一种基于浮空平台的风速风向测量方法及装置与流程

本发明涉及浮空平台的风速风向测量领域，尤其涉及一种基于浮空平台的风速风向测量方法及装置。

背景技术：

某浮空平台飞行速度低，易受到风干扰的影响。当风干扰引起空速降低时，浮空平台升力急剧下降，同时阻力增加，产生失速现象。为了提高平台的抗风性能，实现稳定控制，需要对风速和风向进行测量。目前测风的方法主要有气球测风、风廓线仪和探空火箭。

气球测风是将无线探空仪放置在气球上，利用光学经纬仪、无线电经纬仪、测风雷达、导航系统等设备跟踪空中飘升的气球，并接收探空仪发回的信号，从而得到不同高度的风速。气球测风法技术成熟，精度取决于测量设备，是目前工程中最常用的方法，其存在的不足是一次只能探测其释放点附近的风剖面，且为水平风速和风向，同时易受到大气扰动、惯性等影响。风廓线仪是利用遥感技术测量风速和风向，测量精度较高，但该体积庞大，只适合测量固定区域垂直剖面的水平风速和风向。探空火箭可将探空高度延伸到几十公里，但其测量成本较高，一般用于特别重要的测量需要。以上这些方法都不适合大区域连续实时风速风向的测量。

有鉴于此，提出一种新的基于浮空平台的风速风向测量方法及装置。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种风速风向测量方法及装置，解决通常测风方法不适合大区域连续实时风速风向测量的问题，以满足浮空平台的测风需求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于浮空平台的风速风向测量方法，包括：

获取组合导航信息，根据组合导航信息对浮空平台地速以及姿态转换矩阵进行计算；

获取大气数据测量信息，根据大气数据测量信息对浮空平台真空速进行计算；

获取浮空平台地速，姿态转换矩阵以及真空速计算结果，对浮空平台的风速和风向进行计算，得出浮空平台的风速风向。

进一步地，所述组合导航信息包括浮空平台的角运动和线运动信息，根据所述角运动和线运动信息实时解算浮空平台的姿态角、地速，其中，导航坐标系下的地速为vdx为x轴方向的地速，vdy为y轴方向的地速，vdz为z轴方向的地速，

所述姿态转换矩阵为本体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，通过姿态角信息获得，姿态角信息包括俯仰角偏航角ψ、滚转角γ，计算姿态转换矩阵

进一步地，所述大气数据测量信息包括相对平台流动的动压pd，静压ps和总温tt，根据动压pd，静压ps和总温tt实时解算出浮空平台的真空速由以下公式确定：

式中，ma为浮空平台马赫数，ts为静温，η为感温器恢复系数，取1。

进一步地，所述对浮空平台的风速进行计算包括：

利用组合导航信息计算的地速姿态转换矩阵大气数据测量信息计算的真空速计算导航坐标系下的风速其中vwx为x轴方向的风速，vwy为y轴方向的风速，vwz为z轴方向的风速。

进一步地，所述对浮空平台风向进行计算包括计算风向角，所述风向角包括风向方位角和风向高低角，风向方位角为风速与北向的夹角，风向高低角为风速与水平面的夹角；

风向方位角为

所述风向高低角为

另一方面，本申请提供一种基于浮空平台的风速风向测量装置，所述装置包括：

组合导航模块，获取组合导航信息，根据组合导航信息对浮空平台地速以及姿态转换矩阵进行计算；

大气数据测量模块，获取大气数据测量信息，根据大气数据测量信息对浮空平台真空速进行计算；

风速计算模块，获取浮空平台地速，姿态转换矩阵以及真空速计算结果，对浮空平台风速进行计算；

风向计算模块，获取浮空平台地速，姿态转换矩阵以及真空速计算结果，对浮空平台风向进行计算。

进一步地，组合导航模块包括捷联惯性测量单元，卫星导航接收机，所述卫星导航接收机获取浮空平台位置信息，所述捷联惯性测量单元用于测量浮空平台的角运动和线运动，实时解算浮空平台的姿态角、地速，其中，导航坐标系下的地速为vdx为x轴方向的地速，vdy为y轴方向的地速，vdz为z轴方向的地速，

组合导航模块还包括姿态转换矩阵计算单元，所述姿态转换矩阵为本体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，通过姿态角信息获得，姿态角信息包括俯仰角偏航角ψ、滚转角γ，计算姿态转换矩阵

进一步地，大气数据测量模块包括空速管，气压表和总温传感器，利用空速管获取相对平台流动的动压pd，静压ps和总温传感器测量的总温tt，气压表实时解算出浮空平台的真空速由以下公式确定：

式中，ma为浮空平台马赫数，ts为静温，η为感温器恢复系数，取1。

进一步地，所述风速计算模块，对浮空平台风速进行计算包括：利用组合导航模块计算的地速姿态转换矩阵大气数据测量模块计算的真空速计算导航坐标系下的风速其中vwx为x轴方向的风速，vwy为y轴方向的风速，vwz为z轴方向的风速。

进一步地，所述风向计算模块对浮空平台风向进行计算包括计算风向角，所述风向角包括风向方位角和风向高低角，风向方位角为风速与北向的夹角，风向高低角为风速与水平面的夹角；

风向计算模块计算风向方位角为

所述风向高低角为

所述风速计算模块，对浮空平台风速进行计算包括：利用组合导航模块计算的地速姿态转换矩阵大气数据测量模块计算的真空速计算导航坐标系下的风速其中vwx为x轴方向的风速，vwy为y轴方向的风速，vwz为z轴方向的风速。

进一步地，所述风向计算模块对浮空平台风向进行计算包括计算风向角，所述风向角包括风向方位角和风向高低角，风向方位角为风速与北向的夹角，风向高低角为风速与水平面的夹角；

风向计算模块计算风向方位角为

所述风向高低角为

本发明提出了一种基于浮空平台的风速风向测量方法及装置，成本低，使用方便灵活，解决了通常测风方法不适合大区域连续实时风速风向测量的问题，提高了浮空平台的抗风性能，实现了平台的稳定控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1为一种基于浮空平台的风速风向测量方法示意图；

图2为一种基于浮空平台的风速风向测量装置示意图；

图3为一个实施例中组合导航信息的组成结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请，下面结合优选实施例和附图对本申请做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本申请的保护范围。

显然，本申请的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本申请的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

在一个实施例中，参考图1，一种基于浮空平台的风速风向测量方法的具体测量步骤为：

s1，获取组合导航信息，根据组合导航信息对浮空平台地速以及姿态转换矩阵进行计算；

在一个实施例中组合导航信息来源于捷联惯性测量装置和卫星导航接收机；

所述组合导航信息包括浮空平台的角运动和线运动信息，根据所述角运动和线运动信息实时解算浮空平台的姿态角、位置、地速以及姿态转换矩阵的导航信息，其中，导航坐标系下的地速为vdx为x轴方向的地速，vdy为y轴方向的地速，vdz为z轴方向的地速，地速的测量可以采用现有技术中的测量方式。

所述姿态转换矩阵为本体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，通过姿态角信息获得，姿态角信息包括俯仰角偏航角ψ、滚转角γ，计算姿态转换矩阵

s2，获取大气数据测量信息，根据大气数据测量信息对浮空平台真空速进行计算；

所述大气数据测量信息包括相对平台流动的动压pd和静压ps，总温tt，根据动压pd和静压ps总温tt实时解算出浮空平台的真空速由以下公式确定：

式中，ma为浮空平台马赫数，ts为静温，η为感温器恢复系数，取1。在一个实施例中，大气数据测量信息来源于空速管和气压表，总温tt来源于总温传感器，利用空速管获取相对平台流动的动压和静压，总温tt，气压表实时解算出浮空平台的真空速

s3，获取浮空平台地速以及姿态转换矩阵计算结果，对浮空平台的风速和风向进行计算，得出浮空平台的风速风向。

所述对浮空平台的风速进行计算包括：

利用组合导航信息计算的地速姿态转换矩阵大气数据测量信息计算的真空速计算导航坐标系下的风速其中vwx为x轴方向的风速，vwy为y轴方向的风速，vwz为z轴方向的风速。

所述对浮空平台风向进行计算包括计算风向角，所述风向角包括风向方位角和风向高低角，风向方位角为风速与北向的夹角，风向高低角为风速与水平面的夹角；

风向方位角为

所述风向高低角为

至此，完成了浮空平台的风速和风向测量。

在另一个实施例中，一种基于浮空平台的风速风向测量装置的具体测量步骤为：

搭建基于浮空平台的风速风向测量系统

参考图2，风速风向测量系统，包括：组合导航模块1、大气数据测量模块2、风速计算模块3、风向计算模块4。所述，

组合导航模块1的功能为：确定浮空平台地速以及姿态转换矩阵。

大气数据测量模块2的功能为：确定浮空平台的真空速。

风速计算模块3的功能为：确定浮空平台风速。

风向计算模块4的功能为：确定浮空平台风向。

组合导航模块1确定浮空平台的地速及姿态转换矩阵

参考图3，组合导航模块1包括卫星导航接收机101，用于测量平台的位置导航信息；

捷联惯性测量装置102，能够精确测量浮空平台的角运动和线运动，用于测量平台的姿态角并进行解算。

组合导航模块1确定导航坐标系下的地速为可由导航系统直接测量得出，导航坐标系下的地速为vdx为x轴方向的地速，vdy为y轴方向的地速，vdz为z轴方向的地速，

组合导航模块还包括姿态转换矩阵计算单元103，计算本体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，通过姿态角信息获得，姿态角信息包括俯仰角偏航角ψ、滚转角γ，计算姿态转换矩阵

大气数据测量模块2确定浮空平台真空速

大气数据测量模块2主要包括空速管，气压表和总温传感器，利用空速管感受相对平台流动的动压pd和静压ps，总温传感器测量总温tt，气压表实时解算出浮空平台的真空速

由以下公式确定：

式中，ma为浮空平台马赫数，ts为静温，η为感温器恢复系数，取1。

风速计算模块3确定浮空平台风速

利用组合导航模块1计算的地速姿态转换矩阵大气数据测量模块2计算的真空速风速风向计算模块3确定导航坐标系下的风速其中vwx为x轴方向的风速，vwy为y轴方向的风速，vwz为z轴方向的风速。

风向计算模块4确定浮空平台风向

风向角主要由风向方位角和风向高低角组成，风向方位角为风速与北向的夹角，风向高低角为风速与水平面的夹角。风向计算模块4确定风向方位角为风向高低角为

至此，完成了浮空平台的风速和风向测量。