一种基于惯性导航的气象探测仪器及其算法的制作方法

本发明涉及空间位置与姿态检测技术领域，具体涉及一种基于惯性导航的气象探测仪器及其算法。

背景技术：

目前高空气象探测的主要仪器为气球搭载的气象探测仪器，通过搭载温度、湿度和气压传感器探测高空大气的温度、湿度和气压，并通过雷达定位、无线电经纬仪定位和卫星导航定位等方式进行空间定位和位移，进行高度和风的探测。

但是目前观测手段存在的问题是，由于气球受到大气水平、垂直气流、太阳辐射导致升力变化，和气球膨胀导致升力变化等因素影响，气象探测仪器的姿态处于不稳定状态，对实际探测结果造成了影响。

技术实现要素：

本发明提供一种基于惯性导航的气象探测仪器，其主要利用惯性导航等姿态监测手段，对仪器的空中姿态信息收集，并在此基础上结合多种传感器信息，进行准确的高空大气温度、湿度和风的探测计算。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于惯性导航的气象探测仪器，应用在高空气象探测器中，其主要包括：设备平台，所述设备平台通过自平衡机构与所述高空气象探测器连接，用于承载探测设备；主控处理器，所述主控处理器固定设置在所述设备平台上；惯性处理单元，所述惯性处理单元固定设置在所述设备平台上，并与所述主控处理器输入端口连接，用于向所述主控处理器发送所述高空气象探测器当前的运动数据；气象传感器，所述气象传感器固定设置在所述设备平台上，并与所述主控处理器输入端口连接，用于向所述主控处理器发送所述高空气象探测器所在空间位置的环境数据；所述主控处理器通过数学模型对所述运动数据及所述环境数据进行计算分析，并得出计算结果；数据发送单元，所述数据发送单元固定设置在所述设备平台上，并与所述主控处理器的输出端口连接，用于向地面接收系统发送所述主控处理器的计算结果。

优选的，所述惯性处理单元包括加速度计、加速度坐标转换模块；所述加速度坐标转换模块连接于所述电脑主机与所述加速度计之间，用于将从所述加速度计获取的坐标系下的x、y轴加速度信号转换为大地坐标系下的x、y轴加速度信号；还包括航向值获取模块，所述航向值获取模块用于获取所述加速度计的航向值。

优选的，所述自平衡机构包括固定底座，所述固定底座内横向并列设有一对腔室，各个所述腔室的底部均横向滑动配合有第一缓冲件，所述第一缓冲件的两端分别与相对应的所述腔室内侧壁固定连接；各个所述腔室顶部均设有开口，各个所述第一缓冲件顶部贯穿所述开口设置；所述固定底座的顶部靠近两侧的部位设有一对第一凹槽，各个所述第一凹槽的底部均固定连接有第二缓冲件，所述第一缓冲件和第二缓冲件的上端均与设备平台的底部固定连接。

优选的，所述第一缓冲件包括滑动连接于各个所述腔室底部的连接块，所述连接块的顶部贯穿所述开口，所述连接块的顶部与所述设备平台的底部固定连接；所述连接块位于所述腔室内的部位横向贯穿设有固定杆，所述固定杆的两端与所述腔室内侧壁固定连接；所述固定杆对应所述连接块两端的部位分别嵌套设有第一弹簧；所述腔室底部设有滑槽，所述滑槽内滑动配合有滑块，所述滑块与所述连接块固定连接。

优选的，所述第二缓冲件包括固定连接于第一凹槽底部上的弹簧伸缩杆，所述弹簧伸缩杆的上端固定连接有缓冲块，所述缓冲块的上端固定连接有固定块，所述固定块与第一凹槽的内壁滑动连接，所述固定块和连接块的上端均与设备平台的下端固定连接；所述弹簧伸缩杆包括固定连接于第一凹槽底部上的伸缩杆和第二弹簧，所述伸缩杆和第二弹簧的上端均与缓冲块的下端固定连接。

优选的，所述自平衡机构还包括固定连接在所述固定底座下端的支撑柱，所述支撑柱的下方设有支撑块，所述支撑块的上端设有第二凹槽，所述支撑柱插设于第二凹槽内，所述第二凹槽的底部上固定连接有多根第三弹簧，多根所述第三弹簧的上端均与支撑柱的下端固定连接。

优选的，一种基于惯性导航的气象探测仪器的算法，其特征在于：采用预设的含有卡尔曼滤波的递推算法推算高空气象探测器的航迹数据，即：

式中x、y表示目标对象在横向和纵向的坐标值，vx、vy表示目标对象在横向和纵向的移动速度分量；fk表示第k个位移对应的状态转移矩阵，δtk表示第k个位移对应的位移时间，εk为第k个位移对应的指数参数，i表示单位矩阵；qk表示动态扰动协方差矩阵，σ2a表示运动加速度的均方差，σ2v表示运动速度的均方差，为常数；其中，σ2＝σ2(1-exp(-2δt/τ))/δt2avkk式中，τ表示与运动速度相关的时间常数。

本发明的有益效果：通过惯性处理单元对高空气象探测器的运动姿态进行捕捉，并向电脑主机发送，而电脑主机通过动力学算法和卡尔曼动态滤波算法得到探空仪专用模组的运动姿态计算出传感器的瞬间位移速，并结合其他的各种气象传感器的返回数据实现更准确的高空大气温度、湿度和风的探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明器件连接关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据图1、图2，一种基于惯性导航的气象探测仪器，应用在高空气象探测器中，其主要包括：设备平台1，所述设备平台1通过自平衡机构与所述高空气象探测器连接，用于承载探测设备；主控处理器2，所述主控处理器2固定设置在所述设备平台1上；惯性处理单元3，所述惯性处理单元3固定设置在所述设备平台1上，并与所述主控处理器2输入端口连接，用于向所述主控处理器2发送所述高空气象探测器当前的运动数据；气象传感器4，所述气象传感器4固定设置在所述设备平台1上，并与所述主控处理器2输入端口连接，用于向所述主控处理器2发送所述高空气象探测器所在空间位置的环境数据；所述主控处理器2通过数学模型对所述运动数据及所述环境数据进行计算分析，并得出计算结果；数据发送单元5，所述数据发送单元5固定设置在所述设备平台1上，并与所述主控处理器2的输出端口连接，用于向地面发送所述主控处理器2的计算结果。

上述设置中，还可通过补充陀螺仪、地磁场传感器、gps模块等，对高空气象探测器运动姿态进行捕捉，并以辅助数据源的形式向电脑主机2发送，而电脑主机2通过动力学算法和卡尔曼动态滤波算法得到探空仪专用模组的运动姿态计算出传感器的瞬间位移速，并结合其他的各种气象传感器4的返回数据实现更准确的高空大气温度、湿度和风的探测。例如测量风量时，假定探测仪器的空间位置代表了气球的空间位置，但是由于探测仪器和气球之间采用软性的绳子连接，探测仪器的复杂运动导致了测风计算中引入了高低频干扰信息，通过姿态定位可以反算出仪器与气球之间的相对空间信息，从而剔除干扰的局部位移，提升测风的准确性。

其中，主控处理器可选用市售常见的单片机或开发板等，由于其包括spi、gpio、uart、定时器捕获通道等接口，因此能后方便的与惯性处理单元、气象传感器、数据发送单元进行连接；同时其处理器内部flash具备运算处理能力，用于计算气象要素、惯性数据、以及数学模型的运算；处理器内部rom具备数据缓冲能力，用于数据的存储、打包等处理。

另外，气象传感器包括温度、相对湿度、气压等传感器及变换电路，用于感应仪器所在位置的气象环境，并将模拟量变换为数字量，输出至主控处理器。

实施例二：

所述惯性处理单元3包括加速度计6、加速度坐标转换模块7；所述加速度坐标转换模块7连接于所述电脑主机2与所述加速度计6之间，用于将从所述加速度计6获取的坐标系下的x、y轴加速度信号转换为大地坐标系下的x、y轴加速度信号；还包括航向值获取模块，所述航向值获取模块用于获取所述加速度计6的航向值。

通过该设置，采用预设的含有卡尔曼滤波的递推算法推算高空气象探测器的航迹数据，即：

式中x、y表示目标对象在横向和纵向的坐标值，vx、vy表示目标对象在横向和纵向的移动速度分量；fk表示第k个位移对应的状态转移矩阵，δtk表示第k个位移对应的位移时间，εk为第k个位移对应的指数参数，i表示单位矩阵；qk表示动态扰动协方差矩阵，σ2a表示运动加速度的均方差，σ2v表示运动速度的均方差，为常数；其中，σ2＝σ2(1-exp(-2δt/τ))/δt2avkk式中，τ表示与运动速度相关的时间常数。

实施例三：

所述自平衡机构包括固定底座9，所述固定底座9内横向并列设有一对腔室10，各个所述腔室10的底部均横向滑动配合有第一缓冲件11，所述第一缓冲件11的两端分别与相对应的所述腔室10内侧壁固定连接；各个所述腔室10顶部均设有开口，各个所述第一缓冲件11顶部贯穿所述开口设置；所述固定底座9的顶部靠近两侧的部位设有一对第一凹槽13，各个所述第一凹槽13的底部均固定连接有第二缓冲件12，所述第一缓冲件11和第二缓冲件12的上端均与设备平台1的底部固定连接。

上述设置中，通过腔室10内的连接块14在水平方向上对设备平台1受到的冲击进行缓冲，防止设备平台1不稳定而影响加速度计6的正常运作。

实施例四：

所述第一缓冲件11包括滑动连接于各个所述腔室10底部的连接块14，所述连接块14的顶部贯穿所述开口，所述连接块14的顶部与所述设备平台1的底部固定连接；所述连接块14位于所述腔室10内的部位横向贯穿设有固定杆15，所述固定杆15的两端与所述腔室10内侧壁固定连接；所述固定杆15对应所述连接块14两端的部位分别嵌套设有第一弹簧16；所述腔室10底部设有滑槽17，所述滑槽17内滑动配合有滑块18，所述滑块18与所述连接块14固定连接。

上述设置中，第一弹簧16的弹性性能能够缓冲设备平台1在水平方向上受到的作用力，固定杆15和第一弹簧16的左右两端分别与腔室10的左右两侧内壁固定连接，腔室10的底部上设有滑槽17，滑槽17内滑动连接有与之相匹配的滑块18，滑块18在滑槽17内移动时便于连接块14将水平方向上的力传递给第一弹簧16，滑块18的上端与连接块14的下端固定连接。

实施例五：

所述第二缓冲件12包括固定连接于第一凹槽13底部上的弹簧伸缩杆19，所述弹簧伸缩杆19的上端固定连接有缓冲块，所述缓冲块的上端固定连接有固定块，所述固定块与第一凹槽13的内壁滑动连接，所述固定块和连接块14的上端均与设备平台1的下端固定连接；所述弹簧伸缩杆19包括固定连接于第一凹槽13底部上的伸缩杆和第二弹簧，所述伸缩杆和第二弹簧的上端均与缓冲块的下端固定连接。

上述设置中，缓冲块能够增大弹簧伸缩杆19的受力面积，缓冲块的上端固定连接有固定块，固定块与第一凹槽13的内壁滑动连接，固定块和连接块14的上端均与设备平台1的下端固定连接，弹簧伸缩杆19包括固定连接于第一凹槽13底部上的伸缩杆和第二弹簧，第二弹簧能够对设备平台1受到的向下的作用力进行缓冲，第二弹簧的，伸缩杆和第二弹簧的上端均与缓冲块的下端固定连接。

实施例六：

所述自平衡机构还包括固定连接在所述固定底座9下端的支撑柱，所述支撑柱的下方设有支撑块22，所述支撑块22的上端设有第二凹槽20，所述支撑柱插设于第二凹槽20内，所述第二凹槽20的底部上固定连接有多根第三弹簧21，多根所述第三弹簧21的上端均与支撑柱的下端固定连接。

上述设置中，当设备平台1受到外力冲击时，会对连接块14产生水平方向上的作用力，此时贯穿连接块14设置的固定杆15上的第一弹簧16会对水平方向上的作用力进行缓冲，提升设备平台1的稳定性，外力冲击会对固定块和支撑柱产生竖直向下的作用力，第一凹槽13底部上的弹簧伸缩杆19和第二凹槽20底部上的第三弹簧21能够在竖直方向上对向下的作用力进行缓冲，使得设备平台1更加的稳定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。