一種應用于空降空投的氣象引導方法以及系統的制作方法

專利名稱：一種應用于空降空投的氣象引導方法以及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種遠距離區域性的氣象自動探測方法以及對應的氣象引導系統，屬于無線傳感器網絡技術領域。
背景技術：
空降空投是將人員和物資快速地部署到地面交通工具難以到達地區的有效手段之一。近年來，在汶川地震、舟曲泥石流災害以及頻繁發生的化工廠爆炸以及有毒氣體泄漏等事故災難中，救災物資、器械甚至搶險人員往往通過空投或空降的方式到達災害發生區域。然而，由于空投地區氣象因素的影響，尤其是風向風速，時常造成空投物資偏離目標，使救災物資不能發揮應有的作用，而且，強烈的氣流變化還會威脅空降救援人員的生命安全。 由此可見，小區域范圍內的氣象參數，如水平風向風速、海拔高度、大氣壓力和溫濕度等氣象信息是保證人員和物資準確空投的必要參數。在空降空投的氣象參數中，海拔高度3000米范圍內，水平面風向、風速信息是空投空降的關鍵氣象因子，直接關系到空降空投準確性和安全性。現階段，對局部區域上空水平面風向風速的觀測方法主要有兩種，一是通過事先派遣的氣象引導分隊，攜帶氣象觀測設備，如氣球或雷達，對探測區域上空氣象參數進行測量，然后由引導人員使用通信設備將氣象信息通報給空降空投指揮中心。這種觀測方法的優點是時效性和準確性都比較高，但是，在危險地區，該方法難以保障觀測人員的生命安全。二是由固定氣象站對當地的氣象進行觀測，該方法測量的精度與氣象站到空投空降場的距離有關，氣象站距離空降場越遠，精度越差，而且，氣象站缺乏移動性，該方法也不適宜危險地區氣象的觀測。風向風速測量技術主要包括衛星、雷達、氣象站、機械渦輪式測量和超聲波風向風速測量等。遙感氣象衛星在大氣層外觀測地球上空的氣象信息。這種方法適用于大范圍氣象預報，對小范圍內風向風速觀測的精度差，難以得到每100米各分層水平面風向風速信息， 不能滿足空降空投任務的要求。氣象測風雷達通過發射微波無線電信號，通過對其反射波的分析，能夠探測10 100公里外區域上空的大氣信息。通過雷達測量風向風速，其精度比較高，也可觀測每100 米各分層水平面的風向風速。但是雷達設備體積比較大，機動性差，難以適應復雜地區的氣象觀測。機械渦輪式風速儀工作原理是在風力的作用下，渦輪葉片繞軸旋轉，葉片轉速跟風力大小成正比，轉速通過電觸點或光觸電觸發，輸出矩形波，并由計數器計算轉速，通過相應算法計算風速。風向的計算則是通過在尾部的尾翼，隨風向的變化，使中軸的旋轉，通過傳感器與電子羅盤，輸出風向。機械渦輪測風儀系統結構簡單、測速范圍大，相關的技術也較為成熟，產品較多，多用于地面氣象站的風向風速測量。但是這種方法主要應用于固定水平面的風向風速測量，當安裝平面姿態不穩定，產生傾斜或翻滾時，測量結果容易受機械磨損影響，數據誤差較大，而且該方法需要一定大小的啟動風速，當在風速較小的情況下進行測量，其數據準確性與可靠性都比較差。超聲波風向風速測量，是利用聲波傳輸特性來測量風向風速。超聲波在空氣中傳播速度受到空氣流速，即風速的影響，順風時傳播速度快，逆風時則慢，利用超聲波傳播的時差特性，可以對風向風速進行測量。超聲波風向風速測量儀設備輕便，儀器沒有轉動部件，因而也不存在機械的磨損，能夠克服機械式測風儀轉軸磨損而引起的測量誤差，能夠測量任意方向、任意角度風速分量，啟動風速比較小。英國GILL公司和德國德圖公司都有相應的超聲波風速風向產品投產使用，但是，在國內，超聲波風向風速測量技術還不成熟，缺乏實用性產品。超聲波風向風速測量儀也需要水平面支撐，當水平面變化時，由于測量數據不能反映水平面真實風向風速，容易產生誤差。與機械渦輪測風儀類似，超聲波風向風速測量儀也不能直接應用于空中不同層次風向風速的測量。

發明內容
針對上述問題，本發明提出一種空投式空降空投氣象自動引導系統。本發明是克服現有技術存在的技術問題，提供一種應用于空降空投的氣象引導方法以及系統，利用本發明的方法以及系統裝置，可以在空降過程中進行水平面風速、風向、 大氣壓力和地理位置等氣象參數的測量，通過移動通信網絡傳輸給100公里以外飛機上的接收機，使后續空投飛機可以分析氣象數據，調整飛行路行，準確、快速地進行空降、空投。一種應用于空降空投的氣象引導方法，利用由測量裝置、中繼裝置及接收裝置組成的移動通信網絡，其特征在于包括有下列步驟步驟1、在飛行器上同時空投測量裝置和中繼裝置；步驟2、測量裝置在空降過程定距離測量包括水平風向風速、溫濕度、海拔高度、大氣壓的氣象數據并將其發送給中繼裝置；步驟3、中繼裝置將步驟2接收的氣象數據整理打包后轉發至飛行器上的接收裝置；步驟4、接收裝置對步驟3接收到的氣象數據進行氣象分析整理并據此引導空降空投。所述的步驟3包括有下述子步驟步驟3-1、測量裝置申請無線信道的使用權；步驟3-2、在獲得無線信道的使用權后，測量裝置向中繼裝置發送一個RTS幀，請求與中繼裝置進行通信連接；步驟3-3、中繼裝置接收到測量裝置的RTS請求后，向測量裝置發送CTS 命令幀；步驟3-4、如果測量裝置沒有接收到中繼裝置發出的CTS命令幀，則返回重新執行步驟3-2 ；步驟3-5、測量裝置接收到中繼裝置發出的CTS命令幀后，開始向中繼裝置發送數據；步驟3-6、中繼裝置在收到測量裝置發來的數據，并且檢驗數據正確后，向測量裝置發送ACK數據確認幀；步驟3-7、測量裝置在收到中繼裝置發來的ACK數據確認幀后，測量裝置與中繼裝置之間完成一次數據傳輸。所述步驟3-1包括有下述子步驟步驟3-1-1、在測量裝置準備與中繼裝置通信前，先在通信頻道上進行載波監測，偵聽信道是否空閑；步驟3-1-2、當測量裝置檢測到信道空閑時，不立即發送數據，采用“二進制指數退避算法”延時一段退避時間，啟動退避計數器，開始遞減計數；步驟3-1-3、如果檢測到信道被占用，則暫停退避計數器，并保持計數器的值不變，并繼續偵聽信道是否空閑；步驟3-1-4、當重新檢測到信道空閑時，退避計數器在原先計數值的基礎上再遞減計數；步驟3-1-5、當測量裝置的退避計數器的計數值減到零時，測量裝置即獲得了無線信道的使用權。實現上述方法的一種應用于空降空投的氣象引導系統，由測量裝置、中繼裝置和接收裝置組成移動通信網絡，所述的測量裝置包括有第一控制單元，風速風向測量和校正模塊，第一存儲器、第一 GPS、第一通信移動模塊、大氣壓力與海拔高度測量模塊、溫濕度測量模塊，第一電源供電模塊；其中，風向風速測量與校正模塊、第一存儲器、第一移動通信模塊、溫濕度測量模塊、第一 GPS以及大氣壓與海撥測量模塊均連接到第一控制單元；第一電源供應模塊同其它模塊均有連接進行供電。所述的中繼裝置包括天線、第二控制單元、第二存儲器、第二移動通信模塊、功率放大器、第二 GPS、第二電源供應模塊；第二移動通信模塊、第二存儲器和第二 GPS模塊均連接到第二控制單元；第二電源供應模塊同第二控制單元、第二存儲器、第二移動通信模塊、功率放大器、第二 GPS均有連接進行供電。所述的測量裝置與所述的中繼裝置通過發射和接收實現信號連通，所述的中繼裝置和所述的接收裝置通過發射和接收實現信號連通。所述的風速風向測量和校正模塊包括東西南北方向上對稱放置的兩對超聲波換能器模塊、三維羅盤、第三控制單元、支持裝置；兩對超聲波換能器模塊和三維羅盤均與第三控制單元相連；三維羅盤位于超聲波換能器模塊的中心原點位置，其北向指示點指向南北縱軸線的北向。所述第三控制單元包括兩對超聲波換能器模塊的聲波和電波轉換的轉換單元、聲波的發送和接收的傳送單元、聲波傳輸時間測量的測量單元，三維羅盤方位角、俯仰角、翻滾角的測量控制單元，合成風速風向并且進行校正的計算單元。所述測量裝置中的第一移動通信模塊與所述的中繼裝置中的第二移動通信模塊在數據通信過程中具有相同頻率；
所述第一移動通信模塊、第二移動通信模塊具有433MHz、868MHz、915MHz三個可選擇頻率。所述的測量裝置與所述的中繼裝置采用星形網絡拓撲結構組成移動通信網絡。本發明所涉及的一種應用于空降空投的氣象引導系統，所述測量裝置的數量為 5-20 個。本發明的一種應用于空降空投的氣象引導方法以及系統具有如下優點
1、采用本發明的氣象參數測量裝置，可以探測空降空投場地上空局部水平風速風向、 大氣壓力、溫濕度等氣象參數，并將這些數據傳遞到100公里以外、攜帶物質或人員的后續飛機，后續飛機可以通過分析這些氣象數據，調整飛行路線，準確、快速地進行空降、空投。2、采用本發明的一種應用于空降空投的氣象引導方法，時效性強，機動性高，適合復雜地理環境的氣象觀測。


圖1本發明的測量裝置結構示意圖； 圖2本發明的中繼裝置結構示意圖3本發明的風速風向測量與校正模塊的電子結構示意圖； 圖4本發明的風速風向測量與校正模塊的結構俯視圖； 圖5超聲波換能器模塊測得的風向的方位角β示意圖；圖6三維羅盤方位角示意圖； 圖7三維羅盤的俯仰角和翻滾角示意圖； 圖8本發明的測量裝置的工作流程圖； 圖9本發明采用的傳輸控制幀格式； 圖10本發明采用的數據幀格式；
圖11采用本發明裝置進行測量的水平風向風速分布示意圖.
其中
1、測量裝置；
1-1、風速風向測量和校正模塊
1-3、第一存儲器；
1-5、第一通信移動模塊；
1-7、溫濕度測量模塊；
2-1、天線；
2-3、第二存儲器； 2-5、第二 GPS ； 2-7、功率放大器； 3.1、第一超聲波探頭 4.1、第二超聲波探頭 5.1、第三超聲波探頭 6.1、第四超聲波探頭； 8、三維羅盤； β 風向白妨働； θ三維羅盤測得的俯仰角；
2、中繼裝置；
1-2、第一控制單元； 1-4、第一 GPS ；
1-6、大氣壓力與海拔高度測量模塊
1-8、第一電源供電模塊；
2-2、第二控制單元； 2-4、第二移動通信模塊； 2-6、第二電源供電模塊；
3、第一超聲波換能器模塊；
4、第二超聲波換能器模塊
5、第三超聲波換能器模塊；
6、第四超聲波換能器模塊；
7、第三控制單元； 9、支撐裝置；
α 3隹卿隱妨働； 7三維羅盤測得的翻滾角。
具體實施例方式本發明所涉及的一種空降空投氣象引導系統由多個測量裝置與中繼裝置組成無線移動自組織網絡，采用降落傘對測量裝置和中繼裝置進行空投，在海拔3000米范圍內、 測量裝置可以實現在降落過程中進行垂直距離每100米水平面的風向風速、溫濕度和大氣壓等氣象數據的測量，測量裝置射頻通信半徑在1公里范圍內。中繼裝置可以實現轉發測量裝置所測量的數據至到100公里以外的接收機，中繼裝置在傘降落地后也可以作為后續飛機空降空投的參考定位點。測量裝置構造如圖1所示，測量裝置包括第一控制單元1-2，風速風向測量和校正模塊1-1，第一存儲器1-3、第一 GPS 1-4、第一通信移動模塊1-5、大氣壓力與海拔高度測量模塊1-6、溫濕度測量模塊1-7、第一電源供電模塊1-8。其中，風向風速測量與校正模塊 1-1、溫濕度測量模塊1-7、第一GPS 1-4以及大氣壓與海撥高度測量模塊1-6通過串口連接到第一控制單元1-2 ；第一移動通信模塊1-5通過高速同步串行口接口 SPI與第一控制單元1-2連接。第一控制單元1-2，風速風向測量和校正模塊1-1，第一存儲器1-3、第一 GPS 1-4、第一通信移動模塊1-5、大氣壓力與海拔高度測量模塊1-6、溫濕度測量模塊1-7均同第一電源供應模塊1-8相連接，第一電源供應模塊1-8對以上模塊進行供電。大氣壓與海撥高度測量模塊1-6中的海拔高度測量采用以大氣壓力為參變量的海拔高度傳感器，每100 米高度的誤差范圍不大于5米。測量裝置的風向風速測量與校正模塊主要包括三個部分，即兩對超聲波換能模塊 3、4、5、6、三維羅盤8、第三控制單元7，風速風向測量與校正模塊的電子結構如圖3所示，兩對超聲波換能模塊3、4、5、6和三維羅盤8和第三控制單元7相連，第三控制單元7負責啟動南北、東西兩個不同方向上超聲波換能器模塊的工作，控制著他們的工作模式，即發射或接收，測量超聲波在南北、東西兩個相互垂直方向上的來回傳播時間。第三控制單元還負責啟動三維羅盤工作，并接收三維羅盤的測量數據。本發明的風向風速測量模塊的結構圖參見圖4，兩對超聲波換能模塊3、4、5、6和三維羅盤8放置于一個支撐裝置9上，第三控制單元7放置在支撐裝置9的下方。一對超聲波換能模塊的超聲波探頭，即第一超聲波探頭3. 1 和第二超聲波探頭4. 1固定在支撐裝置平面上設定的南北方向縱軸上，縱軸正向指向正北方；另一對超聲波換能模塊的超聲波探頭，即第三超聲波探頭5. 1和第四超聲波探頭6. 1 則固定在東西方向橫軸上，橫軸正向指向東方。南北的第一超聲波探頭3. 1、第二超聲波探頭4. 1，東西的第三超聲波探頭5. 1、第四超聲波探頭6. 1均呈對稱放置，兩對超聲波探頭間彼此之間的距離均為d厘米，南北、東西方向的超聲波探頭的方向交匯點為坐標原點。三維羅盤8的北向指示點B在南北方向縱軸上，方向指向北向第一超聲傳感器模塊3。本發明所涉及的風向風速測量與校正模塊進行風速測量以及校正的工作過程以及原理可以描述如下
風向m測量機: 用超聲行測量_，在 ^青況下，超聲波傳播■是一定的，而 風
時，超聲波傳播的搬會疊加上蘭麗時，職__ =
，逆風時，
，因此逆風傳播時間相對較長。
風向風速測量模塊在空投下降過程中，因受到外界環境的影響，很難保持支撐平面平行與水平面和縱軸指向正北方。 本發明利用超聲波與風速之間的關系，當測量裝置在下降時，測量裝置的風向風速測量與校正模塊進行開始啟動工作，測量風速時，可以測量獲得設置其中的南北、東西正交方向兩對超聲波探頭之間超聲波的來回傳播的時間tl2、t21、t34和t43，其中南北方向上的第一超聲波探頭、第二超聲波探頭之間所測得的超聲波傳播時間分別為tl2、t21，東西方向上的第三超聲波探頭、第四超聲波探頭之間所測得的超聲波傳播時間分別為t34和
t43，由公式
權利要求
1.一種應用于空降空投的氣象引導方法，利用由測量裝置、中繼裝置及接收裝置組成的移動通信網絡，其特征在于包括有下列步驟步驟1、在飛行器上同時空投測量裝置和中繼裝置；步驟2、測量裝置在空降過程定距離測量包括水平風向風速、溫濕度、海拔高度、大氣壓的氣象數據并將其發送給中繼裝置；步驟3、中繼裝置將步驟2接收的氣象數據整理打包后轉發至飛行器上的接收裝置； 步驟4、接收裝置對步驟3接收到的氣象數據進行氣象分析整理并據此引導空降空投。
2.如權利要求1所述的一種應用于空降空投的氣象引導方法，其特征在于所述的步驟3包括有下述子步驟步驟3-1、測量裝置申請無線信道的使用權；步驟3-2、在獲得無線信道的使用權后，測量裝置向中繼裝置發送一個RTS幀，請求與中繼裝置進行通信連接；步驟3-3、中繼裝置接收到測量裝置的RTS請求后，向測量裝置發送CTS命令幀； 步驟3-4、如果測量裝置沒有接收到中繼裝置發出的CTS命令幀，則返回重新執行步驟3-2 ；步驟3-5、測量裝置接收到中繼裝置發出的CTS命令幀后，開始向中繼裝置發送數據； 步驟3-6、中繼裝置在收到測量裝置發來的數據，并且檢驗數據正確后，向測量裝置發送ACK數據確認幀；步驟3-7、測量裝置在收到中繼裝置發來的ACK數據確認幀后，測量裝置與中繼裝置之間完成一次數據傳輸。
3.如權利要求2所述的一種應用于空降空投的氣象引導方法，其特征在于所述步驟 3-1包括有下述子步驟步驟3-1-1、在測量裝置準備與中繼裝置通信前，先在通信頻道上進行載波監測，偵聽信道是否空閑；步驟3-1-2、當測量裝置檢測到信道空閑時，不立即發送數據，采用“二進制指數退避算法”延時一段退避時間，啟動退避計數器，開始遞減計數；步驟3-1-3、如果檢測到信道被占用，則暫停退避計數器，并保持計數器的值不變，并繼續偵聽信道是否空閑；步驟3-1-4、當重新檢測到信道空閑時，退避計數器在原先計數值的基礎上再遞減計數；步驟3-1-5、當測量裝置的退避計數器的計數值減到零時，測量裝置即獲得了無線信道的使用權。
4.實現權利要求1所述方法的一種應用于空降空投的氣象引導系統，由測量裝置、中繼裝置和接收裝置組成移動通信網絡，其特征在于所述的測量裝置(1)包括有第一控制單元(1-2)，風速風向測量和校正模塊(1-1)， 第一存儲器(1-3)、第一 GPS(1-4)、第一通信移動模塊(1-5)、大氣壓力與海拔高度測量模塊(1-6)、溫濕度測量模塊(1-7)，第一電源供電模塊(1-8)；其中，風向風速測量與校正模塊(1-1)、第一存儲器(1-3)、第一移動通信模塊(1-5)、溫濕度測量模塊(1-7)、第一 GPS (1-4)以及大氣壓與海撥測量模塊(1-6)均連接到第一控制單元(1-2)；第一電源供應模塊(1-8)同其它模塊均有連接進行供電；所述的中繼裝置(2)包括天線0-1)、第二控制單元0-2)、第二存儲器0-3)、第二移動通信模塊(2-4)、功率放大器(2-7)、第二GPS( 2-5)、第二電源供應模塊；第二移動通信模塊0-4)、第二存儲器(2- 和第二 GPS (2-5)模塊均連接到第二控制單元0-2)； 第二電源供應模塊0-6)同第二控制單元0-2)、第二存儲器0-3)、第二移動通信模塊 0-4)、功率放大器0-7)、第二 GPS (2-5)均有連接進行供電；所述的測量裝置與所述的中繼裝置通過發射和接收實現信號連通，所述的中繼裝置和所述的接收裝置通過發射和接收實現信號連通。
5.如權利要求4所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述的風速風向測量和校正模塊(1-1)包括東西南北方向上對稱放置的兩對超聲波換能器模塊(3、4、5、6)、三維羅盤(8)、第三控制單元(7)、支持裝置(9)；兩對超聲波換能器模塊(3、4、5、6)和三維羅盤(8)均與第三控制單元(7)相連；三維羅盤(8)位于超聲波換能器模塊(3、4、5、6)的中心原點位置，其北向指示點指向南北縱軸線的北向。
6.如權利要求5所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述第三控制單元(7)包括兩對超聲波換能器模塊的聲波和電波轉換的轉換單元、聲波的發送和接收的傳送單元、聲波傳輸時間測量的測量單元，三維羅盤方位角、俯仰角、翻滾角的測量控制單元，合成風速風向并且進行校正的計算單元。
7.如權利要求4或5所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述測量裝置中的第一移動通信模塊(1-5)與所述的中繼裝置中的第二移動通信模塊(2-4)在數據通信過程中具有相同頻率。
8.如權利要求7所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述第一移動通信模塊(1-5)、第二移動通信模塊(2-4)具有433MHz、868MHz、915MHz 三個可選擇頻率。
9.如權利要求4、5、6、7、8任一項所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述的測量裝置與所述的中繼裝置采用星形網絡拓撲結構組成移動通信網絡。
10.如權利要求4、5、6、7、8、9任一項所述的一種應用于空降空投的氣象引導系統，其特征在于所述測量裝置的數量為5-20個。
全文摘要
本發明公開一種應用于空降空投的氣象引導方法以及系統，其系統由測量裝置、中繼裝置及接收裝置組成的移動通信網絡，其中氣象參數測量裝置，可以探測空降空投場地上空局部水平風速風向、大氣壓力、溫濕度等氣象參數，并將這些數據傳遞到100公里以外、攜帶物質或人員的后續飛機，后續飛機可以通過分析這些氣象數據，調整飛行路線，準確、快速地進行空降、空投。采用本發明的一種應用于空降空投的氣象引導方法，時效性強，機動性高，適合復雜地理環境的氣象觀測。
文檔編號G08C17/02GK102385072SQ20111023063
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者卜方玲, 孫灝, 徐新, 田貿, 陳芳麗, 項宏宇 申請人:武漢大學