本發(fā)明屬于航天信息識別技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種考慮減速傘氣動力影響的風(fēng)速風(fēng)向探測方法。

背景技術(shù)：

高空定位測風(fēng)通常是將飛升氣球作為隨氣流移動的質(zhì)點(diǎn)，用地面設(shè)備(經(jīng)緯儀或雷達(dá))跟蹤氣球的飛升軌跡，讀取其時間間隔的仰角、方位角、斜距，確定其空間位置坐標(biāo)，或氣球攜帶探空儀，依靠衛(wèi)星對探空儀定位；根據(jù)定位信息，求出氣球所經(jīng)過高度上的平均風(fēng)速風(fēng)向，測量高度可高達(dá)10公里以上。定位測風(fēng)結(jié)果通常采用濾波和平滑的方法去除定位誤差、氣球的擺動和風(fēng)的短周期變化造成的測量誤差，獲得大氣平流的信息。

在定位測風(fēng)方法中通常依靠氣球攜帶探空儀上升，從而根據(jù)其位置等信息進(jìn)行風(fēng)速、風(fēng)向解析時，認(rèn)為氣球系統(tǒng)的質(zhì)量較小，故忽略其慣性，認(rèn)為氣球在水平方向的運(yùn)動就是水平氣流的流動。實(shí)際上，飛行過程中氣球依然受到氣動力的影響，使得方法存在測量誤差。另外，在氣球帶動下探空儀上升過程中氣流作用穩(wěn)定性差，且測量高度不可控。氣球本身容易爆炸，導(dǎo)致探測失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種考慮減速傘氣動力影響的風(fēng)速風(fēng)向探測方法，探測過程中考慮了減速傘氣動力影響，對該影響產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了探測精度。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種風(fēng)速風(fēng)向探測方法，包括如下步驟：

(1)將探空儀從預(yù)定高度向下投放，探空儀在減速傘的帶動下下落飛行；

(2)獲取當(dāng)前時刻探空儀在x、y、z向的坐標(biāo)分量x_i、y_i、z_i、速度分量v_xi、v_yi、v_zi以及氣動力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi，并將x、y、z向的氣動力分量合成為氣動力F_qi；

(3)計算當(dāng)前時刻風(fēng)速與探空儀的相對速度其中，C_d為減速傘阻力系數(shù)，S為減速傘參考面積，ρ_i為當(dāng)前時刻空氣密度；

(4)結(jié)合氣動力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi計算風(fēng)速與探空儀當(dāng)前時刻的相對速度在x、y、z向的分量v_xi平衡、v_yi平衡、v_zi平衡：

(5)計算當(dāng)前時刻探空儀在重力方向上的平衡速度進(jìn)而得到該平衡速度在x、y、z向的速度分量m為質(zhì)量，g為重力加速度；

(6)計算當(dāng)前時刻x、y、z向的實(shí)際風(fēng)速v_{xi實(shí)際}、v_{yi實(shí)際}、v_{zi實(shí)際}：

v_{xi實(shí)際}＝v_xi+v_xi相對-v_xi平衡

v_{yi實(shí)際}＝v_yi+v_yi相對-v_yi平衡

v_{zi實(shí)際}＝v_zi+v_zi相對-v_zi平衡

(7)根據(jù)實(shí)際風(fēng)速計算當(dāng)前時刻在xy平面的風(fēng)向θ_xy和xz平面的風(fēng)向θ_xz：

本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向探測方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明探空儀由譬如火箭等探空設(shè)備攜帶至預(yù)定高度及位置，精確投放后，在減速傘帶動下探空儀自高空下落，實(shí)時測得高空至海平面的風(fēng)速風(fēng)向，測量過程中考慮了減速傘氣動力影響，對該影響產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了精度。探測范圍精確可控，通過火箭等高空投放機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)精確的定點(diǎn)定高投放探空儀，保證測試范圍精確可控。該方法的測風(fēng)高度可根據(jù)需求控制，同時不僅可在陸地等空曠場地測風(fēng)，還可至海上等從地面釋放氣球后其不易抵達(dá)的地方進(jìn)行測風(fēng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明減速傘攜帶探空儀飛行探空儀受力圖；

圖2是本發(fā)明探測方法具體流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明高空風(fēng)速風(fēng)向探測方法，具體步驟如下：

(1)將探空儀從預(yù)定高度向下投放，探空儀在減速傘的帶動下下落飛行。減速傘可采用球型傘、帶條傘等等，優(yōu)選球型傘，阻力小、姿態(tài)穩(wěn)定性好。

(2)獲取當(dāng)前時刻探空儀在x、y、z向的坐標(biāo)分量x_i、y_i、z_i、速度分量v_xi、v_yi、v_zi以及氣動力分量F_qxi、F_qyi、F_qzi。

(21)探空儀采集得到地心空間(WGS-84)坐標(biāo)系內(nèi)前一時刻的坐標(biāo)x_i-1、y_i-1、z_i-1和當(dāng)前時刻的坐標(biāo)x_i、y_i、z_i，同時根據(jù)獲得兩組坐標(biāo)的時間間隔Δt，分別計算x、y、z方向當(dāng)前時刻速度v_xi、v_yi、v_zi，計算公式如下：

$v_{\mathrm{xi}}=\frac{x_i-x_{i-1}}{\mathrm{\Δt}}$

$v_{\mathrm{yi}}=\frac{y_i-y_{i-1}}{\mathrm{\Δt}}$

$v_{\mathrm{zi}}=\frac{z_i-z_{i-1}}{\mathrm{\Δt}}$

式中，v_xi為當(dāng)前時刻x方向速度，x_i-1為前一時刻x方向位置坐標(biāo)，x_i為當(dāng)前時刻x方向位置坐標(biāo)，v_yi為當(dāng)前時刻y方向速度，y_i-1為前一時刻y方向位置坐標(biāo)，y_i為當(dāng)前時刻y方向位置坐標(biāo)，v_zi為當(dāng)前時刻z方向速度，z_i-1為前一時刻z方向位置坐標(biāo)，z_i為當(dāng)前時刻z方向位置坐標(biāo)，Δt為采集兩組坐標(biāo)的時間間隔。

根據(jù)探空儀采集得到WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)當(dāng)前時刻的坐標(biāo)x_i、y_i、z_i和下一時刻的坐標(biāo)x_i+1、y_i+1、z_i+1，同時根據(jù)獲得兩組坐標(biāo)的時間間隔Δt，計算WGS-84坐標(biāo)系內(nèi)下一時刻速度v_xi+1、v_yi+1、v_zi+1，計算公式如下：

$v_{\mathrm{xi}+1}=\frac{x_{i+1}-x_i}{\mathrm{\Δt}}$

$v_{\mathrm{yi}+1}=\frac{y_{i+1}-y_i}{\mathrm{\Δt}}$

$v_{\mathrm{zi}+1}=\frac{z_{i+1}-z_i}{\mathrm{\Δt}}$

式中，v_xi+1為下一時刻x方向速度，x_i+1為下一時刻x方向位置坐標(biāo)，v_yi+1為下一時刻y方向速度，y_i+1為下一時刻y方向位置坐標(biāo)，v_zi+1為下一時刻z方向速度，z_i+1為下一時刻z方向位置坐標(biāo)，Δt為采集兩組坐標(biāo)的時間間隔。

(22)根據(jù)獲得的當(dāng)前時刻速度v_xi、v_yi、v_zi，下一時刻速度v_xi+1、v_yi+1、v_zi+1，當(dāng)前時刻的坐標(biāo)x_i、y_i、z_i及下一時刻的坐標(biāo)x_i+1、y_i+1、z_i+1，計算得到當(dāng)前時刻x方向加速度a_xi、當(dāng)前時刻y方向加速度a_yi及當(dāng)前時刻z方向加速度a_zi，計算公式如下：

$a_{\mathrm{xi}}=\frac{{v_{\mathrm{xi}+1}}^2-{v_{\mathrm{xi}}}^2}{2(x_{i+1}-x_i)}$

$a_{\mathrm{yi}}=\frac{{v_{\mathrm{yi}+1}}^2-{v_{\mathrm{yi}}}^2}{2(y_{i+1}-y_i)}$

$a_{\mathrm{zi}}=\frac{{v_{\mathrm{zi}+1}}^2-{v_{\mathrm{zi}}}^2}{2(z_{i+1}-z_i)}$

式中，a_xi表示當(dāng)前時刻x方向加速度，a_yi表示當(dāng)前時刻y方向加速度，a_zi表示當(dāng)前時刻z方向加速度。

(23)根據(jù)計算得到的當(dāng)前時刻加速度a_xi、a_yi、a_zi，確定當(dāng)前時刻x方向合力F_xi，當(dāng)前時刻y方向合力F_yi，當(dāng)前時刻z方向合力F_zi，計算公式如下：

F_xi＝ma_xi

F_yi＝ma_yi

F_zi＝ma_zi

式中，F(xiàn)_xi為當(dāng)前時刻x方向合力，F(xiàn)_yi為當(dāng)前時刻y方向合力，F(xiàn)_zi為當(dāng)前時刻z方向合力，m為探空儀質(zhì)量。

(24)根據(jù)探空儀重力mg及當(dāng)前時刻的坐標(biāo)x_i、y_i、z_i，確定探空儀 重力mg當(dāng)前時刻在x方向分量mg_xi、當(dāng)前時刻在y方向分量mg_yi及當(dāng)前時刻在z方向分量mg_zi，計算公式如下：

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{xi}}=\mathrm{mg}\frac{x_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{yi}}=\mathrm{mg}\frac{y_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

${\mathrm{mg}}_{\mathrm{zi}}=\mathrm{mg}\frac{z_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}$

式中，mg_xi為探空儀重力當(dāng)前時刻在x方向分量，mg_yi為探空儀重力當(dāng)前時刻在y方向分量及mg_zi為探空儀重力當(dāng)前時刻在z方向分量。

(25)根據(jù)當(dāng)前時刻x方向合力F_xi，當(dāng)前時刻y方向合力F_yi，當(dāng)前時刻z方向合力F_zi，以及探空儀重力mg當(dāng)前時刻在x方向分量mg_xi、當(dāng)前時刻在y方向分量mg_yi、當(dāng)前時刻在z方向分量mg_zi，計算氣動力當(dāng)前時刻在x方向的分量F_qxi，氣動力當(dāng)前時刻在y方向的分量F_qyi，氣動力當(dāng)前時刻在z方向的分量F_qzi，計算公式如下：

F_qxi＝F_xi+mg_xi

F_qyi＝F_yi+mg_yi

F_qzi＝F_zi+mg_zi

式中，F(xiàn)_qxi表示氣動力當(dāng)前時刻在x方向的分量，F(xiàn)_qyi表示氣動力當(dāng)前時刻在y方向的分量，F(xiàn)_qzi表示氣動力當(dāng)前時刻在z方向的分量。

(26)根據(jù)氣動力當(dāng)前時刻在x方向的分量F_qxi，氣動力當(dāng)前時刻在y方向的分量F_qyi，氣動力當(dāng)前時刻在z方向的分量F_qzi，計算當(dāng)前時刻氣動力F_qi，計算公式如下：

$F_{\mathrm{qi}}=\sqrt{F_{\mathrm{qxi}}^2+F_{\mathrm{qyi}}^2+F_{\mathrm{qzi}}^2}$

式中，F(xiàn)_qi表示當(dāng)前時刻氣動力。

(3)根據(jù)當(dāng)前時刻氣動力F_qi及已知的減速傘阻力系數(shù)C_d，減速傘參考面積S，當(dāng)前時刻大氣密度ρ_i，計算風(fēng)速與探空儀當(dāng)前時刻的相對速度v_i相對，計算公式如下：

式中，v_i相對表示風(fēng)速與探空儀的相對速度，C_d為探空儀減速傘阻力系數(shù)，S為探空儀減速傘參考面積，ρ_i為當(dāng)前時刻空氣密度。

(4)根據(jù)風(fēng)速與探空儀當(dāng)前時刻的相對速度v_i相對，氣動力當(dāng)前時刻在x方向的分量F_qxi，氣動力當(dāng)前時刻在y方向的分量F_qyi，氣動力當(dāng)前時刻在z方向的分量F_qzi，當(dāng)前時刻氣動力F_qi，計算風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在x方向的分量v_xi相對，風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在y方向的分量v_yi相對，風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在z方向的分量v_zi相對，計算公式如下：

式中，v_xi相對表示風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在x方向的分量，v_yi相對表示風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在y方向的分量，v_zi相對表示風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在z方向的分量。

(5)根據(jù)探空儀重力mg、減速傘阻力系數(shù)C_d，減速傘參考面積S，當(dāng)前時刻大氣密度ρ_i，計算如果無風(fēng)探空儀在重力方向上當(dāng)前時刻的平衡速度v_i平衡，計算公式如下：

式中，v_i平衡表示如果無風(fēng)探空儀在重力方向上當(dāng)前時刻的平衡速度。

根據(jù)當(dāng)前時刻平衡速度v_i平衡以及當(dāng)前時刻位置坐標(biāo)x_i、y_i、z_i，計算當(dāng)前時刻平衡速度在x方向的分量v_xi平衡，當(dāng)前時刻平衡速度在y方向的分量v_yi平衡，當(dāng)前時刻平衡速度在z方向的分量v_zi平衡，計算公式如下：

式中，v_xi平衡表示當(dāng)前時刻平衡速度在x方向的分量，v_yi平衡表示當(dāng)前時刻平衡速度在y方向的分量，v_zi平衡表示當(dāng)前時刻平衡速度在z方向的分量。

(6)根據(jù)當(dāng)前時刻速度v_xi、v_yi、v_zi，當(dāng)前時刻平衡速度在x方向的分量v_xi平衡，當(dāng)前時刻平衡速度在y方向的分量v_yi平衡，當(dāng)前時刻平衡速度在z方向的分量v_zi平衡，風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在x方向的分量v_xi相對，風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在y方向的分量v_yi相對，風(fēng)速與探空儀的相對速度當(dāng)前時刻在z方向的分量v_zi相對，計算當(dāng)前時刻x方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{xi實(shí)際}，當(dāng)前時刻y方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{yi實(shí)際}，當(dāng)前時刻z方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{zi實(shí)際}的計算公式如下：

v_{xi實(shí)際}＝v_xi+v_xi相對-v_xi平衡

v_{yi實(shí)際}＝v_yi+v_yi相對-v_yi平衡

v_{zi實(shí)際}＝v_zi+v_zi相對-v_zi平衡

式中，v_{xi實(shí)際}表示當(dāng)前時刻x方向?qū)嶋H風(fēng)速，v_{yi實(shí)際}表示當(dāng)前時刻y方向 實(shí)際風(fēng)速，v_{zi實(shí)際}表示當(dāng)前時刻z方向?qū)嶋H風(fēng)速。

(7)根據(jù)當(dāng)前時刻x方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{xi實(shí)際}，當(dāng)前時刻y方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{yi實(shí)際}，當(dāng)前時刻z方向?qū)嶋H風(fēng)速v_{zi實(shí)際}，計算xy平面內(nèi)的當(dāng)前時刻風(fēng)向θ_xy和xz平面內(nèi)的當(dāng)前時刻風(fēng)向θ_xz的計算公式如下：

式中，θ_xy為xy平面內(nèi)的當(dāng)前時刻風(fēng)向和θ_xz為xz平面內(nèi)的當(dāng)前時刻風(fēng)向。

循環(huán)進(jìn)行步驟(1)～(7)即可實(shí)現(xiàn)在一段時間內(nèi)考慮減速傘氣動力影響的風(fēng)速和風(fēng)向的探測。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。