專利名稱：基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
所屬的技術領域電子信息-計算機及網(wǎng)絡產(chǎn)品-空間信息獲取及綜合應用集成系統(tǒng)資源與環(huán)境-大氣污染防治技術一氧化碳排放監(jiān)測技術交叉領域本發(fā)明專利用于監(jiān)測從地面至一定高度的大氣中的co2含量及隨時間變化量，設計、研制、集成開發(fā)的一套基于遙感、衛(wèi)星GPS定位和無人機載碳排放傳感器載荷的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)，將采集到的空間立體環(huán)境的碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)按區(qū)域、空域、時域形成立體的分布與變化趨勢，做為碳排量監(jiān)測和碳匯交易數(shù)據(jù)的科學依據(jù)。主要應用技術領域(1)實現(xiàn)“低碳”的數(shù)字計量化低碳的衡量指標取決于該地區(qū)域內的大氣中二氧化碳的排放量，通過本發(fā)明技術與裝置，可實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境立體空間碳排放量的可持續(xù)性檢測、監(jiān)測、碳數(shù)字量化，實現(xiàn)低碳指標的時域空域內低碳數(shù)字可計量、可比較、可統(tǒng)計、可視化、可變化。(2)可用于碳排放貿(mào)易體系碳排放量的衡量指標需要精確可量測數(shù)字支撐，通過本創(chuàng)新項目的發(fā)明可實現(xiàn)地面監(jiān)測點與空中無人機監(jiān)測組成碳監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)時域空域內碳含量分布的數(shù)字化、可視化，為碳排放貿(mào)易談判、《京都議定書》和“哥本哈根會議”的碳減排義務磋商提供數(shù)據(jù)支撐。(3)可用于國家生態(tài)與環(huán)境立體監(jiān)測-數(shù)據(jù)集成-系統(tǒng)模擬三位一體的我國低碳減排保障體系建設的立體環(huán)境碳排放監(jiān)測。
背景技術：
一是目前歐盟已建立了相對完善的碳排放貿(mào)易體系(EU ETS)，對環(huán)境監(jiān)測的碳排放數(shù)據(jù)及其統(tǒng)計分析已經(jīng)形成完善的體系和相應規(guī)則。美國已經(jīng)建立衛(wèi)星遙感、無人機遙感和地面測碳體系。二是中國已經(jīng)超過美國成為全球最大的碳排放國，根據(jù)《京都議定書》和“哥本哈根會議”的碳減排義務，中國面臨越來越大的碳減排壓力。我國急需研究解決各地大氣中的碳排放量的立體空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，做為衡量和考核各地相應碳排放指標的客觀標準。而國內目前在建立市場化減排體系時，環(huán)保部門仍然采用傳統(tǒng)的方式測碳，如地面固定采集點采集、碳含量分布采用平面方式，數(shù)據(jù)實時性不夠。(1)測碳方法局限性目前環(huán)保部門和氣象部門采集、統(tǒng)計、監(jiān)測的碳排放數(shù)據(jù)都是基于地面相應地點的大氣數(shù)據(jù)的靜態(tài)測量數(shù)據(jù)；需要解決環(huán)境立體監(jiān)測難題。(2)測碳時間局限性目前大氣中的碳含量都是基于人工或設備在采集點采集后，在實驗室環(huán)境進行測量計算出各個地面采集點的碳的含量；需要解決環(huán)境空間的立體測碳的實時性。
(3)測碳數(shù)據(jù)局限性目前環(huán)保部門的碳排放的數(shù)據(jù)不能有效地支持碳交易體系、碳排放貿(mào)易體系(EU ETS)的要求，導致我國在聯(lián)合國氣候變化框架公約下、各國在圍繞2012年之后減排義務進行磋商上難于獲得有利局面。(4)建模仿真局限性中國至2050年生態(tài)與環(huán)境科技發(fā)展、成立國家生態(tài)與環(huán)境立體監(jiān)測-數(shù)據(jù)集成-系統(tǒng)模擬三位一體的我國碳排放保障體系，需要建立對資源生態(tài)環(huán)境的長期監(jiān)測、觀測、探測、實驗、預警、預測的建模與體系仿真的探索和研究平臺。三是根據(jù)查新報告，國內與國外均未查到采用無人機載碳含量檢測傳感器進行空間立體測碳的技術與文獻，也沒有查到無人機載碳傳感器與地面采集點傳感器組成物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境立體空間的碳排放監(jiān)測。四、本發(fā)明專利項目，解決長期以來國家生態(tài)與環(huán)境碳排放的立體監(jiān)測技術難題，采用本發(fā)明專利技術產(chǎn)品，可實現(xiàn)碳資源生態(tài)環(huán)境的長期監(jiān)測、觀測、檢測、實驗的立體監(jiān)測。

發(fā)明內容
本發(fā)明專利以集成創(chuàng)新模式，將遙感技術(RS)、衛(wèi)星GPS定位技術、無人機技術UAV、碳排放傳感器技術、碳數(shù)據(jù)采集處理與仿真建模技術、碳數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計與三維空間數(shù)據(jù)分布可視化技術進行集成創(chuàng)新成“無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)”專利產(chǎn)品，發(fā)明專利內容(1)無人機技術與碳排放監(jiān)測傳感器技術的集成創(chuàng)新解決地面至3000米各高度層的碳排放監(jiān)測、實現(xiàn)碳排放環(huán)境的立體空間監(jiān)測的區(qū)域時域空域數(shù)值分布可視化。(2)衛(wèi)星GPS定位導航技術、電動無人機自動駕駛儀技術與碳檢測技術的集成創(chuàng)新實現(xiàn)了地面站計算機控制的固定翼電動的無人機，按立體空間連續(xù)測碳點來規(guī)劃航線飛行檢測空域，同時電動無人機避免對測碳傳感器數(shù)據(jù)的影響。(3)無人機碳排放監(jiān)測任務規(guī)劃、碳排放傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、遙感RS技術數(shù)學建模與仿真計算技術的研發(fā)與集成創(chuàng)新，形成一個成熟的技術方案，解決了立體空間測碳數(shù)據(jù)可視化效果。(4)帶衛(wèi)星GPS定位的無人機碳排放監(jiān)測的航跡和碳數(shù)據(jù)分布及含量變化，與地面固定點碳排放傳感器、帶衛(wèi)星GPS定位的碳排放監(jiān)測點的傳感器數(shù)據(jù)進行集成，生成海量碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨時間軸的4D的三維空間顯示。
四

參照以下說明、所附權利要求以及附圖，將更好地理解本發(fā)明的裝置和方法的這些設計構思及其技術特征，說明書附圖中給出本發(fā)明專利的各系統(tǒng)之間的計算機程序的主要流程圖，技術方案、整體設計、裝置的工作過程和步驟的技術特征、優(yōu)點方面在發(fā)明創(chuàng)新項目系統(tǒng)的附圖中圖1是基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機技術，可實現(xiàn)三維生態(tài)環(huán)境空間的碳排放監(jiān)測功能的發(fā)明專利產(chǎn)品的系統(tǒng)組成概念圖；是本發(fā)明裝置和方法的系統(tǒng)示意圖。圖2是基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機技術，實現(xiàn)三維環(huán)境空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的框架結構圖；是對圖1的系統(tǒng)結構層次、功能的實現(xiàn)的依據(jù)進行專業(yè)描述；是本發(fā)明裝置組成的結構說明。
圖3是本發(fā)明專利的基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機技術的數(shù)據(jù)業(yè)務流邏輯實現(xiàn)說明圖；是對1的功能技術實現(xiàn)的詳細描述說明。圖4是無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)裝置的組成框圖，是對圖1中和圖3中本發(fā)明裝置的組成進行說明。圖5無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)飛行控制模塊組成框圖，是對圖4中的無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的飛行控制技術原理說明。圖6無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)通信鏈路模塊系統(tǒng)框圖，是對圖4和圖5中的通信鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的技術原理說明。圖7無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)地面指揮控制站原理框圖，是對圖4中測碳無人機地面控制計算機對外接口通信的原理說明。圖8本發(fā)明裝置的實物樣機，是對應圖4中無人機碳減排監(jiān)測系統(tǒng)的實物，進行外場試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。圖9本發(fā)明裝置的實物樣機，是對應圖4中無人機碳減排監(jiān)測系統(tǒng)的實物，無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)處于滑跑起飛狀態(tài)，用于3000米以下各高度層的碳排放量進行階段性連續(xù)測量，通過測碳飛行控制地面站計算機實現(xiàn)立體空間環(huán)境的測碳監(jiān)測。圖10本發(fā)明裝置的無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的地面計算機飛行控制界面，對應圖4、圖5、圖6、圖7，通過無線鏈路來控制測碳無人機的飛行航路和測碳工作狀態(tài)，如采集周期與時間間隔，測碳數(shù)據(jù)傳輸與否，視頻數(shù)據(jù)傳輸與否。圖11本發(fā)明裝置的無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)通信控制收發(fā)射機和天線及電池，對應圖4、圖5、圖6、圖7，實現(xiàn)通過計算機程序、研制的測碳飛行任務規(guī)劃功能，實現(xiàn)三維空間指定位置點的連續(xù)測碳。圖12本發(fā)明裝置的無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)實際外場試驗結果，實現(xiàn)三維空間指定位置點的連續(xù)測碳過程以及測碳數(shù)據(jù)的采集與處理，解決了生態(tài)環(huán)境的近空大氣空間的碳含量檢測的技術問題，測碳精度在小數(shù)點后一位，比目前通用的測碳數(shù)據(jù)精度高、實時性強、地面采集點和空間高度層不同位置都能采集，通過實驗獲取了明顯的測碳含量、碳排放的測量精度高的技術效果。圖13無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的外場測試、試驗數(shù)據(jù)
圖14無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的外場測試、試驗數(shù)據(jù)隨時間、高度、位置的碳含量分布
變化
圖15無人機碳排放空中監(jiān)測系統(tǒng)隨時間、高度、位置的碳含量分布變化圖16無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的外場測試、試驗數(shù)據(jù)隨時間、高度、位置的碳含量分布
變化
圖17無人機碳排放監(jiān)測傳感器及其電源接線圖18無人機碳排放監(jiān)測傳感器五具體實施例方式
無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)，是專門為監(jiān)測從地面至一定高度的空氣中的co2含量而設計、研制、開發(fā)的一套無人機掛載碳排放傳感器載荷的系統(tǒng)，目的是為碳排放量的檢測提供一個空中平臺。(1)空中立體監(jiān)測平臺設計一款用于3000米海撥高度以下測碳飛行的電動無人機，載荷1公斤可掛載碳排放傳感器載荷、視頻監(jiān)視等載荷，飛行時間40分鐘，實現(xiàn)空間立體碳監(jiān)測飛行平臺，具體要求如下碳排放監(jiān)測的無人機系統(tǒng)技術指標A)最大起飛重量6千克左右；用戶載荷1千克B)飛行高度3000米C)最大航時40分鐘(電池電量滿足40分續(xù)航時間(以巡航速度及高度飛行))
D)巡航速度70千米/小時E)橫滾穩(wěn)定性5度F)抗風能力4級(良好飛行所允許的最大風力3級)G)工作溫度-10 +400C ；儲存溫度_45 +600CH)起飛方式滑跑(人工操作)；降落方式滑跑(人工操作)I)衛(wèi)星GPS定位與導航(定位精度5米、磁航向/GPS航路點導航)J)航線全自動規(guī)劃，飛行航跡、高度和姿態(tài)高精度自動控制K)可實時傳輸測碳數(shù)據(jù)至地面指揮控制臺上生成數(shù)據(jù)分布圖L)可同時掛載視頻攝像頭、提供15公里以上實時回傳視頻600MHz實時數(shù)字視頻傳輸鏈路M)可同時控制三架同時飛三個高度、半徑在5-10公里進行碳排放量數(shù)據(jù)采集N)遙測數(shù)據(jù)鏈路2. 4GHz上下行數(shù)據(jù)鏈路，115. 2K射頻數(shù)據(jù)率(MAX)，電臺IW輸出功率本發(fā)明裝置的平臺，需要集成O)中的滿足碳排放檢測精度和時效性、重量和計算機能夠程控的碳含量傳感器，配置測碳地面指揮控制站硬件和研制開發(fā)的解決立體空間測碳技術問題的軟件。(2)碳排放量檢測傳感器載荷通過反復試驗研究、選擇集成一款滿足大氣碳排放量檢測要求的碳檢測傳感器載荷一智能固態(tài)二氧化碳(0) 數(shù)據(jù)記錄儀，集成了國外先進的紅外C02分析儀機芯(計劃國產(chǎn)化)，儀器由微機控制實現(xiàn)全自動，操作時不調零點和滿度，零點和滿度漂移5年內不超差，數(shù)字顯示C02濃度小數(shù)點后1位。無人機載碳排放監(jiān)測傳感器載荷指標A)測量范圍0 2000PPMB)精確度士2% PPM(碳排放傳感器能夠精確到小數(shù)點后1_2位)C)溫度系數(shù)小于0. 05F. S/年D)重復性誤差≤士 1 % F. SE)穩(wěn)定性小于士5% /年F)環(huán)境溫度0°C +50°C (國產(chǎn)化目標是_50°C +50°C )G)環(huán)境濕度0 95% RHH)響應時間測碳傳感器數(shù)據(jù)采集< 10s，實時處理< 60sI)記錄容量14800組/每個本二氧化碳(⑶幻數(shù)據(jù)記錄儀，ITB/監(jiān)測系統(tǒng)J)記錄間隔2秒 M小時連續(xù)可調(地面點和空域中點分別設置)K)通訊接口 手動采用RS-232或USB到地面指揮控制站，自動采用600MHz實時數(shù)字傳輸鏈路至地面指揮控制臺
L)碳排放傳感器能夠精確到小數(shù)點后1位M)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域一次作業(yè)按15公里半徑、3架同時起飛、3個不同測碳高度層實現(xiàn)此區(qū)域空間立體的碳排放數(shù)據(jù)采集與處理；結合地面監(jiān)測點、移動發(fā)射塔、電力線塔的監(jiān)測點組成傳感器網(wǎng)絡，可實現(xiàn)2-20萬平方公里面積的區(qū)域一年四季的多次監(jiān)測，通過建模與仿真計算可優(yōu)化出最合理的空中監(jiān)測時機與路徑。(3)無人機碳排放檢測地面指揮控制站利用GPS衛(wèi)星定位與慣導導航的自駕儀技術，實時控制無人機實現(xiàn)空中任意點的碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)采集；并且可通過無人機任務規(guī)劃系統(tǒng)為無人飛機規(guī)劃出一條或多條碳排放監(jiān)測效率最高、飛行線路或飛行時間最短的、能夠實現(xiàn)空間各個高度層的各區(qū)域的監(jiān)測點最佳飛行路線，通過計算機程序控制、實現(xiàn)對測碳無人機的飛行控制。安裝測碳無人機任務規(guī)劃軟件、碳排放數(shù)據(jù)記錄與處理的采集軟件、環(huán)境立體監(jiān)測的系統(tǒng)仿真軟件，實現(xiàn)環(huán)境空間立體測碳、數(shù)據(jù)集成與處理、建模與系統(tǒng)仿真、碳數(shù)據(jù)分布可視化整體技術方案，解決國內外無此技術手段的問題。(4)碳排放數(shù)據(jù)記錄與處理軟件通過反復試驗研究、選擇集成一套碳排放量檢測、數(shù)據(jù)記錄與處理的模塊，實現(xiàn)采集的實時采集數(shù)據(jù)與處理，飛行區(qū)域的數(shù)據(jù)顯示，并輸出給系統(tǒng)仿真進行整個區(qū)域海量數(shù)據(jù)的顯示。本發(fā)明專利的關鍵技術實現(xiàn)步驟1、自動駕駛儀系統(tǒng)集成飛行穩(wěn)定控制、GPS定位導航和任務控制等諸多功能，是一套完整的中高等性能、低成本和微型化的通用無人機飛行控制系統(tǒng)。(1)集成了碳傳感器和GPS接收機，并且預留衛(wèi)星導航信息接口。全重不大于70克。( M路獨立的飛行和任務控制信號輸出。寬電壓，低功耗、抗過載的系統(tǒng)設計。(3)采用國際先進的紅外C02分析儀機芯，整機無運動部件。儀器由微機控制實現(xiàn)全自動，操作時不調零點和滿度(零點和滿度漂移5年內不超差)。傳感器、微處理器芯片具有IOBit A/D轉換、IXD顯示、固態(tài)數(shù)據(jù)記錄、遠距離通訊功能，可實時顯示并記錄采樣點的二氧化碳(0) 數(shù)據(jù)，數(shù)字顯示C02濃度，體積小重量輕，精度高，壽命長。不用堿石棉調零點，擴散法采樣，不用電動泵取樣，帶省電功能。(4)無人機飛控傳感器包括GPS接收機、三個單軸角速率陀螺、三軸加速度計、空速傳感器和氣壓高度計。全部傳感器均采用自動電子調整歸零參數(shù)，不需要機械調節(jié)。(5)測碳的多個任務航路點，航段速度、航段高度、航點半徑和航路點任務可單獨設置。任務航路點可分別使用經(jīng)緯度或世界坐標系兩種方式設置。(6)立體測碳可精確設置的7種飛行狀態(tài)(起飛、爬升、低速、巡航，俯沖，高速和著陸)。提供自主飛行、遙控飛行(自動駕駛儀控制飛行穩(wěn)定，RC發(fā)射機控制飛行方向、高度和速度)和PIC(人工遙控模式)三種測碳飛行控制模式。(7)可儲存多個航路點的自定義制式航線、循環(huán)航線及測碳傳感器自動記錄采集到的二氧化碳(0) 數(shù)據(jù)，將其保存在碳傳感器記錄儀內的非易失存儲器中，其記錄間隔與方式均可通過RS-232接口由上位機進行設置，以保證在任何時候實時記錄現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，在需要讀取數(shù)據(jù)時可通過RS-232 (USB)接口讀取記錄儀內的數(shù)據(jù)。記錄容量14800組，按每30分鐘記錄一次計算可保留10多個月的二氧化碳(⑶幻數(shù)據(jù)資料，這是傳統(tǒng)檢測儀表所不能做到的。(8)多路A/D模擬數(shù)據(jù)記錄通道可供給測碳使用，參數(shù)設置全部采用國際度量單位。(9)對測碳系統(tǒng)具有較高的控制速率和控制精度。飛行控制系統(tǒng)具有高達到30Hz的控制速率，配合11位高精度伺服控制系統(tǒng)，在預定高度和速度下，快速、精準地控制靶機完成多種機動飛行動作。精確的分段控制策略，為不同飛行狀態(tài)提供穩(wěn)定的控制性能。(10)故障自動檢測及保護功能。自動駕駛控制系統(tǒng)具備智能化的故障自動檢測及保護功能，能夠自動檢測出飛機引擎熄火、電源故障、遙測遙控數(shù)據(jù)鏈路故障、導航信息丟失等故障信息，并自動做出拋傘、關閉發(fā)動機等保護措施，極大的提高了無人機的工作可靠性。2、遙測遙控數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)系統(tǒng)分為地面和機載兩大部分組成。機載鏈路設備包含數(shù)據(jù)傳輸電臺機載全向天線、圖像發(fā)射機機載全向天線、圖像發(fā)射機和數(shù)據(jù)傳輸電臺。地面鏈路設備包含數(shù)據(jù)傳輸電臺地面全向天線、圖像接收機地面天線、圖像接收機和數(shù)據(jù)傳輸電臺?；竟ぷ髟淼孛嬲緦⑦b控命令編數(shù)據(jù)幀發(fā)送給地面數(shù)據(jù)鏈路收發(fā)設備，經(jīng)過調制功率放大，通過雙工器、地面天線無線發(fā)射給遠端-機載設備，機載收發(fā)天線將接收到的信號通過射頻電纜，傳到機載鏈路收發(fā)設備，經(jīng)過放大解調、解數(shù)據(jù)幀后，將遙控幀發(fā)往自動駕駛儀進行解析，進而控制無人機飛行狀態(tài)和任務設備的工作狀態(tài)等；與此同時，機載鏈路設備將飛行控制系統(tǒng)傳來的遙測數(shù)據(jù)幀通過機上數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送給地面數(shù)據(jù)鏈，圖像傳輸電臺則將光電平臺送來的圖像數(shù)據(jù)進行打包，經(jīng)過調制、功率放大，通過天線發(fā)送給地面，地面天線將接收到的小信號，通過雙工器發(fā)送給地面圖像接受設備，進行放大、解調和分包處理，送于地面站進行顯示處理。其中地面天線分為全向天線，近距離無線通信時，地面使用全向天線進行工作；遠距離無線通信時，可增加使用定向天線進行工作。3、無人機為常規(guī)氣動布局設計，具有無后掠梯形機翼，采用S翼型，無副翼，單垂尾，機身后端安裝發(fā)動機和后推式螺旋槳，機翼與機身的安裝為中單翼布局。機身采用整體空間設計形式，內部沒有框梁阻擋，有較大的機身容積，便于設備的安裝及使用維護。這種布局方案優(yōu)點突出，能較好地滿足飛機總體技術指標及使用維護要求。機翼采用中等展弦比設計。500米到3000米巡航狀態(tài)是飛機的主要設計目標。巡航狀態(tài)要求升力系數(shù)為0.85左右。在此情況下，誘導阻力成為全機阻力的主要來源。所以機翼展弦比設計為7. 5，可以減小飛機的誘導阻力。為了保證大的升力系數(shù)，要求機翼的迎角較大。而為使飛機飛行迎角不大，機翼相對機身需要設計2°的安裝角。整個飛機表面由光滑連續(xù)的曲面組成。翼臺和機身融合外形可減小空氣阻力，提高升阻比，同時增大機體內部容積，便于導航、控制設備、任務載荷等的布置和安排。翼型的選擇是無人機機翼參數(shù)選擇的一項重要內容，其性能的好壞直接影響飛機的飛行性能。該型無人機要選用高升力、高升阻比的翼型。升阻比較高，且失速特性緩和，大迎角時能有效的延緩后緣分離，且能有效減小低頭力矩，減小配平阻力。4、無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)地面控制站由飛行主控計算機、碳排放數(shù)據(jù)采集與處理計算機、數(shù)字飛機仿真計算機、鏈路收發(fā)組合、控制桿、串口服務器和網(wǎng)絡交換機以及電源等設備組成。實現(xiàn)地面控制人員對測碳無人機的控制飛行和飛行航線的控制、飛行計劃的改變、飛行數(shù)據(jù)監(jiān)測(包括AS (空速)，GS (地速)，DS (所需速度)，ALT (高度)，DA (所需高度)，LAT (緯度)，L0N(經(jīng)度))、飛行任務控制(包括目標區(qū)域的飛行路線，飛行高度，飛行速度控制，返航控制)。5、無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計、集成創(chuàng)新發(fā)明(1)碳排放傳感器數(shù)據(jù)采集與處理軟件碳傳感器(智能固態(tài)二氧化碳(⑶幻數(shù)據(jù)記錄儀)可配置多種記錄數(shù)據(jù)分析處理軟件，這些軟件的功能并在不斷升級中，其軟件的配置可根據(jù)被監(jiān)測記錄對象的不同而自動調整。在Windows下對采集的碳數(shù)據(jù)可進行列表、繪制曲線、設置工程單位、求平均值、峰值和實時顯示功能。數(shù)據(jù)能按TEXT格式輸出，也能進入EXCEL電子表格或專門的軟件進行數(shù)據(jù)處理，繪制棒圖、餅圖，進行曲線擬合等。(2)無人機碳排放監(jiān)測任務規(guī)劃軟件是根據(jù)衛(wèi)星遙感RS、地圖測繪、和碳排放立體監(jiān)測任務，同時針對監(jiān)測區(qū)域內三維地形、地面監(jiān)測點情況以及無人機的飛行性能參數(shù)，為碳排放監(jiān)測無人機規(guī)劃出一條或多條安全系數(shù)最大、碳監(jiān)測效率最高、飛行線路或飛行時間最短的飛行路線，該模塊的輸出為從初始點到目標點的一系列的航路點，無人飛機依次飛過航路點序列，完成從起點到終點的空中碳監(jiān)測飛行任務。(3)環(huán)境立體監(jiān)測-數(shù)據(jù)集成-系統(tǒng)仿真基于RS的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)建立三維GIS空間，將區(qū)域內地面?zhèn)鞲衅骱蜔o人機平臺傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，通過碳排放數(shù)據(jù)記錄與處理軟件進行數(shù)據(jù)集成處理，通過建模仿真技術，可將環(huán)境立體監(jiān)測的碳排放數(shù)據(jù)分布變化情況繪制在三維GIS平臺上顯示，并且可顯示無人機飛行航跡與位置信息的碳含量數(shù)值。通過海量數(shù)據(jù)庫提供二次分析，為碳排放體系提供準確的數(shù)據(jù)及其變化趨勢。數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)與投影衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)及投影方式WGS84經(jīng)緯度坐標系、UTM投影。衛(wèi)星遙感或航空遙感數(shù)據(jù)TIFF格式的帶參考點坐標及精度信息的正射影像數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)同正射影像數(shù)據(jù)坐標嚴格對應及精度相當?shù)臄?shù)字高程模型數(shù)據(jù)。6、本發(fā)明專利裝置的系統(tǒng)集成開發(fā)(硬件+軟件)(1)、無人機整體集成開發(fā)基于衛(wèi)星GPS定位導航與計算機飛行控制的無人機自動駕馭集成開發(fā)。衛(wèi)星GPS定位導航技術、無人機自動駕駛儀技術與碳檢測技術的集成創(chuàng)新，實現(xiàn)了地面站計算機控制的固定翼電動的無人機，按規(guī)劃自動飛行測碳，電動無人機減少了對測碳傳感器影響。(2)、無人機平臺與碳排放檢測傳感器集成按國際通用的碳排放檢測標準選擇測碳精度滿足環(huán)境立體空間測碳數(shù)據(jù)要求的傳感器進行集成、反復試驗、結果分析。遙感RS技術、無人機技術與碳排放監(jiān)測技術的集成創(chuàng)新，解決長期以來碳排放環(huán)境立體監(jiān)測的難題；特別是地面至3000米各高度層的碳排放監(jiān)測。(3)、無人機飛行控制軟件與空間碳排放信息獲取之間的集成開發(fā)；環(huán)境立體監(jiān)測-數(shù)據(jù)集成-系統(tǒng)仿真三位一體集成創(chuàng)新，無人機碳排放監(jiān)測任務規(guī)劃軟件、碳排放傳感器數(shù)據(jù)采集與處理軟件、數(shù)學建模與仿真計算技術、仿真數(shù)據(jù)可視化技術的研發(fā)與集成創(chuàng)新，實現(xiàn)環(huán)境立體監(jiān)測-數(shù)據(jù)集成-系統(tǒng)仿真三位一體的基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)。0)、無人機空間指定點的測碳數(shù)據(jù)與地面固定點位置測碳數(shù)據(jù)的集成，與地面GPS定位移動點測碳數(shù)據(jù)的集成。碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)按區(qū)域、空域、時域形成立體的分布技術創(chuàng)新，帶衛(wèi)星GPS定位的無人機碳排放監(jiān)測的航跡和碳數(shù)據(jù)分布及含量變化，與地面固定點碳排放傳感器、帶衛(wèi)星GPS定位的碳排放監(jiān)測點的傳感器數(shù)據(jù)進行集成，生成海量碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)；將采集到的空間立體環(huán)境的碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)按區(qū)域、空域、時域形成立體的分布與變化趨勢，做為測碳放量和碳交易的科學依據(jù)。(5)、針對數(shù)據(jù)集成后的海量測碳數(shù)據(jù)進行仿真建模與系統(tǒng)仿真，與時間軸、空間三維位置坐標軸的碳排放量分布的可視化建模，仿真計算，結果顯示與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析?；谶b感RS的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)生成大地形海量數(shù)據(jù)的三維立體環(huán)境空間，將海量碳排放的監(jiān)測數(shù)據(jù)分布與變化進行可視化繪制顯示，通過建模與仿真技術彌補間隙帶數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域內碳排放量隨時間變化數(shù)據(jù)的實時采集、處理、仿真計算與可視化。可為我國在建立市場化減排體系時(包括環(huán)境稅和碳稅的相關管理制度)，解決各地大氣中的碳排放量立體監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理、及相關數(shù)學建模與仿真計算與數(shù)學統(tǒng)計問題，做為衡量和考核各地政府在執(zhí)行相應碳排放指標的直觀客觀、科學創(chuàng)新、可操作的監(jiān)測標準。
權利要求
1.一種基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)分別具有基于衛(wèi)星GPS定位導航組件、無人機自動駕駛儀組件、碳排放檢測傳感器組件，集成至電動無人機平臺上，與無人機地面指揮控制臺組件、組成生態(tài)環(huán)境立體空間碳排放量監(jiān)測裝置；與無人機的地面碳排放采集點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)集成，形成按區(qū)域、空域、時域形成立體空間碳排放量數(shù)據(jù)的分布與變化趨勢圖表，解決地面至3000米各高度層的碳排放監(jiān)測技術難題，實現(xiàn)碳排放環(huán)境的立體空間監(jiān)測的區(qū)域時域空域數(shù)值分布可視化；基于遙感RS技術的三維6IS引擎的立體空間，通過系統(tǒng)仿真技術，將碳排量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行三維空間分布可視化，實現(xiàn)區(qū)域間各省市區(qū)的碳匯交易數(shù)據(jù)的海量數(shù)據(jù)立體透視。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有生態(tài)環(huán)境立體空間碳含量監(jiān)測的發(fā)明裝置，其中，實現(xiàn)了地面站計算機控制的固定翼電動的無人機，按立體空間連續(xù)測碳點來規(guī)劃航線飛行檢測空域，同時電動無人機避免對測碳傳感器數(shù)據(jù)的影響；測碳電動無人機飛行的高度是3000米海撥高度以下、飛行半徑10公里，載荷1公斤、可掛載碳排放傳感器載荷、視頻監(jiān)視等載荷，飛行時間40分鐘，通過一個地面控制臺可同時控制3架無人機同時在空飛行，一次可覆蓋100平方公里的測碳區(qū)域和空域；衛(wèi)星GPS定位與導航(定位精度1. 8米、磁航向/GPS航路點導航)，實現(xiàn)航線全自動規(guī)劃，飛行航跡、高度和姿態(tài)高精度計算機自動控制；可實時傳輸測碳數(shù)據(jù)至地面指揮控制臺上生成數(shù)據(jù)分布圖。遙測數(shù)據(jù)鏈路2. 4GHz上下行數(shù)據(jù)鏈路，115. I射頻數(shù)據(jù)率(MAX)，電臺IW輸出功率。
3.根據(jù)權利要求1所述立體空間監(jiān)測的區(qū)域時域空域數(shù)值分布可視化，其中，軟件包括無人機碳排放監(jiān)測任務規(guī)劃軟件、碳排放傳感器數(shù)據(jù)采集與處理軟件、遙感RS技術數(shù)學建模與仿真計算及可視化軟件，形成一個成熟的測碳任務規(guī)劃、測碳數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)集成與可視化的實用技術方案，解決了立體空間測碳數(shù)據(jù)池、并且能夠隨時間變化的碳含量變化可視化效果。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)，其中，帶衛(wèi)星GPS定位的無人機碳排放監(jiān)測的航跡和碳數(shù)據(jù)分布及含量變化，與地面固定點碳排放傳感器、帶衛(wèi)星GPS定位的碳排放監(jiān)測點的傳感器數(shù)據(jù)進行集成，生成海量碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨時間軸的4D的三維空間顯示。
5.根據(jù)權利要求2所述固定翼電動的無人機，其中，碳監(jiān)測傳感器指標對碳排放數(shù)據(jù)的測量范圍0 2000PPM，測碳精確度士2% PPM，溫度系數(shù)小于0. 05F. S/年，重復性誤差士1% F. S，穩(wěn)定性小于士5% /年，響應時間測碳傳感器數(shù)據(jù)采集彡10s，實時處理彡60s，環(huán)境溫度-10°C +50°C，環(huán)境濕度0 95% RH，記錄容量:14800組/每個本二氧化碳(C02)數(shù)據(jù)記錄儀，ITB/監(jiān)測系統(tǒng)，記錄間隔2秒 24小時連續(xù)可調(地面點和空域中點分別設置)，通訊接口 手動采用RS-232或USB到地面指揮控制站，自動采用600MHz實時數(shù)字傳輸鏈路至地面指揮控制臺。
6.根據(jù)權利要求3所述的立體空間監(jiān)測的區(qū)域時域空域數(shù)值分布可視化，其中，衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)DOM和數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM要求具有統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)和投影方式WGS84經(jīng)緯度坐標系及UTM投影；GE0TIFF格式的帶參考點坐標及精度信息的正射影像數(shù)據(jù)；影像數(shù)據(jù)支持JPG、tiff等標準格式影像數(shù)據(jù)局部更新；采用坐標系統(tǒng)(WGS84、CGCS2000)、理想地球與地球模型的定位精度差距于1. 8米，三維圖形驅動機制OpenGLl. 3，C/S模式，地球模型圓球+橢球兩種建模方式，支持多分辨率全球海量數(shù)據(jù)TB級裝載(含90-0. 61米精度及0. 2航拍圖)，支持多級精細程度的.3DS或.fit格式的三維數(shù)字裝備模型顯示；支持MATLAB建模模型與分析；能夠連續(xù)縮放和平滑移動、旋轉；畫面質量無抖動，無畸變，無鋸齒；響應時間不大于1秒；支持基于HLA的RTI中間件的SOM和FOM表的開發(fā)和系統(tǒng)仿真。
7.根據(jù)權利要求2所述固定翼電動的無人機，其中，碳檢測傳感器載荷一智能固態(tài)二氧化碳(0) 數(shù)據(jù)記錄儀，采用紅外C02分析儀機芯由微機控制實現(xiàn)全自動，操作時不調零點和滿度，零點和滿度漂移5年內不超差，數(shù)字顯示C02濃度小數(shù)點后1位。
全文摘要
基于遙感、衛(wèi)星定位導航和無人機的三維空間碳排放監(jiān)測系統(tǒng)，其所屬的技術領域電子信息-計算機及網(wǎng)絡產(chǎn)品-空間信息獲取及綜合應用集成系統(tǒng)資源與環(huán)境-大氣污染防治技術--，其解決該問題的技術方案的要點將遙感技術(RS)、衛(wèi)星GPS定位技術、無人機技術UAV、碳排放傳感器技術、碳數(shù)據(jù)采集處理與仿真建模技術、碳數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計與三維空間數(shù)據(jù)分布可視化技術進行集成創(chuàng)新，研制成“無人機碳排放監(jiān)測系統(tǒng)”發(fā)明裝置，其主要用途實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境立體空間碳排放量的可持續(xù)性檢測、監(jiān)測、碳數(shù)字量化，實現(xiàn)低碳指標的時域空域內低碳數(shù)字可計量、可比較、可統(tǒng)計、可視化、可變化。
文檔編號G05D1/10GK102591351SQ201110007828
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權日2011年1月14日
發(fā)明者曾安里, 金作龍, 高雨青 申請人:北京航天慧海系統(tǒng)仿真科技有限公司, 曾安里, 高雨青