专利名称：一种应用于空降空投的气象引导方法以及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种远距离区域性的气象自动探测方法以及对应的气象引导系统，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术：
空降空投是将人员和物资快速地部署到地面交通工具难以到达地区的有效手段之一。近年来，在汶川地震、舟曲泥石流灾害以及频繁发生的化工厂爆炸以及有毒气体泄漏等事故灾难中，救灾物资、器械甚至抢险人员往往通过空投或空降的方式到达灾害发生区域。然而，由于空投地区气象因素的影响，尤其是风向风速，时常造成空投物资偏离目标，使救灾物资不能发挥应有的作用，而且，强烈的气流变化还会威胁空降救援人员的生命安全。 由此可见，小区域范围内的气象参数，如水平风向风速、海拔高度、大气压力和温湿度等气象信息是保证人员和物资准确空投的必要参数。在空降空投的气象参数中，海拔高度3000米范围内，水平面风向、风速信息是空投空降的关键气象因子，直接关系到空降空投准确性和安全性。现阶段，对局部区域上空水平面风向风速的观测方法主要有两种，一是通过事先派遣的气象引导分队，携带气象观测设备，如气球或雷达，对探测区域上空气象参数进行测量，然后由引导人员使用通信设备将气象信息通报给空降空投指挥中心。这种观测方法的优点是时效性和准确性都比较高，但是，在危险地区，该方法难以保障观测人员的生命安全。二是由固定气象站对当地的气象进行观测，该方法测量的精度与气象站到空投空降场的距离有关，气象站距离空降场越远，精度越差，而且，气象站缺乏移动性，该方法也不适宜危险地区气象的观测。风向风速测量技术主要包括卫星、雷达、气象站、机械涡轮式测量和超声波风向风速测量等。遥感气象卫星在大气层外观测地球上空的气象信息。这种方法适用于大范围气象预报，对小范围内风向风速观测的精度差，难以得到每100米各分层水平面风向风速信息， 不能满足空降空投任务的要求。气象测风雷达通过发射微波无线电信号，通过对其反射波的分析，能够探测10 100公里外区域上空的大气信息。通过雷达测量风向风速，其精度比较高，也可观测每100 米各分层水平面的风向风速。但是雷达设备体积比较大，机动性差，难以适应复杂地区的气象观测。机械涡轮式风速仪工作原理是在风力的作用下，涡轮叶片绕轴旋转，叶片转速跟风力大小成正比，转速通过电触点或光触电触发，输出矩形波，并由计数器计算转速，通过相应算法计算风速。风向的计算则是通过在尾部的尾翼，随风向的变化，使中轴的旋转，通过传感器与电子罗盘，输出风向。机械涡轮测风仪系统结构简单、测速范围大，相关的技术也较为成熟，产品较多，多用于地面气象站的风向风速测量。但是这种方法主要应用于固定水平面的风向风速测量，当安装平面姿态不稳定，产生倾斜或翻滚时，测量结果容易受机械磨损影响，数据误差较大，而且该方法需要一定大小的启动风速，当在风速较小的情况下进行测量，其数据准确性与可靠性都比较差。超声波风向风速测量，是利用声波传输特性来测量风向风速。超声波在空气中传播速度受到空气流速，即风速的影响，顺风时传播速度快，逆风时则慢，利用超声波传播的时差特性，可以对风向风速进行测量。超声波风向风速测量仪设备轻便，仪器没有转动部件，因而也不存在机械的磨损，能够克服机械式测风仪转轴磨损而引起的测量误差，能够测量任意方向、任意角度风速分量，启动风速比较小。英国GILL公司和德国德图公司都有相应的超声波风速风向产品投产使用，但是，在国内，超声波风向风速测量技术还不成熟，缺乏实用性产品。超声波风向风速测量仪也需要水平面支撑，当水平面变化时，由于测量数据不能反映水平面真实风向风速，容易产生误差。与机械涡轮测风仪类似，超声波风向风速测量仪也不能直接应用于空中不同层次风向风速的测量。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种空投式空降空投气象自动引导系统。本发明是克服现有技术存在的技术问题，提供一种应用于空降空投的气象引导方法以及系统，利用本发明的方法以及系统装置，可以在空降过程中进行水平面风速、风向、 大气压力和地理位置等气象参数的测量，通过移动通信网络传输给100公里以外飞机上的接收机，使后续空投飞机可以分析气象数据，调整飞行路行，准确、快速地进行空降、空投。一种应用于空降空投的气象引导方法，利用由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其特征在于包括有下列步骤步骤1、在飞行器上同时空投测量装置和中继装置；步骤2、测量装置在空降过程定距离测量包括水平风向风速、温湿度、海拔高度、大气压的气象数据并将其发送给中继装置；步骤3、中继装置将步骤2接收的气象数据整理打包后转发至飞行器上的接收装置；步骤4、接收装置对步骤3接收到的气象数据进行气象分析整理并据此引导空降空投。所述的步骤3包括有下述子步骤步骤3-1、测量装置申请无线信道的使用权；步骤3-2、在获得无线信道的使用权后，测量装置向中继装置发送一个RTS帧，请求与中继装置进行通信连接；步骤3-3、中继装置接收到测量装置的RTS请求后，向测量装置发送CTS 命令帧；步骤3-4、如果测量装置没有接收到中继装置发出的CTS命令帧，则返回重新执行步骤3-2 ；步骤3-5、测量装置接收到中继装置发出的CTS命令帧后，开始向中继装置发送数据；步骤3-6、中继装置在收到测量装置发来的数据，并且检验数据正确后，向测量装置发送ACK数据确认帧；步骤3-7、测量装置在收到中继装置发来的ACK数据确认帧后，测量装置与中继装置之间完成一次数据传输。所述步骤3-1包括有下述子步骤步骤3-1-1、在测量装置准备与中继装置通信前，先在通信频道上进行载波监测，侦听信道是否空闲；步骤3-1-2、当测量装置检测到信道空闲时，不立即发送数据，采用“二进制指数退避算法”延时一段退避时间，启动退避计数器，开始递减计数；步骤3-1-3、如果检测到信道被占用，则暂停退避计数器，并保持计数器的值不变，并继续侦听信道是否空闲；步骤3-1-4、当重新检测到信道空闲时，退避计数器在原先计数值的基础上再递减计数；步骤3-1-5、当测量装置的退避计数器的计数值减到零时，测量装置即获得了无线信道的使用权。实现上述方法的一种应用于空降空投的气象引导系统，由测量装置、中继装置和接收装置组成移动通信网络，所述的测量装置包括有第一控制单元，风速风向测量和校正模块，第一存储器、第一 GPS、第一通信移动模块、大气压力与海拔高度测量模块、温湿度测量模块，第一电源供电模块；其中，风向风速测量与校正模块、第一存储器、第一移动通信模块、温湿度测量模块、第一 GPS以及大气压与海拨测量模块均连接到第一控制单元；第一电源供应模块同其它模块均有连接进行供电。所述的中继装置包括天线、第二控制单元、第二存储器、第二移动通信模块、功率放大器、第二 GPS、第二电源供应模块；第二移动通信模块、第二存储器和第二 GPS模块均连接到第二控制单元；第二电源供应模块同第二控制单元、第二存储器、第二移动通信模块、功率放大器、第二 GPS均有连接进行供电。所述的测量装置与所述的中继装置通过发射和接收实现信号连通，所述的中继装置和所述的接收装置通过发射和接收实现信号连通。所述的风速风向测量和校正模块包括东西南北方向上对称放置的两对超声波换能器模块、三维罗盘、第三控制单元、支持装置；两对超声波换能器模块和三维罗盘均与第三控制单元相连；三维罗盘位于超声波换能器模块的中心原点位置，其北向指示点指向南北纵轴线的北向。所述第三控制单元包括两对超声波换能器模块的声波和电波转换的转换单元、声波的发送和接收的传送单元、声波传输时间测量的测量单元，三维罗盘方位角、俯仰角、翻滚角的测量控制单元，合成风速风向并且进行校正的计算单元。所述测量装置中的第一移动通信模块与所述的中继装置中的第二移动通信模块在数据通信过程中具有相同频率；
所述第一移动通信模块、第二移动通信模块具有433MHz、868MHz、915MHz三个可选择频率。所述的测量装置与所述的中继装置采用星形网络拓扑结构组成移动通信网络。本发明所涉及的一种应用于空降空投的气象引导系统，所述测量装置的数量为 5-20 个。本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法以及系统具有如下优点
1、采用本发明的气象参数测量装置，可以探测空降空投场地上空局部水平风速风向、 大气压力、温湿度等气象参数，并将这些数据传递到100公里以外、携带物质或人员的后续飞机，后续飞机可以通过分析这些气象数据，调整飞行路线，准确、快速地进行空降、空投。2、采用本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法，时效性强，机动性高，适合复杂地理环境的气象观测。
图1本发明的测量装置结构示意图； 图2本发明的中继装置结构示意图3本发明的风速风向测量与校正模块的电子结构示意图； 图4本发明的风速风向测量与校正模块的结构俯视图； 图5超声波换能器模块测得的风向的方位角β示意图；图6三维罗盘方位角示意图； 图7三维罗盘的俯仰角和翻滚角示意图； 图8本发明的测量装置的工作流程图； 图9本发明采用的传输控制帧格式； 图10本发明采用的数据帧格式；
图11采用本发明装置进行测量的水平风向风速分布示意图.
其中
1、测量装置；
1-1、风速风向测量和校正模块
1-3、第一存储器；
1-5、第一通信移动模块；
1-7、温湿度测量模块；
2-1、天线；
2-3、第二存储器； 2-5、第二 GPS ； 2-7、功率放大器； 3.1、第一超声波探头 4.1、第二超声波探头 5.1、第三超声波探头 6.1、第四超声波探头； 8、三维罗盘； β 风向白妨働； θ三维罗盘测得的俯仰角；
2、中继装置；
1-2、第一控制单元； 1-4、第一 GPS ；
1-6、大气压力与海拔高度测量模块
1-8、第一电源供电模块；
2-2、第二控制单元； 2-4、第二移动通信模块； 2-6、第二电源供电模块；
3、第一超声波换能器模块；
4、第二超声波换能器模块
5、第三超声波换能器模块；
6、第四超声波换能器模块；
7、第三控制单元； 9、支撑装置；
α 3隹卿隱妨働； 7三维罗盘测得的翻滚角。
具体实施例方式本发明所涉及的一种空降空投气象引导系统由多个测量装置与中继装置组成无线移动自组织网络，采用降落伞对测量装置和中继装置进行空投，在海拔3000米范围内、 测量装置可以实现在降落过程中进行垂直距离每100米水平面的风向风速、温湿度和大气压等气象数据的测量，测量装置射频通信半径在1公里范围内。中继装置可以实现转发测量装置所测量的数据至到100公里以外的接收机，中继装置在伞降落地后也可以作为后续飞机空降空投的参考定位点。测量装置构造如图1所示，测量装置包括第一控制单元1-2，风速风向测量和校正模块1-1，第一存储器1-3、第一 GPS 1-4、第一通信移动模块1-5、大气压力与海拔高度测量模块1-6、温湿度测量模块1-7、第一电源供电模块1-8。其中，风向风速测量与校正模块 1-1、温湿度测量模块1-7、第一GPS 1-4以及大气压与海拨高度测量模块1-6通过串口连接到第一控制单元1-2 ；第一移动通信模块1-5通过高速同步串行口接口 SPI与第一控制单元1-2连接。第一控制单元1-2，风速风向测量和校正模块1-1，第一存储器1-3、第一 GPS 1-4、第一通信移动模块1-5、大气压力与海拔高度测量模块1-6、温湿度测量模块1-7均同第一电源供应模块1-8相连接，第一电源供应模块1-8对以上模块进行供电。大气压与海拨高度测量模块1-6中的海拔高度测量采用以大气压力为参变量的海拔高度传感器，每100 米高度的误差范围不大于5米。测量装置的风向风速测量与校正模块主要包括三个部分，即两对超声波换能模块 3、4、5、6、三维罗盘8、第三控制单元7，风速风向测量与校正模块的电子结构如图3所示，两对超声波换能模块3、4、5、6和三维罗盘8和第三控制单元7相连，第三控制单元7负责启动南北、东西两个不同方向上超声波换能器模块的工作，控制着他们的工作模式，即发射或接收，测量超声波在南北、东西两个相互垂直方向上的来回传播时间。第三控制单元还负责启动三维罗盘工作，并接收三维罗盘的测量数据。本发明的风向风速测量模块的结构图参见图4，两对超声波换能模块3、4、5、6和三维罗盘8放置于一个支撑装置9上，第三控制单元7放置在支撑装置9的下方。一对超声波换能模块的超声波探头，即第一超声波探头3. 1 和第二超声波探头4. 1固定在支撑装置平面上设定的南北方向纵轴上，纵轴正向指向正北方；另一对超声波换能模块的超声波探头，即第三超声波探头5. 1和第四超声波探头6. 1 则固定在东西方向横轴上，横轴正向指向东方。南北的第一超声波探头3. 1、第二超声波探头4. 1，东西的第三超声波探头5. 1、第四超声波探头6. 1均呈对称放置，两对超声波探头间彼此之间的距离均为d厘米，南北、东西方向的超声波探头的方向交汇点为坐标原点。三维罗盘8的北向指示点B在南北方向纵轴上，方向指向北向第一超声传感器模块3。本发明所涉及的风向风速测量与校正模块进行风速测量以及校正的工作过程以及原理可以描述如下
风向m测量機: 用超声行测量_，在 ^青况下，超声波传播■是一定的，而 风
时，超声波传播的搬会叠加上蘭麗时，職__ =
，逆风时，
，因此逆风传播时间相对较长。
风向风速测量模块在空投下降过程中，因受到外界环境的影响，很难保持支撑平面平行与水平面和纵轴指向正北方。 本发明利用超声波与风速之间的关系，当测量装置在下降时，测量装置的风向风速测量与校正模块进行开始启动工作，测量风速时，可以测量获得设置其中的南北、东西正交方向两对超声波探头之间超声波的来回传播的时间tl2、t21、t34和t43，其中南北方向上的第一超声波探头、第二超声波探头之间所测得的超声波传播时间分别为tl2、t21，东西方向上的第三超声波探头、第四超声波探头之间所测得的超声波传播时间分别为t34和
t43，由公式
权利要求
1.一种应用于空降空投的气象引导方法，利用由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其特征在于包括有下列步骤步骤1、在飞行器上同时空投测量装置和中继装置；步骤2、测量装置在空降过程定距离测量包括水平风向风速、温湿度、海拔高度、大气压的气象数据并将其发送给中继装置；步骤3、中继装置将步骤2接收的气象数据整理打包后转发至飞行器上的接收装置； 步骤4、接收装置对步骤3接收到的气象数据进行气象分析整理并据此引导空降空投。
2.如权利要求1所述的一种应用于空降空投的气象引导方法，其特征在于所述的步骤3包括有下述子步骤步骤3-1、测量装置申请无线信道的使用权；步骤3-2、在获得无线信道的使用权后，测量装置向中继装置发送一个RTS帧，请求与中继装置进行通信连接；步骤3-3、中继装置接收到测量装置的RTS请求后，向测量装置发送CTS命令帧； 步骤3-4、如果测量装置没有接收到中继装置发出的CTS命令帧，则返回重新执行步骤3-2 ；步骤3-5、测量装置接收到中继装置发出的CTS命令帧后，开始向中继装置发送数据； 步骤3-6、中继装置在收到测量装置发来的数据，并且检验数据正确后，向测量装置发送ACK数据确认帧；步骤3-7、测量装置在收到中继装置发来的ACK数据确认帧后，测量装置与中继装置之间完成一次数据传输。
3.如权利要求2所述的一种应用于空降空投的气象引导方法，其特征在于所述步骤 3-1包括有下述子步骤步骤3-1-1、在测量装置准备与中继装置通信前，先在通信频道上进行载波监测，侦听信道是否空闲；步骤3-1-2、当测量装置检测到信道空闲时，不立即发送数据，采用“二进制指数退避算法”延时一段退避时间，启动退避计数器，开始递减计数；步骤3-1-3、如果检测到信道被占用，则暂停退避计数器，并保持计数器的值不变，并继续侦听信道是否空闲；步骤3-1-4、当重新检测到信道空闲时，退避计数器在原先计数值的基础上再递减计数；步骤3-1-5、当测量装置的退避计数器的计数值减到零时，测量装置即获得了无线信道的使用权。
4.实现权利要求1所述方法的一种应用于空降空投的气象引导系统，由测量装置、中继装置和接收装置组成移动通信网络，其特征在于所述的测量装置(1)包括有第一控制单元(1-2)，风速风向测量和校正模块(1-1)， 第一存储器(1-3)、第一 GPS(1-4)、第一通信移动模块(1-5)、大气压力与海拔高度测量模块(1-6)、温湿度测量模块(1-7)，第一电源供电模块(1-8)；其中，风向风速测量与校正模块(1-1)、第一存储器(1-3)、第一移动通信模块(1-5)、温湿度测量模块(1-7)、第一 GPS (1-4)以及大气压与海拨测量模块(1-6)均连接到第一控制单元(1-2)；第一电源供应模块(1-8)同其它模块均有连接进行供电；所述的中继装置(2)包括天线0-1)、第二控制单元0-2)、第二存储器0-3)、第二移动通信模块(2-4)、功率放大器(2-7)、第二GPS( 2-5)、第二电源供应模块；第二移动通信模块0-4)、第二存储器(2- 和第二 GPS (2-5)模块均连接到第二控制单元0-2)； 第二电源供应模块0-6)同第二控制单元0-2)、第二存储器0-3)、第二移动通信模块 0-4)、功率放大器0-7)、第二 GPS (2-5)均有连接进行供电；所述的测量装置与所述的中继装置通过发射和接收实现信号连通，所述的中继装置和所述的接收装置通过发射和接收实现信号连通。
5.如权利要求4所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述的风速风向测量和校正模块(1-1)包括东西南北方向上对称放置的两对超声波换能器模块(3、4、5、6)、三维罗盘(8)、第三控制单元(7)、支持装置(9)；两对超声波换能器模块(3、4、5、6)和三维罗盘(8)均与第三控制单元(7)相连；三维罗盘(8)位于超声波换能器模块(3、4、5、6)的中心原点位置，其北向指示点指向南北纵轴线的北向。
6.如权利要求5所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述第三控制单元(7)包括两对超声波换能器模块的声波和电波转换的转换单元、声波的发送和接收的传送单元、声波传输时间测量的测量单元，三维罗盘方位角、俯仰角、翻滚角的测量控制单元，合成风速风向并且进行校正的计算单元。
7.如权利要求4或5所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述测量装置中的第一移动通信模块(1-5)与所述的中继装置中的第二移动通信模块(2-4)在数据通信过程中具有相同频率。
8.如权利要求7所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述第一移动通信模块(1-5)、第二移动通信模块(2-4)具有433MHz、868MHz、915MHz 三个可选择频率。
9.如权利要求4、5、6、7、8任一项所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述的测量装置与所述的中继装置采用星形网络拓扑结构组成移动通信网络。
10.如权利要求4、5、6、7、8、9任一项所述的一种应用于空降空投的气象引导系统，其特征在于所述测量装置的数量为5-20个。
全文摘要
本发明公开一种应用于空降空投的气象引导方法以及系统，其系统由测量装置、中继装置及接收装置组成的移动通信网络，其中气象参数测量装置，可以探测空降空投场地上空局部水平风速风向、大气压力、温湿度等气象参数，并将这些数据传递到100公里以外、携带物质或人员的后续飞机，后续飞机可以通过分析这些气象数据，调整飞行路线，准确、快速地进行空降、空投。采用本发明的一种应用于空降空投的气象引导方法，时效性强，机动性高，适合复杂地理环境的气象观测。
文档编号G08C17/02GK102385072SQ20111023063
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者卜方玲, 孙灏, 徐新, 田贸, 陈芳丽, 项宏宇 申请人:武汉大学