 (en) * | 2015-08-26 | 2016-10-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) | Method for determination of averaged values of wind speed and direction |
| RU2616352C1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-04-14 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction |
| RU2650094C2 (en) * | 2016-05-23 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112782123A (en) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | System and method for comprehensively detecting atmospheric optical key parameters based on unmanned aerial vehicle technology |
| RU2756031C1 (en) * | 2021-01-11 | 2021-09-24 | Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining the stability class of the atmosphere by measuring meteorological parameters by an unmanned aerial vehicle |
| RU2796383C1 (en) * | 2022-07-25 | 2023-05-22 | Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method for determining hight of roughness of the surface of a reservoir |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Shimura et al. | Estimation of wind vector profile using a hexarotor unmanned aerial vehicle and its application to meteorological observation up to 1000 m above surface | |
| Brosy et al. | Simultaneous multicopter-based air sampling and sensing of meteorological variables | |
| US6456226B1 (en) | Nowcast of conviction-induced turbulence using information from airborne radar | |
| Martin et al. | Meteorological profiling of the lower troposphere using the research UAV" M 2 AV Carolo" | |
| Li et al. | Investigating vertical distribution patterns of lower tropospheric PM2. 5 using unmanned aerial vehicle measurements | |
| US6563452B1 (en) | Apparatus and method for determining wind profiles and for predicting clear air turbulence | |
| US20090326792A1 (en) | Method and system for increasing the degree of autonomy of an unmanned aircraft by utilizing meteorological data received from GPS dropsondes released from an unmanned aircraft to determine course and altitude corrections and an automated data management and decision support navigational system to make these navigational calculations and to correct the unmanned aircraft's flight path | |
| RU2727315C1 (en) | Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere | |
| CN103472503A (en) | Sonde and upper-air-wind detecting method based on INS | |
| Pinto et al. | The status and future of small uncrewed aircraft systems (UAS) in operational meteorology | |
| Martin et al. | Observing entrainment processes using a small unmanned aerial vehicle: A feasibility study | |
| RU2471209C1 (en) | Method of monitoring atmospheric air | |
| US20180017392A1 (en) | Apparatus, system, and method for traffic | |
| Markowski et al. | Aboveground thermodynamic observations in convective storms from balloonborne probes acting as pseudo-Lagrangian drifters | |
| Seidel et al. | Mobile measurement techniques for local and micro-scale studies in urban and topo-climatology | |
| Niedzielski et al. | Are estimates of wind characteristics based on measurements with Pitot tubes and GNSS receivers mounted on consumer-grade unmanned aerial vehicles applicable in meteorological studies? | |
| Li et al. | A Study on Measuring the Wind Field in the Air Using a multi-rotor UAV Mounted with an Anemometer | |
| Grishin et al. | Methods for correcting positions of tethered UAVs in adverse weather conditions | |
| WO2014207492A1 (en) | Measurement data collection method and system for spatially detecting atmosphere properties | |
| Cleary et al. | Observations of the lower atmosphere from the 2021 WiscoDISCO campaign | |
| Hon et al. | Statistical analysis of building-induced turbulence at an airport | |
| CN110389393B (en) | Method for comprehensively observing inverse temperature layer disturbance | |
| Chan et al. | Weather observations by aircraft reconnaissance inside Severe Typhoon Utor | |
| Zhang et al. | Comprehensive marine observing experiment based on high-altitude large unmanned aerial vehicle (South China Sea Experiment 2020 of the “Petrel Project”) | |
| Ngan et al. | The Use of Small Uncrewed Aircraft System Observations in Meteorological and Dispersion Modeling |