一種基于gnss自主測速的測風裝置及測風方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于GNSS自主測速的測風裝置及測風方法，涉及衛星導航領域。本發明使用GNSS接收機進行單點測速，通過獲得的GNSS接收機單點位置信息、速度信息以及風速與GNSS接收機速度信息之間的關系，實現了高空風速、風向以及風廓線的計算與測量。本發明不依賴外部高精度輔助設備進行測風，大大降低設備復雜程度、提高了測量精度；同時，本發明結構簡單，實用，復雜度低，應用場景較為廣泛。
【專利說明】
一種基于GNSS自主測速的測風裝置及測風方法
技術領域
[0001] 本發明涉及衛星導航領域，尤其涉及一種不需要外部增強系統輔助、基于GNSS自 主測速實現高空風速、風向及風廓線測量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] GPS測風是20世紀90年代獲得應用的測量系統，目前已成為大氣風場測量的重要 手段。GPS測風原理是利用衛星通過確定大氣中自由運動目標的位置變化來確定目標所在 處的風向和風速。由于GPS系統可以對目標進行高精度的定值，因此理論上，這種測風系統 的精度也較高。目前GPS技術測風有兩種方式，一種是多普勒頻移方式，其精度受限于接收 機;另一種稱之為定位方式。但現有的一些測風系統，依賴于外部增強系統。
[0003] 隨著SA政策取消后，衛星的位置、速度、載體的位置、衛星鐘速誤差、電離層和對流 層延遲誤差的變化率、相對論效應、地球自轉引起的衛星速度誤差等影響在mm/s級，對于 cm/s的測速精度無較大影響。目前大多數GNSS接收機具有輸出多普勒觀測值的功能，滿足 三維速度輸出功能，因此用廉價的GNSS接收機進行單點測速具有簡單，精度高，實時性較好 的特點，能滿足當前GNSS測風對速度的精度要求。
【發明內容】
[0004] 為解決現有技術中的問題，本發明提出了一種基于GNSS自主測速的測風裝置及測 風方法，本發明不需要外部增強系統的輔助，利用GNSS接收機進行單點測速簡單、精度高、 實時性較好的特點，實現了自主測速。
[0005] -種基于GNSS自主測速的測風裝置，包括天線、無線電臺、GNSS接收機和解算設 備;其中，天線、無線電臺、GNSS接收機均安裝在同一箱體，箱體安裝在載體上;GNSS接收機 通過天線接收衛星信號，根據接收到的衛星信號解算得到GNSS接收機的位置信息和速度信 息后，通過無線電臺將GNSS接收機的位置信息和速度信息回傳給解算設備;解算設備利用 接收到的位置信息和速度信息，根據箱體與載體的物理參數以及風速與GNSS接收機速度之 間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處的測風參數;所述的物理參數包括箱體 與載體的總重量、載體的風阻系數、箱體的風阻系數、橫風升力系數和箱體與載體的尺寸規 格;測風參數包括當前位置對應的風速和風向測風。
[0006] 其中，所述的根據接收到的衛星信號解算得到GNSS接收機的位置信息和速度信息 具體為:根據接收到的衛星信號的多普勒頻移和多普勒頻移觀測方程解算得到GNSS接收機 的位置信息和速度信息。
[0007] -種基于GNSS自主測速的測風方法，所述的測風方法通過GNSS接收機自主測速實 現，不需要外部增強系統的輔助，包括以下步驟：
[0008] (l)GNSS接收機測量出當前位置天線接收的衛星信號的多普勒頻移，根據測得的 多普勒頻移計算出GNSS接收機與衛星之間的速度變化率；
[0009] (2)根據速度變化率和多普勒頻移觀測方程解算得到GNSS接收機的位置和速度；
[0010] (3)GNSS接收機將得到的位置和速度通過無線電臺回傳給解算設備；
[0011] (4)解算設備利用接收到的位置和速度，根據載體與箱體的物理參數以及風速與 GNSS接收機速度之間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處的測風參數;所述的 物理參數包括箱體與載體的總重量、載體的風阻系數、箱體的風阻系數、橫風升力系數、箱 體的尺寸規格和載體的尺寸規格;測風參數包括當前位置對應的風速和風向；
[0012] (5)載體下降過程中按照預設頻度，重復步驟（1)-(4)測量出對應位置的測風參 數，由對應位置的測風參數得出下降路徑對應的風廓線;所述的下降路徑為載體開始平穩 降落到載體落地或到達離地面一定的高度之間的路徑；
[0013] 完成一次測風。
[0014] 其中，步驟（1)中根據測得的多普勒頻移計算出GNSS接收機與衛星之間的速度變 化率，具體為：
[0017]式中：P為衛星j的信號頻率，df為多普勒頻移，fs為接GNSS接收機捕獲的衛星j的 信號頻率，c為光速，合為速度變化率。
[0018]其中，步驟(2)所述的多普勒頻移觀測方程具體為：
[0020] 式中，入(j)j = pj為衛星j到GNSS接收機的偽距;r為GNSS接收機的位置向量;f 為GNSS接收機的速度向量;rj為衛星j的位置向量；fi為衛星j的速度向量；SfkSGNSS接收 機的鐘速;撻j為衛星j的鐘速;〇為電離層延遲變化率;亡為對流層時延變化率;為測量噪 聲，c為光速。
[0021] 其中，步驟(4)中所述的風速與GNSS接收機速度之間的關系，具體為：由系統運動 微分方程和系統當前位置的速度，通過差分確定出系統受到的風力合力；確定系統所受風 力合力與箱體受力、載體受力的函數關系；確定箱體受力、載體受力與風速的函數關系;綜 合以上函數關系，即可實時計算出當前位置處的風速和風向；所述的系統由箱體和載體構 成。
[0022] 本發明相比【背景技術】的優點在于:本發明不需要依賴外部高精度輔助設備進行測 風，大大降低了設備的復雜程度，對設備要求低、設備量少、便攜，且提高了測量精度；同時， 本發明結構簡單，實用，復雜度低，應用場景較為廣泛，有利于北斗系統的應用推廣。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的測風裝置方框圖；
[0024]圖2是本發明的系統受力分析圖；
[0025]圖3是本發明的箱體受力分析圖；
[0026]圖4是本發明的降落傘受力與風速圖。
【具體實施方式】
[0027] 本發明提供一種基于GNSS自主測速的測風方法，不需要外部增強系統的輔助，通 過GNSS接收機實現自主測速。下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0028] 如圖1所示，本發明的測風裝置包括測風平臺（如無人機）、載體(如降落傘）、天線、 無線電臺和GNSS接收機，測風平臺包括解算設備，天線、無線電臺和GNSS接收機均安裝于同 一箱體，將箱體安裝在降落傘上，在一定高度的空中投放安裝好的降落傘，當降落傘經過一 段時間穩定后開始平穩降落，同時，GNSS接收機開始進行定位和測速;GNSS接收機按照預設 頻度將位置信息和速度信息通過無線電臺回傳給測風平臺上的解算設備。
[0029] GNSS接收機通過天線接收衛星信號，根據接收到的衛星信號解算得到GNSS接收機 的位置信息和速度信息后，通過無線電臺將GNSS接收機的位置信息和速度信息回傳給解算 設備；
[0030]解算設備利用接收到的位置信息和速度信息，根據箱體與載體的物理參數以及風 速與GNSS接收機速度之間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處的測風參數;所 述的物理參數包括箱體與載體的總重量、載體的風阻系數、箱體的風阻系數、橫風升力系數 和箱體與載體的尺寸規格;測風參數包括當前位置對應的風速和風向。
[0031 ] -種基于GNSS自主測速的測風方法，包括以下步驟：
[0032] (1)測風平臺（如無人機)將箱體安裝在載體(如降落傘)上，其中天線、無線電臺、 GNSS接收機均安裝在該箱體上，在一定高度的空中投放安裝好的降落傘；
[0033] (2)當降落傘開始平穩降落后，GNSS接收機測量出當前位置天線接收的衛星信號 的多普勒頻移，根據測得的多普勒頻移計算出GNSS接收機與衛星之間的速度變化率；
[0034] 降落傘脫離飛機幾分鐘，系統穩定之后，，GNSS接收機開始進行計算。
[0035]多普勒頻移是因衛星相對于用戶的相對運動而產生的，當GNSS接收機與衛星的位 置發生相對運動時，GNSS接收機捕獲到衛星信號的頻率與衛星發射信號時的頻率是不一樣 的，它們之間的頻率之差df?稱為多普勒頻移。算法為：
[0036] df = fs-fj
[0037]其中：P為衛星j的信號頻率;fs為接收機捕獲的衛星信號頻率。
[0038]站星之間的速度變化率0與觀測到的多普勒頻移之間滿足以下關系式：
[0040] 其中，c為光速，df由GNSS接收機直接測得。
[0041] (3)根據速度變化率和多普勒頻移觀測方程解算得到GNSS接收機的位置和三維速 度；
[0042]多普勒頻移觀測方程如下：
[0044]其中：Pj為第j顆衛星到GNSS接收機的偽距;r、r分別為GNSS接收機位置和速度向 量;rj、戶j分別為第j顆衛星的位置和速度向量；谷&為Gnss接收機鐘速;為衛星j的鐘 速;為電離層延遲變化率;為對流層時延變化率。
[0045]由上式可知，當接收到4顆及4顆以上衛星時，可列方程求解出GNSS接收機的三維 速度。
[0046]多普勒頻移測速方法的精度與接收機位置誤差、衛星位置誤差、衛星速度、衛星鐘 速、電離層和對流層時延變化率和觀測噪聲有關。其中，衛星軌道誤差、衛星速度誤差和衛 星鐘差的精度很高，對測速精度影響可忽略不計。由于對流層和電離層在大部分時間里變 化緩慢，而測速時間間隔很短(毫秒級），所以對流層和電離層時延變化率對測速精度的影 響可忽略不計。因此，基于普勒頻移算法的GNSS測速方法的測速精度可達到厘米級，且速度 可實時顯示。
[0047] (4)GNSS接收機按照預設頻度將得到的位置和三維速度通過無線電臺回傳給測風 平臺上的解算設備；
[0048] 預設頻度Ai = ti-ti-1，Ai在1秒左右，ti為當前時刻。
[0049] (5)測風平臺上的解算設備利用接收到的位置和三維速度，根據降落傘與箱體的 物理參數以及風速與GNSS接收機速度之間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處 的測風參數;所述的物理參數包括箱體與降落傘的總重量、降落傘的風阻系數、箱體的風阻 系數、橫風升力系數和箱體與降落傘的尺寸規格;測風參數包括當前位置對應的風速和風 向；
[0050] 當測風平臺上的解算設備接收到GNSS接收機的位置信息和速度信息，對降落傘和 箱體構成的系統進行受力分析，如圖2所示：
[00511系統運動的微分方程為：
[0052] 爪1^箱=&
[0053] 箱=~
[0054] 爪之箱=&
[0055] 式中，箱、\箱、1^箝分別表示箱體三個方向的加速度，Fx、Fy、F z分別表示整 個系統三個方向的合力；
[0056]將降落傘的加速度用已有坐標測量的速度差分表示，則可以用測得的離散坐標， 實時計算出當前時刻的作用力Fx(ti)、Fy(ti)、Fz(ti)。
[0057]系統運動平穩后，vx傘~V4I =Vxtfb Vy#|= Vy機.Vz傘^= V4I= 其中1 . Vx傘、Vy#：、Vz傘 分別表示降落傘三個方向的速度，V4I、Vyll、VZ箱分別表示箱體三個方向的速度，Vxtfl、Vy機、Vz機 分別表示GNSS接收機三個方向的速度。
[0058]系統所受合力與作用在降落傘上的合力、箱體的合力滿足下列關系：
[0059] Fxffi+Fx傘=FX
[0060] Fyf|+Fy#:=Fy
[0061] Fz||+Fz 傘+mg = Fz
[0062] 式中，m = m|計m傘，m||為箱體(包括天線、無線電臺和GNSS接收機）的質量，m傘為降落 傘的質量，g為重力加速度。
[0063]對箱體進行受力分析，如圖3所示：
[0067] 式中，Vx，Vy表示風速;ys表示箱體的風阻系數，ySx、li Sy、liSZ分別表示箱體在x、y、z方 向的風阻系數;m表示箱體的橫風升力系數;P表示空氣密度;a，h表示箱體尺寸。
[0068] 對降落傘進行受力分析，如圖4所示：
[0069] 設降落傘曲率半徑為R，開口半徑為r。由風工程理論，傘面風阻系數ys傘=y s( W， O)。對于Vy作用在降落傘表面上的分布風壓進行曲面積分，可得作用在傘面上分布風壓力 系的合力：
[0070] = f ^s<hWySL7KpCOSljjdS = 0
S
[0071] 式中，表示沿y方向的風速產生的沿X方向的力 表 示y方向相對速度導致的風壓;= 〇是因為傘上風荷對稱的緣故。
[0074]對上兩式進行積分運算，并將降落傘幾何參數和測得的降落傘速度vy機代入運算 結果，則得到函數關系： 剛 FyVFyVvy)
[0076] = Fy 1；XVy)
[0077] 同理，對于Vx在傘面上作用的分布風壓力系進行類似的曲面積分，引入x方向相對 速度導致的風玨
，并將降落傘幾何參數和測得的降落傘速度Vx機代 入運算結果，可得到函數關系：
[_] Fxx 傘= Fxx 傘(vx) _9] F:傘=0
[0080] F% = F%(vx)
[0081 ]此外，由于降落傘有下降速度vzrn，降落傘受到鉛垂方向的阻力：
[0083] 式中，yz為下降阻力系數。
[0084] Fzt = F：t： + F；1，+ FM，
[0085] 由系統運動微分方程和系統速度實時測量，通過差分確定出系統受到的風力合 力；確定系統所受風力合力與箱體受力、降落傘受力的關系;確定箱體受力、降落傘受力與 風速的函數關系;綜合以上函數關系式，可實時計算出不同高度處的風速大小和風向。
[0086] (6)載體下降過程中按照預設頻度，重復步驟（2)_(4)測量出對應位置的測風參 數，由對應位置的測風參數得出下降路徑對應的風廓線;所述的下降路徑為載體開始平穩 降落到載體落地或到達離地面一定的高度之間的路徑；
[0087] 對應于高度z (t〇的風速對應于高度z(t〇的風向0 (ti)=arctg[vy(ti)/vx(ti)]；
[0088] 其中，<^)為^時刻的風速;0(^)為^的風向；以^)、^(^)的正負號用于輔助風 向分析。
[0089]完成一次測風。
【主權項】
1. 一種基于GNSS自主測速的測風裝置，包括天線和無線電臺，其特征在于還包括GNSS 接收機和解算設備;其中，天線、無線電臺、GNSS接收機均安裝在同一箱體，箱體安裝在載體 上;GNSS接收機通過天線接收衛星信號，根據接收到的衛星信號解算得到GNSS接收機的位 置信息和速度信息后，通過無線電臺將GNSS接收機的位置信息和速度信息回傳給解算設 備;解算設備利用接收到的位置信息和速度信息，根據箱體與載體的物理參數以及風速與 GNSS接收機速度之間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處的測風參數;所述的 物理參數包括箱體與載體的總重量、載體的風阻系數、箱體的風阻系數、橫風升力系數和箱 體與載體的尺寸規格;測風參數包括當前位置對應的風速和風向。2. 根據權利要求1所述的一種基于GNSS自主測速的測風裝置，其特征在于:所述的根據 接收到的衛星信號解算得到GNSS接收機的位置信息和速度信息具體為:根據接收到的衛星 信號的多普勒頻移和多普勒頻移觀測方程解算得到GNSS接收機的位置信息和速度信息。3. -種基于GNSS自主測速的測風方法，所述的測風方法通過GNSS接收機自主測速實 現，不需要外部增強系統的輔助，其特征在于，包括以下步驟： (1) GNSS接收機測量出當前位置天線接收的衛星信號的多普勒頻移，根據測得的多普 勒頻移計算出GNSS接收機與衛星之間的速度變化率； (2) 根據速度變化率和多普勒頻移觀測方程解算得到GNSS接收機的位置和速度； (3 )GNSS接收機將得到的位置和速度通過無線電臺回傳給解算設備； (4) 解算設備利用接收到的位置和速度，根據載體與箱體的物理參數以及風速與GNSS 接收機速度之間的關系，實時解算得到GNSS接收機所測量位置處的測風參數;所述的物理 參數包括箱體與載體的總重量、載體的風阻系數、箱體的風阻系數、橫風升力系數、箱體的 尺寸規格和載體的尺寸規格;測風參數包括當前位置對應的風速和風向； (5) 載體下降過程中按照預設頻度，重復步驟（1)-(4)測量出對應位置的測風參數，由 對應位置的測風參數得出下降路徑對應的風廓線;所述的下降路徑為載體開始平穩降落到 載體落地或到達離地面一定的高度之間的路徑； 完成一次測風。4. 根據權利要求3所述的一種基于GNSS自主測速的測風方法，其特征在于:步驟（1)中 根據測得的多普勒頻移計算出GNSS接收機與衛星之間的速度變化率，具體為： df = fs-fj式中：fj為衛星j的信號頻率，df為多普勒頻移，fs為接GNSS接收機捕獲的衛星j的信號 頻率，c為光速，於為速度變化率。5. 根據權利要求4所述的一種基于GNSS自主測速的測風方法，其特征在于:步驟⑵所 述的多普勒頻移觀測方程具體為：式中，ΑΦ) = 為衛星j到GNSS接收機的偽距;r為GNSS接收機的位置向量;f為GNSS 接收機的速度向量;rj為衛星j的位置向量;f /為衛星j的速度向量;5匕為GNSS接收機的鐘 速;為衛星j的鐘速;為電離層延遲變化率;r為對流層時延變化率；為測量噪聲，c 為光速。6.根據權利要求3至5任一所述的一種基于GNSS自主測速的測風方法，其特征在于：步 驟(4)中所述的風速與GNSS接收機速度之間的關系，具體為：由系統運動微分方程和系統當 前位置的速度，通過差分確定出系統受到的風力合力;確定系統所受風力合力與箱體受力、 載體受力的函數關系；確定箱體受力、載體受力與風速的函數關系；綜合以上函數關系，BP 可實時計算出當前位置處的風速和風向；所述的系統由箱體和載體構成。
【文檔編號】G01P5/00GK105929192SQ201610227068
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】楊開偉, 蔚保國, 盛傳貞, 時小飛, 張京奎, 范廣偉
【申請人】中國電子科技集團公司第五十四研究所