Способ определения усредненных значений скорости и направления ветра

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для определения усредненных значений скорости и направления ветра. Технический результат - повышение точности. Для этого осуществляют запуск беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами и на нужную высоту. Переводят БПЛА в режим удержания высоты и горизонтального положения, затем запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси и через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту и долготу первой точки и текущее время, а через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют координаты и время второй точки, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают направление и скорость ветра.

 

Изобретение относится к метеорологии и предназначено для измерения параметров ветра на заданной высоте.

Известны способы и устройства для определения скорости и направления ветра путем использования воздушных шаров или радиозондов. (Патент на изобретение РФ №2101736, МПК G01W 1/02, 01.10.1998, патенты на полезные модели №103195, МПК G01W 1/08, 01.12.2010, №92204, МПК G01W 1/02, 10.03.2010.)

Наиболее близким является способ, описанный в устройстве для определения скорости и направления ветра на заданной высоте, который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в запуске зонда, снабженного системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом, в интересующую область пространства, слежение за траекторией его движения под действием ветра с помощью специальных средств, обеспечение его движения в горизонтальном направлении по ветру и регистрацию скорости и направления ветра. (Патент РФ 98256, МПК G01W 1/00, 27.04.2010.)

Недостатком прототипа является сложность в обеспечении неподвижности зонда относительно окружающей среды.

Задачей изобретения является повышение точности следования зонда за движением окружающей среды, обеспечивая его неподвижность относительно окружающей среды.

Технический результат - повышение точности измерения скорости и направления ветра на заданной высоте.

Технический результат достигается тем, что, как и в известном способе определения усредненных значений скорости и направления ветра на заданной высоте, запускают зонд, снабженный системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом и радиопередатчиком, в интересующую область пространства, отслеживают траекторию его движения под действием ветра; в отличие от известного способа, в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный возвращаться в заданную точку, запускают БПЛА в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами и на нужную высоту, затем переводят БПЛА в режим удержания высоты, горизонтального положения, т.е. переводят суммарный вектор тяги БПЛА в вертикальное направление относительно земной поверхности, запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси, и через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту и долготу первой точки ψ1, λ1 в градусах, текущее время T1 в секундах, после этого, через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют координаты и время второй точки ψ2, λ2, Т2, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают направление ветра α, расстояние между первой и второй точками S и скорость ветра v. Для сферической модели Земли можно использовать формулы сферической тригонометрии [1]:

- направление ветра на данной траектории (угол α):

- расстояние между первой и второй точками S, в метрах:

где

h - высота начальной точки над уровнем моря в метрах;

скорость ветра V, м/с:

Приведенные формулы имеют точность, достаточную для иллюстрации заявляемого метода измерения скорости ветра. Для повышения точности расчетов, обратную геодезическую задачу можно решать на эллипсоиде по сферическим треугольникам [3] либо путем интегрирования дифференциальных уравнений геодезической линии [4]. Существует также итерационный метод Винсенты, дающий более точный результат [5]. Можно также воспользоваться стандартизованными методами расчетов, приведенными в ГОСТ Р 32453.

Неподвижность мультироторных БПЛА относительно окружающего воздуха обеспечивается использованием в их конструкции нескольких воздушных винтов, расположенных симметрично относительно центра масс. Создаваемые винтами мощные (по сравнению с весом БПЛА) вертикальные потоки воздуха рождают динамическое равновесие, которое не только придает устойчивость корпусу БПЛА, но и способствует более эффективной передаче горизонтального импульса от среды корпусу за счет большего количества воздуха, вовлекаемого во взаимодействие.

Равномерное вращение мультироторного БПЛА вокруг вертикальной оси позволяет скомпенсировать влияние вероятных конструкционных дефектов корпуса на взаимодействие БПЛА со средой.

Для выполнения работ по определению усредненных значений скорости и направления ветра предлагается применять БПЛА мультироторного типа с электрической силовой установкой, которые оснащаются системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным компасом и высотомером. В комплект комплекса дистанционного мониторинга должны входить: летательный аппарат, расположенный в защитном кейсе весом не более 20 кг, удобном для переноски в полевых условиях; наземная станция управления (НСУ) с ноутбуком специального исполнения (противоударное, пылевлагозащитное исполнение); зарядная станция (зарядное устройство) с комплектом аккумуляторных батарей для БПЛА; комплект запасных частей и вспомогательного оборудования для проведения мелкого ремонта в полевых условиях; руководство по летной эксплуатации, паспорта и формуляры на БПЛА.

В дополнительное оснащение комплекса дистанционного мониторинга рекомендуется включать: малогабаритную бензоэлектростанцию мощностью не менее 1 кВт или дополнительный автомобильный аккумулятор емкостью не менее 55 А/час, весом не более 20 кг (для работы в полевых условиях в случае отсутствия автомобиля или невозможности подъезда автомобиля к месту старта); съемный носитель информации; спутниковый навигатор (ГЛОНАСС/GPS); 2-3 комплекта «радиомаяка» с индивидуальным питанием и продолжительностью их работы не менее 6 часов, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускает их применение; 2-3 съемных флеш-карты памяти объемом не менее 16 Гб для записи видео-(фото)информации на борту БПЛА, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускают их применение; антенный кабель-удлинитель длинной 15-20 м с усилителем сигнала для увеличения высоты подъема антенны в полевых условиях, если конструкция и программное обеспечение НСУ допускают их применение.

Проведено несколько вылетов, которые проводились на высотах от 30 до 1900 метров от подстилающей поверхности в температурном диапазоне окружающего воздуха от -5 до +15°C и максимальным удалением от точки старта на расстояние до 2 километров. Определение скорости и направления ветра на заданной высоте h осуществлялось следующим образом.

1. В точку измерения запускали БПЛА, способный зависать в воздухе, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп и магнитный компас.

2. Переводили БПЛА в режим удержания высоты, горизонтали и равномерного вращения вокруг вертикальной оси. Через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра (момент времени определялся эмпирически, по исчезновению горизонтального ускорения), измеряли с помощью спутниковой навигации широту и долготу первой точки ψ1, λ1 в градусах, текущее время T1 в секундах, через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряли координаты и момент времени по достижении второй точки ψ2, λ2, Т2. Полный оборот и направление БПЛА определялось с помощью электронного магнитного компаса. Измеряемые величины передавались с телеметрией на НСУ.

3. Рассчитывали:

3.1 направление ветра на данной траектории α, в градусах:

3.2. Расстояние между первой и второй точками S, в метрах:

3.3. Скорость ветра V, м/с:

4. Исходные данные передавались на наземную станцию управления по штатному радиоканалу (телеметрия).

5. Возвращали БПЛА с исходную точку и повторяли пункты 2…5, либо перемещали БПЛА в новую точку измерения, либо осуществляли приземление БПЛА для замены аккумуляторных батарей.

Данный алгоритм может выполняться автоматически, по программе.

Таким образом, была рассчитана усредненная скорость ветра на заданной высоте с усреднением неравномерности движения БПЛА по траектории.

В качестве БПЛА может быть использован гексакоптер DJISpreading WingsS900 с доработанным программным обеспечением.

Измеряемые величины передаются наземной станции управления с телеметрией и анализируются автоматически в режиме реального времени.

Возможен вариант, в котором измеряемые величины записываются на сменный носитель, устанавливаемый на БПЛА. Расчеты ведутся после посадки БПЛА.

Дополнительные достоинства: независимость от состояния облачности, тумана; произвольный выбор точки измерения; управляемый возврат зонда в точку старта по завершении измерений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Н.Н. Степанов. Сферическая тригонометрия. 2-е издание. М.: ОГИЗ. 1948.

2. Great-circle distance https://en.wikipedia.org/wiki/Great-circle_distance

3. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии / В.П. Морозов. - М.: Недра, 1979. - 296 с.

4. Закатов П.С. Курс высшей геодезии / П.С. Закатов. - М.: Недра, 1976. - 511 с.

5. Vincenty, Thaddeus (1975-04-01). "Direct and Inverse Solutions of Geodesies on the Ellipsoid with Application of Nested Equations" Survey Review (Kingston Road, Tolworth, Surrey: Directorate of Overseas Surveys) 23 (176): 88-93.

6. Вычисление расстояния и начального азимута между двумя точками на сфере http://gis-lab.info/qa/great-circles.html

7. Сферическая тригонометрия: Учебник для вузов / М.К. Вентцель. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Геодезиздат, 1948. - 154 с.

8. ГОСТ 32453-2013 Глобальная навигационная спутниковая система. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек.

9. B.C. Михайлов. Навигация и лоция. Учебник / B.C. Михайлов, В.Г. Кудрявцев, B.C. Давыдов. Киев, 2009. - 618 с.

Способ определения усредненных значений скорости и направления ветра в заданной точке пространства, заключающийся в запуске зонда, снабженного системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом, в интересующую область пространства, отслеживании траектории его движения под действием ветра, отличающийся тем, что в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный возвращаться в заданную точку, запускают БПЛА в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами и на нужную высоту, переводят БПЛА в режим удержания высоты и горизонтального положения путем перевода суммарного вектор тяги БПЛА в вертикальное направление относительно земной поверхности, затем запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси и через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту и долготу первой точки и текущее время, а через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют координаты и время второй точки, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают направление и скорость ветра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для построения сети постов экологического мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы города.
Изобретение относится к области морской гидрометеорологии и может быть использовано для определения дрейфа морских льдов. Сущность: следят за перемещением морских льдов, отображая на мониторе пути их перемещения.

Изобретение относится к области гляциологии и может быть использовано для коррекции результатов реечных снегомерных наблюдений на эффект оседания снежной толщи.

Изобретение относится к устройствам для распознавания количества облачности по пространственно-временной структуре излучения в видимой области и может быть использовано при морских наблюдениях общего балла облачности видимой полусферы неба.

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов.
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для оперативного гидрометеорологического ледового обеспечения. Сущность: измеряют значения параметров атмосферы и гидросферы, выполняют их обработку, анализ и прогноз состояния. Создают информационный продукт и доводят его до потребителей. При этом информацию о распределении параметров состояния атмосферы и гидросферы хранят и представляют в геоцентрической системе координат, обеспечивая непрерывный доступ к ней потребителей. Кроме того, дополнительно рассчитывают прогнозы сценариев поведения групп потребителей. Ледово-информационная система, предназначенная для реализации способа, включает центр (1) мониторинга, программно-вычислительные средства (6) прогноза сценариев состояния гидросферы и атмосферы, программно-вычислительные средства (7) прогноза сценариев поведения групп пользователей, подсистему (8) сбора и распространения данных. Центр (1) мониторинга снабжен подсистемой (2) технологического сопровождения, программно-вычислительным комплексом (3) хранения данных в геоцентрической системе координат и отображения мониторинга и сценариев поведения групп пользователей, подсистемой (4) создания информационной продукции, состоящей из автоматизированных рабочих мест (5) специалистов-экспертов. Подсистема (8) сбора и распространения данных включает автоматизированные рабочие места (9), расположенные на удаленных объектах потребителей, и тематические информационно-аналитические центры (10). Технический результат: повышение оперативности при освещении гидрометеорологической и ледовой обстановки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано для дистанционных методов зондирования атмосферы, в частности измерения скорости, направления и турбулентности ветра в вертикально- горизонтальном срезе атмосферы. Способ имеет следующую последовательность действий: вырабатывается частота излучения колебаний , которые бинарно модулированы по фазе псевдослучайной последовательностью длительностью Т с элементарным сигналом , причем где N - это дискретность посылок измерения во времени, одновременно вырабатывается аналогичный сигнал со смещением по частоте , т.е. вида Ф входные отраженные сигналы имеют вид по частоте и смешиваются с сигналами , после чего восстанавливаются фильтром синхронно с N-канальной последовательностью вида 1-N и результаты этих операций оцениваются по заданному алгоритму, причем выделяемые частоты пропорциональны скоростям ветра. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области частично инфинитной гидрологии и может быть использовано для определения изменения суммарных влагозапасов в почвогрунтах речных бассейнов. Сущность: измеряют годовые осадки, речной сток, температуру и влажность воздуха. С учетом результатов указанных измерений рассчитывают изменение влагозапасов в почвогрунтах. Технический результат: определение изменения суммарных многолетних влагозапасов в почвогрунтах речных бассейнов.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для получения информации о таянии ледника и температуре в его толще. Устройство содержит термокосу из датчиков температуры, расположенных на известном равном друг от друга расстоянии, и которые последовательно соединены между собой гибким кабелем. При этом датчики температуры и соединяющие их кабели размещены в защитном корпусе, который выполнен из полимерной оболочки, а верхний датчик температуры подключен к устройству считывания, хранения, обработки и отображения данных. Новым является то, что каждые n датчиков температуры объединены в жесткие сегменты, которые расположены друг от друга на известном одинаковом расстоянии, обеспечивающем равное расстояние между датчиками температуры. Причем жесткие сегменты связаны между собой гибкими соединениями таким образом, чтобы по мере таяния льда выступающие над поверхностью сегменты устройства складывались под действием силы тяжести. Для считывания, хранения, обработки и отображения полученных данных используют контроллер. Дополнительно устройство оборудовано приемником сигнала спутникового позиционирования для изучения движения ледника. Технический результат – расширение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Акселерометром регистрируют сигнал временного ряда колебаний шины, разбивают его на интервалы при помощи средства разбиения, затем сигналы временного ряда колебаний шины выделяют для соответствующих интервалов, после чего вычисляют характеристические векторы соответствующих временных интервалов. Затем производят вычисление кернфункций по характеристическим векторам соответствующих временных интервалов и по характеристическим векторам поверхности дороги, которые являются характеристическими векторами для соответствующих временных интервалов, вычисленными по временным сигналам временного ряда колебаний шины, заранее полученным для каждого конкретного состояния поверхности дороги. Определяют состояние поверхности дороги путем сравнения значений дискриминантных функций с использованием кернфункций. В результате определяют состояние дорожной поверхности по сигналам временного ряда колебаний шины без выявления положений пиковых значений или замера скорости колеса. Технический результат - повышение корректности способа определения состояния поверхности дороги при изменении размеров шины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для измерения концентрации парниковых газов в атмосфере. Сущность: система содержит тракт дистанционных измерений и тракт экспресс-анализа газовых компонент в предельном слое атмосферы. Тракт дистанционных измерений включает тракт регистрации сигнала отраженного от подстилающей поверхности светового потока, дважды прошедшего атмосферу, установленный на орбитальном носителе (3), Центр (5) управления полетом, радиолинии командного управления (6) и передачи (8) данных, наземные пункты (9) приема информации, средство (10) передачи информации, центр (11) тематической обработки информации. Упомянутый тракт регистрации сигнала состоит из спектрометра (1) и многоспектральной камеры (2), осуществляющих зондирование запланированных участков по программам, передаваемым из Центра (5) управления полетом. Упомянутый тракт экспресс-анализа газовых компонент размещен на тестовом участке и состоит из кассеты газовых датчиков (20) на каждый тип газа, канального коммутатора (24), аналого-цифрового преобразователя (22), буферного запоминающего устройства (23), синхронизируемых программируемой схемой (24) выборки измерений. Сигнал тракта экспресс-анализа газовых компонент используют для калибровки тракта дистанционных измерений. Технический результат: повышение точности определения концентрации парниковых газов в атмосфере. 5 ил.

Изобретение относится к области гидрометеорологического моделирования и может быть использовано для создания картосхем распределения твердых атмосферных осадков. Сущность: на основании гравиметрических данных спутниковых измерений GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) получают аномалии водного эквивалента массы. На основании аномалий водного эквивалента массы, учитывая рельеф местности, рассчитывают среднее количество твердых атмосферных осадков. Создают картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков с учетом рельефа местности. Детализируют картосхемы пространственного распределения твердых атмосферных осадков, используя редукционные коэффициенты. Технический результат: повышение пространственного разрешения картосхем. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам мониторинга акустошумового загрязнения селитебных территорий. Устройство контроля распространения акустического шума на селитебной территории включает в себя ультразвуковой термоанемометр, состоящий из нескольких пар ориентированных навстречу друг другу ультразвуковых излучателей/приемников, и соединенное с ним каналом связи устройство обработки информации, при этом в него дополнительно введены акустический датчик, вычислительное устройство и устройство отображения, причем выход акустического датчика соединен каналом связи с устройством обработки информации, которое, в свою очередь, соединено каналом связи с вычислительным устройством, а вычислительное устройство соединено с устройством отображения. Технический результат – повышение качества прогноза распространения акустошумового загрязнения вглубь селитебных территорий. 1 ил.

Изобретение относится к дистанционным методам атмосферных исследований. Сущность: проводят синхронную съемку подстилающей поверхности, применяя следующие устройства, установленные на космическом носителе: видеокамеру ультрафиолетового диапазона, спектрозональную камеру видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, гиперспектрометр с рабочим диапазоном 190-790 нм. При этом гиперспектрометр устанавливают на космическом носителе таким образом, чтобы его входная щель располагалась соосно центральному участку кадров видеоизображений. Привязывают кадры к географическим координатам, полученным с помощью системы “ГЛОНАСС”. Рассчитывают средневзвешенное смещение спектра, энергию затухания и количество поглощенных квантов солнечного потока относительно эталонного по Планку солнечного потока. Вычисляют эмиссию газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра. Строят калибровочную характеристику тракта зондирования. Формируют синтезированную матрицу изображения путем попиксельного сложения яркости пикселей видеокамер. Выделяют методом программного расчета градиента контуры загрязнений на поле синтезированной матрицы. Вычисляют площади контуров загрязнений и средней яркости их пикселей. С использованием полученных данных определяют объем эмиссий газовых компонент в атмосфере по всей исследуемой площади. Технический результат: количественное определение эмиссии газовых компонент в атмосфере. 5 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа определения прозрачности атмосферы по фотометрии звезд. Способ включает в себя определение величины относительной мощности излучения двух звезд. При измерениях используют прибор с зарядовой связью. Величину относительной мощности излучения определяют рассчитывая яркость в уровнях серого полученного изображения путем суммирования яркости каждого ее отдельного пикселя за вычетом фонового сигнала неба. Одновременно с этим измеряют углы между горизонтом и звездами А и В, по которым вычисляют атмосферную массу к каждой из двух звезд. Коэффициент прозрачности атмосферы определяют по выражению: где Ia, IB - известные заатмосферные мощности звезд А и В;Sa, SB - рассчитанные в эксперименте относительные мощности излучения звезд;Ма, МВ – атмосферные массы к звездам А и В.Технический результат заключается в упрощении способа, сокращении времени измерений и обеспечении возможности проведения измерений в любое время суток. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для определения усредненных значений скорости и направления ветра. Технический результат - повышение точности. Для этого осуществляют запуск беспилотного летательного аппарата мультироторного типа в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами и на нужную высоту. Переводят БПЛА в режим удержания высоты и горизонтального положения, затем запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси и через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту и долготу первой точки и текущее время, а через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют координаты и время второй точки, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают направление и скорость ветра.

Наверх