CN104656165A - 一种基于蜂窝通信网的空中风测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，采用升空的蜂窝通信终端、覆盖终端的3个以上地面蜂窝基站以及地面数据处理终端；利用气球携带蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，在蜂窝通信终端上升过程中，利用蜂窝通信终端本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时测量；该方法利用气球携带普通的手机终端即可实现，硬件成本低；蜂窝通信网络基础设施覆盖面广，便于推广应用，可以作为现有空中风测量手段的一种补充。

Description

一种基于蜂窝通信网的空中风测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于蜂窝通信网(CCN，Cell Communication Network)的空中风测量方法，其主要用于空中气象要素的自动化探测中。

背景技术

空中风探测是高空气象探测的主要内容之一。空中风是影响飞机飞行安全、火箭导弹发射以及火炮打击精度的重要因素，因此在社会和军事方面均有着重要的意义。目前，空中风的测量主要有基于气球为示踪物的雷达测风、无线电经纬仪测风、GPS测风或北斗测风等方法，其中，测风雷达发射电磁波，不利于战时隐蔽；无线电经纬仪在低仰角条件下的测风精度低；GPS测风依赖美国的GPS***，战时难以保证可靠工作；北斗测风近年来得到大力发展，其精度较高、覆盖面也足够广，但北斗测风技术依赖于北斗***的正常运行，如果一旦核心基站受损，那么测风***也将完全失灵。因此需要发展多种高空测风手段，以保证在各种条件下高空气象探测和服务保障工作的可靠运行。

目前，蜂窝通信网络已经普遍覆盖全球陆地和近海区域，手机与基站之间的通信信号在近地层传播，构成了密集交织的网络。而且随着移动通讯技术的发展，基于通信卫星的星地链路通讯和基于地面垂直向上发射基站的空地宽带通讯，使得在飞机上使用手机和上网成为可能。民用蜂窝通信信号已经广泛覆盖了近地层和空中，这为依托蜂窝通信网络进行高空风的测量奠定了技术基础。随着智能手机的推广普及，基站定位、GPS定位、数据传输及网络通信等功能已经成为手机的基本功能。智能手机终端可以通过GPS定位或者移动基站定位得到所处位置信息，通过数据传输及网络通信功能可以进行实时传输；而且软件平台开放，手机功能易于扩展。在现有手机终端的基础上，可以很便捷的进行改造和扩展，这些为基于蜂窝通信网的空中风测量提供了很好的基础设施。

借助于蜂窝网络基站与手机终端之间的通信及定位功能，我们提出一种利用民用蜂窝通信网络(Cell Communication Network)进行高空风测量的方法。该方法利 用蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，气球携带终端上升过程中，利用本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时的测量。该方法可以作为现有空中风测量手段的有机补充，在无线电经纬仪、GPS/北斗探空等不便工作或无法工作时，利用广泛覆盖的蜂窝通信网络和便捷的手机终端进行空中风的测量，适合于平时及战时，在境内境外均可实施。

发明内容

本发明的目的是：提出一种基于民用蜂窝通信网络的高空风测量方法，利用蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，气球携带终端上升过程中，利用本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时测量。

本发明的技术方案为：本发明基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，采用升空的蜂窝通信终端、覆盖终端的地面蜂窝基站(3个以上)以及地面数据处理终端；

利用气球携带蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，在蜂窝通信终端上升过程中，利用蜂窝通信终端本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时测量；其步骤如下：

(1)气球携带蜂窝通信终端升空，能够同时接收3个以上地面蜂窝基站的信号，在气球移动过程中，如果蜂窝通信终端移出某一个蜂窝基站的范围，则由另一个蜂窝基站接替；

(2)在蜂窝通信信号覆盖范围内，蜂窝通信终端在t_i时刻(间隔1秒)触发定位请求，向地面蜂窝基站发出定位请求信号，包括信号发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i、地面数据处理终端的地址；

(3)基站j收到请求定位信号后，立即将该信号的接收电平RSSIj_i、发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i等一并发送给蜂窝通信终端或地面数据处理终端；

(4)蜂窝通信终端或地面数据处理终端利用接收电平RSSIj_i以及信号发送时间、发送频率、和发送功率P_i，计算出t_i时刻发送的定位请求信号到达地面蜂窝基站时的空间传播损耗ΔL_ji；

(5)根据电波的空间自由传播模型ΔL(dB)和发送频率f_i，计算得出t_i时刻终端 相对于各基站的距离d_ji；

(6)将地面蜂窝基站j的位置信息：经度、纬度、海拔高度转换为地心坐标(x_j,y_j,z_j)；

(7)利用各地面蜂窝基站(3个以上)的坐标信息和蜂窝通信终端相对于各基站的距离建立方程组，求解得到t_i时刻的终端位置P_i(X_i,Y_i,Z_i)；求解得到通信终端的位置；

(8)根据每一个时刻的终端位置及其移动情况，计算当时的风向和风速值。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所提出的基于民用蜂窝通信网络的高空风测量方法，利用现有广泛覆盖的蜂窝通信网络进行空中风的测量，气球携带普通的手机终端即可实现，硬件成本低，除终端外无需其实硬件设备，使用极为方便，便于推广应用，可以作为现有空中风测量手段的一种补充。

附图说明

图1是本发明的蜂窝通信网络高空风测量的工作示意图；

具体实施方式

本发明利用蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，气球携带终端上升过程中，利用本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时测量。

具体实施方式如下：

(1)气球携带蜂窝通信终端升空，保证同时能接收信号的地面基站数量3个以上，在气球的移动过程中，如果终端移出某一个基站的范围，则由另一个基站接替；目前GPRS或CDMA，地面基站的蜂窝设计容易实现这一点；

(2)在信号覆盖范围内，蜂窝通信终端每间隔1秒t_i(i＝0，1，2，Λ)触发定位请求，发出请求定位信号，包括信号发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i、地面数据处理终端的地址；

(3)基站j(j≥4)在收到请求定位信号后，立即将该信号的接收电平RSSI_j,i、发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i一起发送给蜂窝通信终端或地面数据处理终端；

(4)蜂窝通信终端或地面数据处理终端利用各基站的接收电平RSSI_j,i、信号发送功率P_i，计算出t_i时刻发送的定位请求信号到达各基站时的空间传播损耗ΔL_j,i＝P_i-RSSI_j,i；

(5)根据电波的空间自由传播模型ΔL(dB)＝32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)和发送频率f_i，计算得出t_i时刻终端相对于各基站的距离

(6)将基站位置信息转化为地心坐标。

以WGS-84坐标系为例，即原点与地球质心重合，X轴指向0°大地子午线与赤道的交点，Z轴指向协议地球北极，Y轴指向东经90°大地子午线与赤道的交点，组成右手系直角坐标。

则基站j的位置信息(经度，纬度，海拔高度)转换为地心坐标(x_j,y_j,z_j)：

式中，N为地球的曲率半径(m)，e为地球的偏心率，a、b为地球的长半轴和短半轴。

(7)计算蜂窝通信终端的位置。

设终端坐标为P_i(X_i,Y_i,Z_i)，解如下方程组，得到请求定位时刻t_i的终端位置P_i(X_i,Y_i,Z_i)。

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{1i}=\sqrt{{(X_i-x_1)}^2+{(Y_i-y_1)}^2+{(Z_i-z_1)}^2}\\ d_{2i}=\sqrt{{(X_i-x_2)}^2+{(Y_i-y_2)}^2+{(Z_i-z_2)}^2}\\ d_{3i}=\sqrt{{(X_i-x_3)}^2+{(Y_i-y_3)}^2+{(Z_i-z_3)}^2}\\ d_{4i}=\sqrt{{(X_i-x_4)}^2+{(Y_i-y_4)}^2+{(Z_i-z_4)}^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

(8)进行空中风的计算。

步骤1：计算风速V_k：

式中，Δt为时间间隔(一般取1秒)，为气球由P_k-1位置移动到P_k位置时，产生的平 行于地球圆弧表面的平均位移。

其中，θ_k为气球由P_k-1位置移动到P_k位置时，气球与地心连线的夹角。

${\mathrm{\θ}}_k=\arccos \frac{X_{(k-1)}{X}_k+Y_{(k-1)}{Y}_k+Z_{(k-1)}{Z}_k}{\sqrt{X_{(k-1)}^2+Y_{(k-1)}^2+Y_{(k-1)}^2}\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Y_k^2}}---\left(5\right)$

步骤2：由于风向是相对于站心坐标系而言的，因此需将基站和终端的地心坐标(X_k,Y_k,Z_k)转换为站心坐标(X_k′,Y_k′,Z_k′)，具体转化方法如下：

其中，λ、分别为经度、纬度角。

步骤3：计算风向G_k：

当ΔX′＞0时：

当ΔX′＜0，ΔY′≥0时：

当ΔX′＜0，ΔY′＜0时：

$G_k=\mathrm{arctg}\frac{{\mathrm{\ΔY}}^{\′}}{{\mathrm{\ΔX}}^{\′}}---\left(9\right)$

当ΔX′＝0，ΔY′＞0时：

G_k＝270   (10)

当ΔX′＝0，ΔY′＜0时：

G_k＝90   (11)

当ΔX′＝0，ΔY′＜0时：

G_k＝C(静风)   (12)

式中

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}^{\′}={X_k^{-}}^{\′}-{X_{k-1}^{+}}^{\′}\\ {\mathrm{\ΔY}}^{\′}={Y_k^{-}}^{\′}-{Y_{k-1}^{+}}^{\′}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，分别为平均弧线两端点地心坐标 对应的的站心坐标。

$\left\{\begin{array}{c}{X}_k^{-}=(\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}-\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\α}}_k\\ Y_k^{-}=(\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}-\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\β}}_k\\ Z_k^{-}=(\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}-\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\γ}}_k\\ X_{k-1}^{+}=(\sqrt{X_{k-1}^2+Y_{k-1}^2+Z_{k-1}^2}+\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\α}}_{k-1}\\ Y_{k-1}^{+}=(\sqrt{X_{k-1}^2+Y_{k-1}^2+Z_{k-1}^2}+\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\β}}_{k-1}\\ Z_{k-1}^{+}=(\sqrt{X_{k-1}^2+Y_{k-1}^2+Z_{k-1}^2}+\frac{h_k-h_{k-1}}{2})\cos {\mathrm{\γ}}_{k-1}\end{array}\right.---\left(14\right)$

方向余弦： 

$\left\{\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_0=\frac{X_0}{\sqrt{X_0^2+Y_0^2+Z_0^2}}\mathrm{\Λ}\cos {\mathrm{\α}}_k=\frac{X_k}{\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}}\\ \cos {\mathrm{\β}}_0=\frac{Y_0}{\sqrt{X_0^2+Y_0^2+Z_0^2}}\mathrm{\Λ}\cos {\mathrm{\β}}_k=\frac{Y_k}{\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}}\\ \cos {\mathrm{\γ}}_0=\frac{Z_0}{\sqrt{X_0^2+Y_0^2+Z_0^2}}\mathrm{\Λ}\cos {\mathrm{\γ}}_k=\frac{Z_k}{\sqrt{X_k^2+Y_k^2+Z_k^2}}\end{array}\right.---\left(15\right)$

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和实施方式。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出若干改进和润饰均在本发明的保护范围内。本发明要求的保护范围由的权利要求及其等同决定。

Claims (5)

1.基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，其特征是采用升空的蜂窝通信终端、覆盖终端的地面蜂窝基站(3个以上)以及地面数据处理终端；

利用气球携带蜂窝通信终端作为空中风测量的示踪物，在蜂窝通信终端上升过程中，利用蜂窝通信终端本身的基站定位功能和数据通信功能对空中风进行实时测量；其步骤如下：

(1)气球携带蜂窝通信终端升空，能够同时接收3个以上地面蜂窝基站的信号，在气球移动过程中，如果蜂窝通信终端移出某一个蜂窝基站的范围，则由另一个蜂窝基站接替；

(2)在蜂窝通信信号覆盖范围内，蜂窝通信终端在t_i时刻(间隔1秒)触发定位请求，向地面蜂窝基站发出定位请求信号，包括信号发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i、或再包括地面数据处理终端的地址；

(3)基站j收到请求定位信号后，立即将该信号的接收电平RSSIj_i、发送时间t_i、发送功率P_i、发送频率f_i等一并发送给蜂窝通信终端或地面数据处理终端；

(4)蜂窝通信终端或地面数据处理终端利用接收电平RSSIj_i以及信号发送时间、发送频率、和发送功率P_i，计算出t_i时刻发送的定位请求信号到达地面蜂窝基站时的空间传播损耗ΔL_ji；

(5)根据电波的空间自由传播模型ΔL(dB)和发送频率f_i，计算得出t_i时刻终端相对于各基站的距离d_ji；

(6)将各地面蜂窝基站的位置信息：经度、纬度、海拔高度转换为地心坐标(x_j,y_j,z_j)；

(7)利用各地面蜂窝基站(3个以上)的坐标信息和蜂窝通信终端相对于各基站的距离建立方程组，求解得到t_i时刻的终端位置P_i(X_i,Y_i,Z_i)；求解得到通信终端的位置；

(8)根据每一个时刻的终端位置及其移动情况，计算当时的风向和风速值。

2.基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，其特征是所述的利用电波的空间自由传播模型ΔL(dB)＝32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)和发送频率f_i，计算t_i时刻终端相对于各基站的距离

3.基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，其特征是将基站位置信息转化为地心坐标的步骤：

以WGS-84坐标系为例，即原点与地球质心重合，X轴指向0°大地子午线与赤道的交点，Z轴指向协议地球北极，Y轴指向东经90°大地子午线与赤道的交点，组成右手系直角坐标。

则基站j的位置信息(经度，纬度，海拔高度)转换为地心坐标(x_j,y_j,z_j)：

式中，N为地球的曲率半径(m)，e为地球的偏心率，a、b为地球的长半轴和短半轴。

4.基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，其特征是计算蜂窝通信终端的位置的步骤：

设终端坐标为P_i(X_i,Y_i,Z_i)，解如下方程组，得到请求定位时刻t_i的终端位置P_i(X_i,Y_i,Z_i)。

。

5.基于蜂窝通信网络的高空风测量方法，其特征是进行空中风的计算：

步骤1：计算风速V_k：

式中，Δt为时间间隔(一般取1秒)，为气球由P_k-1位置移动到P_k位置时，产生的平行于地球圆弧表面的平均位移；

其中，θ_k为气球球由P_k-1位置移动到P_k位置时，气球与地心连线的夹角；

步骤2：由于风向是相对于站心坐标系而言的，因此需将地心坐标(X_k,Y_k,Z_k)转换为站心坐标(X_k′,Y_k′,Z_k′)，具体转化方法如下：

步骤3：计算风向G_k：

当ΔX′＞0时：

当ΔX′＜0，ΔY′≥0时：

当ΔX′＜0，ΔY′＜0时：

当ΔX′＝0，ΔY′＞0时：

G_k＝270                      (10) 

当ΔX′＝0，ΔY′＜0时：

G_k＝90                       (11) 

当ΔX′＝0，ΔY′＜0时：

G_k＝C(静风)                  (12) 

式中

其中，分别为平均弧线两端点地心坐标 对应的的站心坐标；

方向余弦：