CN102385072B - 一种应用于空降空投的气象引导方法以及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于空降空投的气象引导方法以及***，其***由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其中气象参数测量装置，可以探测空降空投场地上空局部水平风速风向、大气压力、温湿度等气象参数，并将这些数据传递到100公里以外、携带物质或人员的后续飞机，后续飞机可以通过分析这些气象数据，调整飞行路线，准确、快速地进行空降、空投。采用本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法，时效性强，机动性高，适合复杂地理环境的气象观测。

Description

一种应用于空降空投的气象引导方法以及***

技术领域

本发明涉及一种远距离区域性的气象自动探测方法以及对应的气象引导***，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

空降空投是将人员和物资快速地部署到地面交通工具难以到达地区的有效手段之一。近年来，在汶川地震、舟曲泥石流灾害以及频繁发生的化工厂***以及有毒气体泄漏等事故灾难中，救灾物资、器械甚至抢险人员往往通过空投或空降的方式到达灾害发生区域。然而，由于空投地区气象因素的影响，尤其是风向风速，时常造成空投物资偏离目标，使救灾物资不能发挥应有的作用，而且，强烈的气流变化还会威胁空降救援人员的生命安全。由此可见，小区域范围内的气象参数，如水平风向风速、海拔高度、大气压力和温湿度等气象信息是保证人员和物资准确空投的必要参数。

在空降空投的气象参数中，海拔高度3000米范围内，水平面风向、风速信息是空投空降的关键气象因子，直接关系到空降空投准确性和安全性。

现阶段，对局部区域上空水平面风向风速的观测方法主要有两种，一是通过事先派遣的气象引导分队，携带气象观测设备，如气球或雷达，对探测区域上空气象参数进行测量，然后由引导人员使用通信设备将气象信息通报给空降空投指挥中心。这种观测方法的优点是时效性和准确性都比较高，但是，在危险地区，该方法难以保障观测人员的生命安全。二是由固定气象站对当地的气象进行观测，该方法测量的精度与气象站到空投空降场的距离有关，气象站距离空降场越远，精度越差，而且，气象站缺乏移动性，该方法也不适宜危险地区气象的观测。

风向风速测量技术主要包括：卫星、雷达、气象站、机械涡轮式测量和超声波风向风速测量等。

遥感气象卫星在大气层外观测地球上空的气象信息。这种方法适用于大范围气象预报，对小范围内风向风速观测的精度差，难以得到每100米各分层水平面风向风速信息，不能满足空降空投任务的要求。

气象测风雷达通过发射微波无线电信号，通过对其反射波的分析，能够探测10～100公里外区域上空的大气信息。通过雷达测量风向风速，其精度比较高，也可观测每100米各分层水平面的风向风速。但是雷达设备体积比较大，机动性差，难以适应复杂地区的气象观测。

机械涡轮式风速仪工作原理是：在风力的作用下，涡轮叶片绕轴旋转，叶片转速跟风力大小成正比，转速通过电触点或光触电触发，输出矩形波，并由计数器计算转速，通过相应算法计算风速。风向的计算则是通过在尾部的尾翼，随风向的变化，使中轴的旋转，通过传感器与电子罗盘，输出风向。机械涡轮测风仪***结构简单、测速范围大，相关的技术也较为成熟，产品较多，多用于地面气象站的风向风速测量。但是这种方法主要应用于固定水平面的风向风速测量，当安装平面姿态不稳定，产生倾斜或翻滚时，测量结果容易受机械磨损影响，数据误差较大，而且该方法需要一定大小的启动风速，当在风速较小的情况下进行测量，其数据准确性与可靠性都比较差。

超声波风向风速测量，是利用声波传输特性来测量风向风速。超声波在空气中传播速度受到空气流速，即风速的影响，顺风时传播速度快，逆风时则慢，利用超声波传播的时差特性，可以对风向风速进行测量。超声波风向风速测量仪设备轻便，仪器没有转动部件，因而也不存在机械的磨损，能够克服机械式测风仪转轴磨损而引起的测量误差，能够测量任意方向、任意角度风速分量，启动风速比较小。英国GILL公司和德国德图公司都有相应的超声波风速风向产品投产使用，但是，在国内，超声波风向风速测量技术还不成熟，缺乏实用性产品。

超声波风向风速测量仪也需要水平面支撑，当水平面变化时，由于测量数据不能反映水平面真实风向风速，容易产生误差。与机械涡轮测风仪类似，超声波风向风速测量仪也不能直接应用于空中不同层次风向风速的测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种空投式空降空投气象自动引导***。

本发明是克服现有技术存在的技术问题，提供一种应用于空降空投的气象引导方法以及***，利用本发明的方法以及***装置，可以在空降过程中进行水平面风速、风向、大气压力和地理位置等气象参数的测量，通过移动通信网络传输给100公里以外飞机上的接收机，使后续空投飞机可以分析气象数据，调整飞行路行，准确、快速地进行空降、空投。

一种应用于空降空投的气象引导方法，利用由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其特征在于包括有下列步骤：步骤1、在飞行器上同时空投测量装置和中继装置；步骤2、测量装置在空降过程定距离测量包括水平风向风速、温湿度、海拔高度、大气压的气象数据并将其发送给中继装置；步骤3、中继装置将步骤2接收的气象数据整理打包后转发至飞行器上的接收装置；步骤4、接收装置对步骤3接收到的气象数据进行气象分析整理并据此引导空降空投。

所述的步骤3包括有下述子步骤：步骤3-1、测量装置申请无线信道的使用权；步骤3-2、在获得无线信道的使用权后，测量装置向中继装置发送一个RTS帧，请求与中继装置进行通信连接；步骤3-3、中继装置接收到测量装置的RTS请求后，向测量装置发送CTS命令帧；步骤3-4、如果测量装置没有接收到中继装置发出的CTS命令帧，则返回重新执行步骤3-2；步骤3-5、测量装置接收到中继装置发出的CTS命令帧后，开始向中继装置发送数据；步骤3-6、中继装置在收到测量装置发来的数据，并且检验数据正确后，向测量装置发送ACK数据确认帧；步骤3-7、测量装置在收到中继装置发来的ACK数据确认帧后，测量装置与中继装置之间完成一次数据传输。

所述步骤3-1包括有下述子步骤：步骤3-1-1、在测量装置准备与中继装置通信前，先在通信频道上进行载波监测，侦听信道是否空闲；步骤3-1-2、当测量装置检测到信道空闲时，不立即发送数据，采用“二进制指数退避算法”延时一段退避时间，启动退避计数器，开始递减计数；步骤3-1-3、如果检测到信道被占用，则暂停退避计数器，并保持计数器的值不变，并继续侦听信道是否空闲；步骤3-1-4、当重新检测到信道空闲时，退避计数器在原先计数值的基础上再递减计数；步骤3-1-5、当测量装置的退避计数器的计数值减到零时，测量装置即获得了无线信道的使用权。

实现上述方法的一种应用于空降空投的气象引导***，由测量装置、中继装置和接收装置组成移动通信网络，所述的测量装置包括有第一控制单元，风速风向测量和校正模块，第一存储器、第一GPS、第一移动通信模块、大气压力与海拔高度测量模块、温湿度测量模块，第一电源供电模块；其中，风向风速测量与校正模块、第一存储器、第一移动通信模块、温湿度测量模块、第一GPS以及大气压与海拔测量模块均连接到第一控制单元；第一电源供电模块同其它模块均有连接进行供电。所述的中继装置包括天线、第二控制单元、第二存储器、第二移动通信模块、功率放大器、第二GPS、第二电源供电模块；第二移动通信模块、第二存储器和第二GPS模块均连接到第二控制单元；第二电源供电模块同第二控制单元、第二存储器、第二移动通信模块、功率放大器、第二GPS均有连接进行供电。所述的测量装置与所述的中继装置通过发射和接收实现信号连通，所述的中继装置和所述的接收装置通过发射和接收实现信号连通。

所述的风速风向测量和校正模块包括东西南北方向上对称放置的两对超声波换能器模块、三维罗盘、第三控制单元、支持装置；两对超声波换能器模块和三维罗盘均与第三控制单元相连；三维罗盘位于超声波换能器模块的中心原点位置，其北向指示点指向南北纵轴线的北向。

所述第三控制单元包括两对超声波换能器模块的声波和电波转换的转换单元、声波的发送和接收的传送单元、声波传输时间测量的测量单元，三维罗盘方位角、俯仰角、翻滚角的测量控制单元，合成风速风向并且进行校正的计算单元。

所述测量装置中的第一移动通信模块与所述的中继装置中的第二移动通信模块在数据通信过程中具有相同频率；

所述第一移动通信模块、第二移动通信模块具有433MHz、868MHz、915MHz三个可选择频率。

所述的测量装置与所述的中继装置采用星形网络拓扑结构组成移动通信网络。

本发明所涉及的一种应用于空降空投的气象引导***，所述测量装置的数量为5-20个。

本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法以及***具有如下优点：

1、采用本发明的气象参数测量装置，可以探测空降空投场地上空局部水平风速风向、大气压力、温湿度等气象参数，并将这些数据传递到100公里以外、携带物质或人员的后续飞机，后续飞机可以通过分析这些气象数据，调整飞行路线，准确、快速地进行空降、空投。

2、采用本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法，时效性强，机动性高，适合复杂地理环境的气象观测。

附图说明

图1本发明的测量装置结构示意图；

图2本发明的中继装置结构示意图；

图3本发明的风速风向测量和校正模块的电子结构示意图；

图4本发明的风速风向测量和校正模块的结构俯视图；

图5超声波换能器模块测得的风向的方位角β示意图；

图6三维罗盘方位角示意图；

图7三维罗盘的俯仰角和翻滚角示意图；

图8本发明的测量装置的工作流程图；

图9本发明采用的传输控制帧格式；

图10本发明采用的数据帧格式；

图11采用本发明装置进行测量的水平风向风速分布示意图。

其中：

1、测量装置；                        2、中继装置；

1-1、风速风向测量和校正模块；        1-2、第一控制单元；

1-3、第一存储器；                    1-4、第一GPS；

1-5、第一移动通信模块；              1-6、大气压力与海拔高度测量模块；

1-7、温湿度测量模块；                1-8、第一电源供电模块；

2-1、天线；                          2-2、第二控制单元；

2-3、第二存储器；                    2-4、第二移动通信模块；

2-5、第二GPS；                       2-6、第二电源供电模块；

2-7、功率放大器；                    3、第一超声波换能器模块；

3.1、第一超声波探头；                4、第二超声波换能器模块

4.1、第二超声波探头；                5、第三超声波换能器模块；

5.1、第三超声波探头；                6、第四超声波换能器模块；

6.1、第四超声波探头；                7、第三控制单元；

8、三维罗盘；                        9、支撑装置；

β:风向的方位角；                    α:三维罗盘测得的方位角；

θ:三维罗盘测得的俯仰角；            γ:三维罗盘测得的翻滚角；

具体实施方式

本发明所涉及的一种空降空投气象引导***由多个测量装置与中继装置组成无线移动自组织网络，采用降落伞对测量装置和中继装置进行空投，在海拔3000米范围内、测量装置可以实现在降落过程中进行垂直距离每100米水平面的风向风速、温湿度和大气压等气象数据的测量，测量装置射频通信半径在1公里范围内。中继装置可以实现转发测量装置所测量的数据至到100公里以外的接收机，中继装置在伞降落地后也可以作为后续飞机空降空投的参考定位点。

测量装置构造如图1所示，测量装置包括第一控制单元1-2，风速风向测量和校正模块1-1，第一存储器1-3、第一GPS 1-4、第一移动通信模块1-5、大气压力与海拔高度测量模块1-6、温湿度测量模块1-7、第一电源供电模块1-8。其中，风速风向测量与校正模块1-1、温湿度测量模块1-7、第一GPS 1-4以及大气压与海拨高度测量模块1-6通过串口连接到第一控制单元1-2；第一移动通信模块1-5通过高速同步串行口接口SPI与第一控制单元1-2连接。第一控制单元1-2，风速风向测量和校正模块1-1，第一存储器1-3、第一GPS 1-4、第一移动通信模块1-5、大气压力与海拔高度测量模块1-6、温湿度测量模块1-7均同第一电源供电模块1-8相连接，第一电源供电模块1-8对以上模块进行供电。大气压与海拨高度测量模块1-6中的海拔高度测量采用以大气压力为参变量的海拔高度传感器，每100米高度的误差范围不大于5米。

测量装置的风速风向测量与校正模块主要包括三个部分，即两对超声波换能模块3、4、5、6、三维罗盘8、第三控制单元7，风速风向测量和校正模块的电子结构如图3所示，两对超声波换能模块3、4、5、6和三维罗盘8和第三控制单元7相连，第三控制单元7负责启动南北、东西两个不同方向上超声波换能器模块的工作，控制着他们的工作模式，即发射或接收，测量超声波在南北、东西两个相互垂直方向上的来回传播时间。第三控制单元还负责启动三维罗盘工作，并接收三维罗盘的测量数据。本发明的风向风速测量模块的结构图参见图4，两对超声波换能模块3、4、5、6和三维罗盘8放置于一个支撑装置9上，第三控制单元7放置在支撑装置9的下方。一对超声波换能模块的超声波探头，即第一超声波探头3.1和第二超声波探头4.1固定在支撑装置平面上设定的南北方向纵轴上，纵轴正向指向正北方；另一对超声波换能模块的超声波探头,即第三超声波探头5.1和第四超声波探头6.1则固定在东西方向横轴上，横轴正向指向东方。南北的第一超声波探头3.1、第二超声波探头4.1，东西的第三超声波探头5.1、第四超声波探头6.1均呈对称放置，两对超声波探头间彼此之间的距离均为d厘米，南北、东西方向的超声波探头的方向交汇点为坐标原点。三维罗盘8的北向指示点B在南北方向纵轴上，方向指向北向第一超声传感器模块3。

本发明所涉及的风速风向测量与校正模块进行风速测量以及校正的工作过程以及原理可以描述如下：

风向风速测量模块采用超声波进行测量风速，在无风情况下，超声波传播速度是一定的，而在有风时，超声波传播的速度会叠加上风速，顺风时，超声波速度V_s=无风时的超声波速度V_c+风速V_w，逆风时，超声波速度V_s=无风时的超声波速度V_c-风速V_w，因此逆风传播时间相对较长。风向风速测量模块在空投下降过程中，因受到外界环境的影响，很难保持支撑平面平行与水平面和纵轴指向正北方。

本发明利用超声波与风速之间的关系，当测量装置在下降时，测量装置的风向风速测量与校正模块进行开始启动工作，测量风速时，可以测量获得设置其中的南北、东西正交方向两对超声波探头之间超声波的来回传播的时间t12、t21、t34和t43，其中：南北方向上的第一超声波探头、第二超声波探头之间所测得的超声波传播时间分别为t12、t21，东西方向上的第三超声波探头、第四超声波探头之间所测得的超声波传播时间分别为t34和t43，由公式 $V_x=\frac{d}{2}(\frac{1}{t_{12}}-\frac{1}{t_{21}}),$ $V_y=\frac{d}{2}(\frac{1}{t_{34}}-\frac{1}{t_{43}}),$ 可以得到南北方向上的风速分量V_x和东西方向上的风速分量V_y，由V_x和V_y能合成得到支撑平面上的风速值V和风向的方位角β，如图5所示，方位角β是偏离正北方向的角度。

为了得到水平面风向风速值，可以利用三维罗盘指示正北方，并采用第三控制单元对超声波风速和风向观测值进行校正。如图4所示，将三维罗盘的标称点B，即正北方向指示点，与北向的第一超声波探头的北向基准点固定在一条直线，方向相同。测量装置伞降过程中，三维罗盘可以测量出风速风向测量和校正模块的方位角α、俯仰角θ和翻滚角γ如图6、图7所示。

风速风向测量和校正模块的方位角测量的范围是以正北为0°，正南180°，总共360°的范围空间，测出的角度值就是三维罗盘标称刻度B偏离正北方向（N点）的角度，其值为α，如图6所示。在安装电子直维罗盘时，将三维罗盘的基准点必须与超声波风向风速测量装置的北向基准点对齐，即两个基准点在同一条直线上，这样，α与β进行模360相加，就得到了实际的风向，即偏离地球正北向的方位角θ_out：

θ_out=(α+β)mod360

如图7，俯仰角是风向风速测量支撑平面沿其竖直轴线Y与水平面的夹角，定义为θ，其取值范围为-90°到90°。对V_y校正而得的水平分量V_hy为

$V_{\mathrm{hy}}=\frac{V_y}{\cos \mathrm{\θ}}$

翻滚角是风向风速测量支撑平面沿其水平轴线X与水平面的夹角，定义为γ，其取值范围为-180°～180°。对V_x校正而得的水平分量V_hx为

$V_{\mathrm{hx}}=\frac{V_x}{\cos \mathrm{\γ}}$

第三控制单元控制着两对超声波换能器模块的声波和电波转换、声波的发送和接收、声波传输时间测量、三维罗盘针对方位角、俯仰角和翻滚角的测量和合成风速风向与校正的计算。第三控制单元利用方位角、俯仰角和翻滚角就可以校正超声波风速风向观测值，通过第三控制单元校正后的水平面风向方位角θ_out与和合成风速值

θ_out=(α+β)mod360，因此风向风速测量与校正模块可以获取水平面风速和风向值。

中继装置结构如图2所示，包括天线2-1、第二控制单元2-2、第二存储器2-3、第二移动通信模块2-4、功率放大器2-7、第二GPS2-5、第二电源供电模块2-6。天线2-1同功率放大器2-7相连，功率放大器2-7同第二移动通信模块2-4相连接，发射信号时，功率放大器2-7放大第二移动通信模块2-4的输出信号，然后，送给天线传播至空中；接收信号时，功率放大器2-7放大自天线2-1接收到的信号，并传送给第二控制单元2-2。第二移动通信模块2-4、第二存储器2-3、第二GPS2-5同第二控制单元2-2相连接。第二电源供电模块2-6同除天线2-1之外的功率放大器2-7、第二移动通信模块2-4、第二控制单元2-2、第二GPS2-5模块、第二存储器2-3连接，其功能是针对这些模块进行供电。第二存储器2-3同测量装置1中第一存储器1-3具有相同的功能，可以存储中继装置从多个测量装置各自接收到的数据，第二存储器2-3容量比第一存储器1-3大很多，并且第二控制单元2-2具备比较高的数据处理能力。

测量装置的工作流程具体参见如图8的流程图，所有测量装置均由引导飞机投放到预定区域上空，在测量装置投放的瞬间，由于惯性的作用，测量装置下降过程的状态变化剧烈，7秒以后基本趋于稳定，因此测量装置离开飞机后，利用第一控制单元的内部时钟定时7秒，7秒后，大气压与海拔高度测量模块开始工作，当海拔高度测量为海拔高度3000米范围内时，第一控制单元根据海拔高度测量值启动其它模块工作，测量装置开始进入气象参数观测程序。当测量装置落地,大气压与海拔高度测量模块检测到海拔高度为O米时,或者大气压力与海拔高度测量模块检测到海拔高度大于3000米时，此时第一控制单元不会启动其它模块工作,测量装置不会启动进入气象参数观测程序。测量装置随着降落伞投放下降过程中，每下降100米垂直距离，风向风速测量与校正模块、温湿度测量模块、第一GPS以及大气压与海拔高度测量模块可以分别实现针对水平面风速风向、温湿度、地理位置、大气压力以及海拔高度的数据测量工作一次。风向风速测量与校正模块、温湿度测量模块、第一GPS以及大气压力与海拔高度测量模块将每下降100米垂直距离所测量的数据经串口传递到第一控制单元，由第一控制单元打包经高速同步串行口接口SPI接口发送给第一移动通信模块，最后由第一移动通信模块发送给中继装置。第一存储器可以实现非易失性数据的存储，第一存储器通过数据总线连接到第一控制单元，在第一通信模块无法传输数据时，数据可以临时存储，待通信链路建立后与下一次测量的数据一起传送。

本发明采用多个测量装置和中继装置形成一个移动通信网络,测量装置中的第一移动通信模块和中继装置中的第二通信模块是可以相互进行通信的收发模块。中继装置的工作流程简单描述如下：测量装置的相关气象数据发送至中继装置的高增益天线，高增益天线将这些数据传递至功率放大器，功率放大器将数据传送至第二移动通信模块，第二移动通信模块将数据传送给第二控制单元，第二控制单元检查数据正确后，再将此数据回传给第二移动通信模块，经功率放大器和天线后，传送给100公里以外的接收机，然后回传ACK信息给第一移动通信模块。如果第二控制单元检测到数据错误，则丢弃该数据，不回传ACK信息给第一通信模块。中继装置将收到全部数据转发给100公里以外接收机的同时，还把数据保存到非易失性第二存储器中，待落地后，把接收到的全部测量装置的数据和第二GPS测量数据一起重新打包，重复发射数据给100公里以外的接收机，通过重复发射，避免数据丢失。中继装置在伞降落地后，它的GPS测量数据可以作为地理定位参考信息，作为后续飞机进行空降空投的参考定位点。

本发明所采用的移动自组织网络的规模比较小，可以采用5—20个测量装置和一个中继装置组成，每个测量装置只需要与中继装置进行无线数据通信，各测量装置之间并没有必须的通信需求，因此，本发明的通信网络采用星形网络拓扑结构，测量装置的通信半径在1公里范围内，中继装置的最小通信半径为100公里，各测量装置的测量数据直接发送给中继装置，不经过多跳转发，在中继装置无线信号覆盖的范围内，各测量装置与中继装置还能够进行双向的无线数据通信。整个网络中只有中继装置的设备体积最大，投放难度较大一些，多个测量装置投放的难度相对小一些，本发明所涉及的移动自组织网络具有简单、高效的特点。

本发明的测量装置的工作时间在10分钟左右，每次观测的数据量约60字节，因此，本发明在星形网络拓扑结构上，设计了移动自组织网通信协议。该网络通信协议分为三层，第一层为物理层，该物理层由射频模块硬件实现，本发明的射频模块所采用测量装置的第一移动通信模块和中继装置中的第二移动通信模块负责数据发送或接收的信道选择，以及数字信号的调制和解调工作等。第一移动通信模块和第二移动通信模块可以采用三频射频模块，该三频射频模块具备433MHz、868MHz、915MHz三个中心频段，每个中心频段具有100多个信道。868MHz和915MHz两个频段适宜开阔地区的无线通信，433MHz频段适宜地势起伏较大、障碍物较多的地区的无线通信。第一移动通信模块和第二移动通信模块在进行数据发射时，可以根据空投的地理环境选择发射频率，即选择三个频段中的一个中心频段的一个信道进行传输数据。三频射频模块适应环境能力很强，当选择频段的信道通信受到信号干扰时，第一移动通信模块和第二移动通信模块可以通过跳频，变换成更加适合实时地理环境的发射频率。

第二层为数据链路层，提供可靠的无线数据传输机制，避免冲突发生。数据链路层的无线数据传输过程具体如下：

由于本发明的通信网络采用星形网络拓扑结构，多个测量装置需要通过竞争的方式获得信道的使用权来与中继装置进行通信。为了保证各个测量装置和中继装置之间可靠的点对点通信，避免通信冲突发生，本发明借鉴了CSMA/CA载波侦听多点接入/冲突避免协议的方式，提出一种CSMA/CA竞争传输的方法。该方法具体是：在测量装置准备与中继装置通信前，先在通信频道上进行载波监测，侦听信道是否空闲。在某个测量装置与中继装置通信完毕准备释放信道的瞬间，因为此时可能有多个测量装置正在等待通信频道空闲，此时发生通信冲突的概率最大，因此，当测量装置检测到信道空闲时还不能立即发送数据，而是要采用“二进制指数退避算法”随机延时一段退避时间，测量装置在检测到信道空闲时启动退避计数器，只要信道空闲，退避计数器就递减，如果检测到信道被占用则暂停退避计数器并保持计数器的值不变，当重新检测到信道空闲时，退避计数器在原先计数值的基础上再递减，当计数值减到零时，该测量装置获得无线信道的使用优选权，该测量装置就准备向中继装置发送数据。

为实现CSMA/CA通迅协议,测量装置的第一移动通信模块和中继装置的第二移动通信模块采用几种控制帧结构，请求发送RTS帧如图9（a）所示，其中，Ch_Index是测量装置希望与中继装置通信的信道索引，用于跳频信道选择；清除发送CTS帧如图9（b）所示；确认ACK帧如图9（c）所示。测量装置与中继装置通信过程中采用了RTS/CTS/DATA/ACK握手机制，测量装置与中继装置之间的移动通信的数据传输过程具体如下：

1）当测量装置有数据向中继装置发送时，先通过CSMA/CA竞争的方法获得无线信道的使用权；

2）然后测量装置的第一移动通信模块向中继装置的第二移动通信模块发送一个RTS帧，请求与中继装置进行通信连接。

3）中继装置的第二移动通信模块接收到某测量装置的RTS请求后，向该测量装置的第一移动通信模块发送CTS帧。

4）测量装置的第一通信模块在接收到中继装置的第二通信模块发给自己的CTS命令帧后，认为与中继装置的通信连接已经建立，开始向中继装置发送数据。若测量装置的第一移动通信模块在向中继装置的第二移动通信模块发送RTS请求后没有收到CTS命令，该测量装置的第一移动通信模块就认为通信发生了冲突并重新发送RTS请求命令。

5）中继装置的第二移动通信模块在收到测量装置的第一移动通信模块发来的数据并检验数据正确后，向该测量装置的第一移动通信模块发送ACK数据确认帧。测量装置的第一移动通信模块在收到ACK数据确认帧后，就完成了该测量装置与中继装置之间的数据通信。

本发明针对测量装置和中继装置之间的数据传输过程中采用缓存机制。如果测量装置在数据传输结束时，没有收到中继装置的确认信息，即测量装置中的第一移动通信模块没有接收到中继装置的第二移动通信模块发送的ACK数据确认帧，测量装置就把观测到气象数据暂存入第一存储器，当测量装置再次同中继装置进行通信传输时，该存储数据可以同该测量装置针对下一个100米垂直距离所测量的数据观测数据一起打包发送至中继装置，从而进一步保证测量数据传输的可靠性和完整性。采用本发明制定各测量装置与中继装置之间数据通信的冲突避免机制的技术方案，提供各测量装置与中继装置之间、中继装置与接收机之间的可靠数据通信方法，从而实现准确传输观测数据。

由于射频收发模块一次可发送数据量是小于待发送观测数据量，因此在数据发送前要对观测数据进行分包处理。第三层为数据负载层，负责对观测数据进行分包，再对每包数据重新打包，形成负载帧，以便接收机将分包数据组合起来，正确还原出观测数据。

本发明采用的数据帧格式包括有数据链路层的帧格式和负载层的帧格式，数据负载层的帧格式如图10（a）所示，其中，Seq-Num是帧所属数据包的包编号和包内顺序号，Frame-type是帧类型，PayloadLen指Payload域的数据字节数，Payload为测量装置的测量数据值。数据链路层的帧格式如图10（b）所示，在负载帧的基础上增加了目的地址（DestAddr）、源地址（SrcAddr）和CRC校验码。

发送数据时，数据负载层将帧传递给数据链路层，数据链路层在负载帧的基础上增加源地址、目的地址和CRC校验码，再将帧送给物理层，物理层再添加帧头控制，以优化接收性能，最后，帧数据经调制后，送入无线通信信道。接收过程与发送过程正好相反，接收机在数据链路层，根据CRC校验码对该层数据进行错误检验，负载层获得帧数据后，依据Seq-Num，将数据包重新组合，还原数据包。

飞机上的接收机接收到空降空投区域上各个测量装置获得的海拔3000米以下垂直方向上每100米水平面的风速风向、大气压力和温湿度等气象数据，可以针对这些数据快速进行统计分析，计算各个测量装置在空降过程同一水平面观测值的各类型气象数据的平均值、方差，参见如图11所示的观测区域上空的水平风向风速分布示意图，其中黑点的地理位置以经度和纬度标识，如（E119°35′56′′，N49°25′36′′）表示（东经119度35分56秒，北纬49度25分36秒），横坐标显示黑点的合成风速值，纵坐标显示海拔高度，黑点处的矢量指向分别代表V_x，V_y和合成风向，该图可以为空降空投提供气象引导数据。

Claims (10)

1.一种应用于空降空投的气象引导方法，利用由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其特征在于：包括有下列步骤：

步骤1、在飞行器上同时空投测量装置和中继装置；

步骤2、测量装置在空降过程定距离测量包括水平风向风速、温湿度、海拔高度、大气压的气象数据并将其发送给中继装置，其具体过程如下：

步骤2-1、测量装置申请无线信道的使用权，具体过程为：

步骤2-1-1、在测量装置准备与中继装置通信前，先在通信频道上进行载波监测，侦听信道是否空闲；

步骤2-1-2、当测量装置检测到信道空闲时，不立即发送数据，采用“二进制指数退避算法”延时一段退避时间，启动退避计数器，开始递减计数；

步骤2-1-3、如果检测到信道被占用，则暂停退避计数器，并保持计数器的值不变，并继续侦听信道是否空闲；

步骤2-1-4、当重新检测到信道空闲时，退避计数器在原先计数值的基础上再递减计数；

步骤2-1-5、当测量装置的退避计数器的计数值减到零时，测量装置即获得了无线信道的使用权；

步骤2-2、在获得无线信道的使用权后，测量装置向中继装置发送一个RTS帧，请求与中继装置进行通信连接；

步骤2-3、中继装置接收到测量装置的RTS请求后，向测量装置发送CTS命令帧；

步骤2-4、如果测量装置没有接收到中继装置发出的CTS命令帧，则返回重新执行步骤2-2；

步骤2-5、测量装置接收到中继装置发出的CTS命令帧后，开始向中继装置发送数据；

步骤2-6、中继装置在收到测量装置发来的数据，并且检验数据正确后，向测量装置发送ACK数据确认帧；

步骤2-7、测量装置在收到中继装置发来的ACK数据确认帧后，测量装置与中继装置之间完成一次数据传输；

步骤3、中继装置将步骤2接收的气象数据整理打包后转发至飞行器上的接收装置，接收装置对步骤2接收到的气象数据进行气象分析整理并据此引导空降空投。

2.一种实现权利要求1所述方法的应用于空降空投的气象引导***，包括由测量装置、中继装置和接收装置组成移动通信网络，其特征在于：

所述的测量装置（1）包括有第一控制单元(1-2)，风速风向测量和校正模块(1-1)，第一存储器(1-3)、第一GPS(1-4)、第一移动通信模块(1-5)、大气压力与海拔高度测量模块(1-6)、温湿度测量模块(1-7)，第一电源供电模块(1-8)；其中，风速风向测量和校正模块(1-1)、第一存储器(1-3)、第一移动通信模块(1-5)、温湿度测量模块(1-7)、第一GPS(1-4)以及大气压力与海拔高度测量模块(1-6)均连接到第一控制单元(1-2)；第一电源供电模块(1-8)同其它模块均有连接进行供电；

所述的中继装置（2）包括天线(2-1)、第二控制单元(2-2)、第二存储器(2-3)、第二移动通信模块(2-4)、功率放大器(2-7)、第二GPS(2-5)、第二电源供电模块(2-6)；第二移动通信模块(2-4)、第二存储器(2-3)和第二GPS(2-5)模块均连接到第二控制单元(2-2)；第二电源供电模块(2-6)同第二控制单元(2-2)、第二存储器(2-3)、第二移动通信模块(2-4)、功率放大器(2-7)、第二GPS(2-5)均有连接进行供电；

所述的测量装置与所述的中继装置通过发射和接收实现信号连通，所述的中继装置和所述的接收装置通过发射和接收实现信号连通。

3.如权利要求2所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：

所述的风速风向测量和校正模块（1-1）包括东西南北方向上对称放置的两对超声波换能器模块(3、4、5、6)、三维罗盘（8）、第三控制单元（7）、支持装置（9）；两对超声波换能器模块(3、4、5、6)和三维罗盘（8）均与第三控制单元（7）相连；三维罗盘（8）位于超声波换能器模块(3、4、5、6)的中心原点位置，其北向指示点指向南北纵轴线的北向。

4.如权利要求3所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：

所述第三控制单元（7）包括两对超声波换能器模块的声波和电波转换的转换单元、声波的发送和接收的传送单元、声波传输时间测量的测量单元，三维罗盘方位角、俯仰角、翻滚角的测量控制单元，合成风速风向并且进行校正的计算单元。

5.如权利要求3或4所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：

所述测量装置中的第一移动通信模块(1-5)与所述的中继装置中的第二移动通信模块(2-4)在数据通信过程中具有相同频率。

6.如权利要求5所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：

所述第一移动通信模块(1-5)、第二移动通信模块(2-4)具有433MHz、868MHz、915MHz三个可选择频率。

7.如权利要求2、3、4、6任一项所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：所述的测量装置与所述的中继装置采用星形网络拓扑结构组成移动通信网络。

8.如权利要求2、3、4、6任一项所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：所述测量装置的数量为5-20个。

9.如权利要求5所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：所述的测量装置与所述的中继装置采用星形网络拓扑结构组成移动通信网络。

10.如权利要求5所述的应用于空降空投的气象引导***，其特征在于：所述测量装置的数量为5-20个。

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