CN113671598B - 一种组合式高空风探测方法 - Google Patents
一种组合式高空风探测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113671598B CN113671598B CN202110930424.8A CN202110930424A CN113671598B CN 113671598 B CN113671598 B CN 113671598B CN 202110930424 A CN202110930424 A CN 202110930424A CN 113671598 B CN113671598 B CN 113671598B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- positioning
- gnss
- ins
- navigation
- data
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000000700 radioactive tracer Substances 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000005433 ionosphere Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01W—METEOROLOGY
- G01W1/00—Meteorology
- G01W1/08—Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
- G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/42—Determining position
- G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
- G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial
-
- 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
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Ecology (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Atmospheric Sciences (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
一种组合式高空风探测方法，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗***发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，探空仪主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计等参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据。
Description
技术领域：
本发明是一种结合GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星***，目前最成熟的是GPS和北斗)和INS(Inertial Navigation System，惯性导航***)的球载式高空风探测技术，主要应用于高空气象探测领域。
背景技术：
气象业务中的高空风探测，一般是指对地面至空中三十多公里高度范围内各个高度上水平气流的方向和速度，即风向、风速的测定。实时、准确的高空风探测资料是进行天气分析预报的最基础资料，也是实施空投和空降、炮兵和防空兵弹道修正等军事气象保障的基本资料。气象业务中，通常利用随气流飘动的物体(通常为气象气球或气象气球与探空仪组成的气球***)作为示踪物，利用其在空中运动的轨迹来进行高空风的探测，称之为轨迹法测风，主要技术关键在于连续、准确获取飞行中气球(或气球***中的探空仪)的位置信息。
目前主要采用以下几种手段跟踪气球：光学测风经纬仪、无线电经纬仪、一次测风雷达、二次测风雷达、GNSS高空探测***、INS高空探测***等。光学测风经纬仪探测容易受到能见度、低云的影响，高空风的探测高度难以得到保证；无线电经纬仪、测风雷达***复杂，体积和重量较大、便携性差，低仰角时测风误差极大；GNSS测风精度高，不发射大功率电磁波、体积和重量较小，但***定位可靠性依赖于空间导航星座存在，卫星导航信号频点公开，容易受到被动强电磁干扰或主动人为电磁干扰无法定位、无法测风，当电离层出现磁暴、太阳风等异常空间天气时会严重影响定位精度，造成测风精度的降低甚至无法测风。
如CN105929192A提供了一种基于GNSS自主测速的测风装置及测风方法,涉及卫星导航领域，使用GNSS接收机进行单点测速,通过获得的GNSS接收机单点位置信息,速度信息以及风速与GNSS接收机速度信息之间的关系,实现了高空风速,风向以及风廓线的计算与测量，不依赖外部高精度辅助设备进行测风。
惯性导航技术通过测量运动物体的惯性信息(加速度信息和转动运动信息)，利用积分计算获得运动物体瞬时速度，进而获得运动物体瞬时位置。目前，惯性导航器件性能不断提高、价格不断降低，针对惯性导航***具有独立性、抗干扰性强、精度高、不会造成电磁干扰等优点，得到了大量应用。INS测风独立、可靠，但目前的INS定位精度低于GNSS，导致测风精度不高，且其定位误差会在观测过程中随时间累加，导致测风精度逐渐降低。
因此，本发明充分利用二者优点，提出一种GNSS+INS的组合式高空风测量方法，保证高空风探测资料的可靠获取和满足精度要求。
发明内容：
本发明目的是，提出一种组合式高空风探测方法，在探空气球携带的常规电子探空仪中同时加装GNSS导航定位模块和INS导航定位模块，通过二者组合进行高空风探测。
本发明的技术方案是，一种组合式高空风探测方法，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗(和/或GPS以及GLONASS)***发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；INS导航定位模块通过探空气球运动过程中，INS导航定位模块的加速度计、数字罗盘等获取探空仪的导航参数；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成，并通过输出模块将数据流送探空发射机；探空发射机通过调制模块、功率放大模块、天线模块将主板送来的数据流向地面、空中或其他位置用户广播发送。
当GNSS导航定位存在且定位准确时，直接输出GNSS定位数据用于计算高空风，同时对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等进行误差补偿订正导航参数，使INS与GNSS定位精度一致；当GNSS导航定位无效时，直接输出INS定位数据用于计算高空风；当GNSS定位信号受到干扰或影响、时断时续时，利用该时段前后，两次GNSS定位准确数据，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等订正导航参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据，提高该时段内测风的准确性。
探空仪(或与地面雷达配合)测量信息包括大气压力、高度、温度、相对湿度和风速风向等。无线电探空仪可同时测量大气臭氧浓度。经纬度由定位信息给出。
在GNSS定位有效时，利用之前10s时间内、GNSS定位数据与INS定位数据的比较，得到INS定位在三维坐标系下的偏移分量；采用滑动平均比较的方式，使INS定位精度与GNSS始终保持一致。当出现GNSS受到干扰、无法定位时，利用INS最新的三维偏移分量对INS定位结果进行订正，输出准确的定位结果。当GNSS干扰排除后、定位再次有效时，再次获取INS定位三维偏移分量，将缺测前后INS三维偏移分量对缺测时段内数据进行优化插值，对该时段内INS定位结果重新订正，使缺测前后与GNSS定位结果保持连续。通过二者的优势互补，可提高测风的可靠性。
组合探空仪中采用的GNSS导航定位模块为北斗和(或)GPS***双模甚至多模组合导航模块(如还可同时接收俄罗斯的GLONASS、欧盟GALILEO等导航卫星信号进行定位)，工作在L波段，可实现单北斗、单GPS，以及北斗+GPS组合定位，当组合定位时，定位精度通常会较单导航***定位精度有所提高。
本发明采用全球导航卫星***与惯性导航***的组合方式：组合探空仪中采用的INS导航定位模块为捷联式惯性导航模块，惯性导航组合直接安装在组合探空仪上，省去平台，其结构简单、体积小，适合探空仪装载平台。INS导航定位模块采用加速度计+数字罗盘，或加速度计+陀螺仪的组合方式。当气球携带组合探空仪飞行过程中，3个加速度计用于测量组合探空仪相对于惯性参照系的3个平移运动加速度，3个自由度数字罗盘或陀螺仪用于测量组合探空仪相对于惯性参照系的3个转动角度，据此计算组合探空仪惯性坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵，通过该矩阵，把加速度计测得的加速度信息变换至地理坐标系进行导航计算，得到组合探空仪的速度和位置信息。
有益效果：本发明给出结合全球导航卫星***和惯性导航***的球载式高空风探测技术方案，本组合探空仪所建立的高空气象探测***，***测风精度较高，安全可靠，代价与现有电子探空仪、GPS探空仪的价格相当，为特殊环境下的高空风测量提供了一种新的有效途径。
附图说明：
图1是GNSS+INS组合探空仪的结构框图。GNSS+INS组合探空仪通过湿、压、湿等气象传感器测量空中温、压、湿等气象要素值；
图2三种方式冗余备份测风数据流。
具体实施方式：
在组合探空仪施放前，需要对INS导航定位模块进行初始对准，其目的是建立起探空仪坐标系相对于地理坐标系的初始关系，为积分提供初值。由于探空仪为一次性使用，将采用低成本的初始对准算法。其具体过程为，首先，在地面静止条件下读取惯导模块所采集的加速度信息，与当地重力加速度进行比对，利用姿态变换矩阵反推姿态角信息，将获得的姿态角初值输入数据处理模块作为初始姿态矩阵，由此，即完成了INS探空仪的初始对准。
由于INS导航定位模块利用积分解算组合探空仪位置信息，其定位误差将随时间快速累积。由于一次探测过程通常较长(约1h左右)，须对INS导航定位模块的误差进行补偿，通常采用卡尔曼滤波等方法以尽量减小定位的随机误差。当GNSS信号存在且定位准确时，不断利用GNSS导航定位结果对INS导航定位模块进行参数订正，使INS定位与GNSS定位精度一致。
GNSS定位准确时，以GNSS定位数据为真实值，计算INS定位数据的误差值，使INS定位数据经过误差订正后与GNSS定位数据一致；注意：误差值是基于最新数据不断更新的。当GNSS定位不准确时，将INS定位数据进行误差订正，即为真实值。
利用轨迹法计算得到高空风信息参数(轨迹法计算高空风原理)：记录气球的运动轨迹，读取时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风速风向。
Claims (2)
1.一种组合式高空风探测方法，其特征是，通过GNSS选定定位数据后，实时获取探空仪的位置，通过对连续测量的位置进行高空风速测量、风向以及风廓线的计算与测量数据处理后，利用轨迹法计算得到高空风；GNSS导航定位模块采用多模导航定位方式，接收北斗和/或GPS以及GLONASS***发送的导航信号，优化处理后，输出GNSS定位数据；INS导航定位模块通过探空气球运动过程中，INS导航定位模块的加速度计、数字罗盘等获取探空仪的导航参数；导航参数和探空测量信息传往探空仪主板，探空仪主板通过输入模块和增益放大模块完成气象要素值、探空仪定位数据信息的数据质量处理、信号采样变换以及数据流生成；
当GNSS导航定位存在且定位准确时，直接输出GNSS定位数据用于计算高空风，同时对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘进行误差补偿订正导航参数，使INS与GNSS定位精度一致；当GNSS导航定位无效时，直接输出INS定位数据用于计算高空风；当GNSS定位信号受到干扰或影响、时断时续时，利用该时段前后两次GNSS定位准确数据，通过对GNSS之前、之后对INS导航定位模块中的速度计、数字罗盘等订正导航参数进行处理，对该缺测时段内INS导航参数进行订正，经处理后输出GNSS缺测时段内的定位数据，提高该时段内测风的准确性。
2.根据权利要求1所述的组合式高空风探测方法，其特征是，在GNSS定位有效时，利用之前10s时间内、GNSS定位数据与INS定位数据的比较，得到INS定位在三维坐标系下的偏移分量；采用滑动平均比较的方式，使INS定位精度与GNSS始终保持一致；当出现GNSS受到干扰、无法定位时，利用INS最新的三维偏移分量对INS定位结果进行订正，输出准确的定位结果；当GNSS干扰排除后、定位再次有效时，再次获取INS定位三维偏移分量，将缺测前后INS三维偏移分量对缺测时段内数据进行优化插值，对该时段内INS定位结果重新订正，使缺测前后与GNSS定位结果保持连续。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110930424.8A CN113671598B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种组合式高空风探测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110930424.8A CN113671598B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种组合式高空风探测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113671598A CN113671598A (zh) | 2021-11-19 |
| CN113671598B true CN113671598B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=78542674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110930424.8A Active CN113671598B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种组合式高空风探测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113671598B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114675055B (zh) * | 2022-03-29 | 2023-05-05 | 北京航空航天大学 | 一种基于惯性***的探空仪风速测量误差补偿方法 |
| CN116010750A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-25 | 中国人民解放军32021部队 | 一种基于精密单点定位技术的探空方法、装置和设备 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101592741A (zh) * | 2009-07-03 | 2009-12-02 | 中国人民解放军理工大学气象学院 | 高空气象探测的北斗探测单元测风方法及其装置 |
| CN103472503A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-12-25 | 中国人民解放军理工大学 | 探空仪及基于ins的高空风探测方法 |
| CN105066994A (zh) * | 2015-08-21 | 2015-11-18 | 中国运载火箭技术研究院 | 一种嵌入式大气数据***与惯性导航***的数据融合方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090326792A1 (en) * | 2007-05-06 | 2009-12-31 | Mcgrath Alan Thomas | 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 |
| US20100014066A1 (en) * | 2008-07-16 | 2010-01-21 | Honeywell International Inc. | Winds aloft profiling system |
-
2021
- 2021-08-13 CN CN202110930424.8A patent/CN113671598B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101592741A (zh) * | 2009-07-03 | 2009-12-02 | 中国人民解放军理工大学气象学院 | 高空气象探测的北斗探测单元测风方法及其装置 |
| CN103472503A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-12-25 | 中国人民解放军理工大学 | 探空仪及基于ins的高空风探测方法 |
| CN105066994A (zh) * | 2015-08-21 | 2015-11-18 | 中国运载火箭技术研究院 | 一种嵌入式大气数据***与惯性导航***的数据融合方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 利用北斗导航***探测高空风的研究;赵世军;高太长;马英;刘磊;测绘科学;第38卷(第5期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113671598A (zh) | 2021-11-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103472503B (zh) | 探空仪及基于ins的高空风探测方法 | |
| US8756001B2 (en) | Method and apparatus for improved navigation of a moving platform | |
| US8630804B2 (en) | Method for geolocating an object by multitelemetry | |
| CN113671598B (zh) | 一种组合式高空风探测方法 | |
| CN108344415B (zh) | 一种组合导航信息融合方法 | |
| CN112987066B (zh) | 基于多***多源定位数据融合的海上目标定位方法 | |
| JP2000506604A (ja) | 改良された車両ナビゲーションシステム及びその方法 | |
| WO1997024583A1 (en) | Improved vehicle navigation system and method using gps velocities | |
| CN107765279B (zh) | 一种融合惯性、卫星的车载定位定向瞄准***及瞄准方法 | |
| CN108594272A (zh) | 一种基于鲁棒卡尔曼滤波的抗欺骗干扰组合导航方法 | |
| CN104252010A (zh) | 一种无线电探空仪及其气象数据测量方法 | |
| CN105242682A (zh) | 靶机目标特性测量*** | |
| JP2000502801A (ja) | 多重軸加速度計を使用する改良された車両ナビゲーションシステム及びその方法 | |
| US8519886B2 (en) | System and method for using GPS interferometry to determine atmospheric conditions | |
| CN113031040A (zh) | 一种用于机场地服车辆的定位方法及*** | |
| CN105929192A (zh) | 一种基于gnss自主测速的测风装置及测风方法 | |
| CN114877881A (zh) | 一种无人机航向角测量数据的融合方法及融合*** | |
| Ismaeel | Design of Kalman Filter of Augmenting GPS to INS Systems | |
| KR101046286B1 (ko) | Ｇｐｓ와 가속도센서를 통합한 위치보정장치 및 방법 | |
| RU2613342C1 (ru) | Малогабаритная навигационная система радиозондирования атмосферы | |
| Bo et al. | Research and experimental validation of the method for barometric altimeter aid GPS in challenged environment | |
| Um et al. | Location sensors | |
| Perry et al. | Precision directly georeferenced unmanned aerial remote sensing system: Performance evaluation | |
| RU116224U1 (ru) | Устройство для измерения и регистрации сферических координат удаленного объекта на местности | |
| Bo et al. | Research on barometric altimeter aiding GPS arithmetic in challenge environment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |