專利名稱：高空氣象探測的北斗探測單元測風(fēng)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高空氣象探測方法及其探測儀器。
背景技術(shù)：
無線電探空儀是一種遙測儀器，它可以將直接感應(yīng)的氣象要素值轉(zhuǎn)換成無線電信 號向地面發(fā)送，地面接收后將信號收錄、解調(diào)、轉(zhuǎn)換和處理成各高度上溫、壓、濕探 測結(jié)果，與相應(yīng)的定位設(shè)備相配合，可以同時獲得高空風(fēng)資料。
對于不同的高空氣象探測系統(tǒng)，空中風(fēng)探測的方法有所不同。目前的高空探測主 要有高空氣象探測雷達、無線電經(jīng)緯儀、無線電導(dǎo)航、光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀等方法。
目前業(yè)務(wù)使用的測風(fēng)雷達和無線電經(jīng)緯儀配套的探空儀上沒有測距裝置，測風(fēng)雷 達在工作時必須發(fā)射大功率電磁波才能由探空儀的回答器得到氣球斜距信號，應(yīng)用于 戰(zhàn)時軍事氣象保障受到限制，另外測風(fēng)雷達的體積龐大，在山地、叢林等復(fù)雜地形和
道路狀況下難以實施作業(yè)，影響戰(zhàn)時高空探測資料的獲取。
無線電經(jīng)諱儀探測無電磁波發(fā)射，可以實現(xiàn)電磁隱蔽，探測時通過測定氣球的方 位角和仰角確定其空中位置，但其測風(fēng)精度在常規(guī)探測方法中是最差的，特別是在高 度25000m以上、低仰角(10°以下)時，測風(fēng)精度將遠低于具有測距體制的測風(fēng)雷 達， 一般仰角低于6。時的探空資料巳無法使用。
GPS測風(fēng)單元通常包括GPS上升和下投探測單元。我國近年來引進了芬蘭VAISALA 公司的GPS高空探測系統(tǒng)，還自行研制開發(fā)了GPS高空氣象探測系統(tǒng)、下投式GPS探 空儀等。GPS高空氣象探測系統(tǒng)具有電磁隱蔽性能好、測風(fēng)精度高、探測系統(tǒng)體積小， 地面設(shè)備簡單，具有非常優(yōu)越的性能；但我國對GPS沒有自主權(quán)，無法保證其可靠性 和安全性。探空儀實時高程數(shù)據(jù)的解算不是由探空儀獨立完成的。
利用星基導(dǎo)航測風(fēng)必須獨立定位功能，目前我國北斗星基導(dǎo)航系統(tǒng)是靠雙星定位 和地理高程確定位置的，離開地面后無法確定位置，無法用于空中風(fēng)探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對上述探測體制存在的問題和弱點，本發(fā)明提供一種新型的依 托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的測風(fēng)單元和相應(yīng)的測風(fēng)方法，實現(xiàn)戰(zhàn)場條件下電磁靜默、 確?？煽啃院桶踩浴⒈銛y使用的、能達到高空風(fēng)探測精度要求的一種測量單元和方 法。
一種高空氣象探測北斗測風(fēng)方法由北斗信號接收天線和接收機接收北斗衛(wèi)星信 號，并將該信號輸入信號放大器；信號放大器將北斗衛(wèi)星信號放大，后送給相關(guān)器， 獲取北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗信號接收天線和接收機的延遲時間，由北 斗測風(fēng)單元直接進行高程計算，在北斗探空儀中利用實時探測得到的溫度、濕度、氣
壓和注入的初始高程聯(lián)合解算得到北斗測風(fēng)單元實時的位勢高度，然后轉(zhuǎn)化為高度，以此來實現(xiàn)探空儀實時高程的解算；結(jié)合空中實時溫、壓、濕計算得到的高程實現(xiàn)探 空儀北斗接收機的定位信息，其定位信息送入單片機，相關(guān)器與單片機之間由數(shù)據(jù)總 線、地址總線和控制總線電連接，相關(guān)器也向信號放大器輸送取樣時鐘信號；單片機 對相關(guān)器進行初始化，并采集相關(guān)器輸入的測量數(shù)據(jù)；將測量數(shù)據(jù)通過相關(guān)器的串行 通信口或其它串行通信口、并由無線通訊方式傳至地面計算機，得到北斗測風(fēng)單元在 空間的位置和風(fēng)速。地面計算機結(jié)合北斗信息基站進行定位處理，得到北斗測風(fēng)探測 儀在空間的位置和風(fēng)速。
北斗探空儀中用于計算高度的
// =18410.01273'15 + ^~(1 + 0.378丄) A 273.15 、: y
式中A氣壓層到^氣壓層間的厚度(gpm);
t—氣壓層間的平均氣溫rc); P2—下氣壓層氣壓(hPa);
巧一上氣壓層氣壓(hPa);
>氣層間的平均氣壓值； 其中，e = ￡,》
C> 氣層間的平均相對濕度(RH%);
氣層間平均氣溫對應(yīng)的飽和水汽壓。 在得到位勢高度后需要將位勢高度轉(zhuǎn)換為幾何高度 :_ 々A
。n
式中Z—某時刻位勢高度(hPa); A—地球半徑；
g(0，W—緯度為^處的重力加速度。
高空氣象探測北斗測風(fēng)裝置由北斗信號接收天線接收北斗衛(wèi)星信號，并將該信 號輸入信號放大器；信號放大器將北斗衛(wèi)星信號放大，后送給相關(guān)器，獲取北斗衛(wèi)星 發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗測風(fēng)探測儀的延遲時間，結(jié)合空中實時溫、壓、濕計算 得到的高程實現(xiàn)探空儀北斗接收機的定位，其定位信息送入單片機，相關(guān)器與單片機 之間由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線電連接，相關(guān)器也向信號放大器輸送取樣時鐘 信號；單片機對相關(guān)器進行初始化，并采集相關(guān)器輸入的測量數(shù)據(jù)；將測量數(shù)據(jù)通過相關(guān)器的串行通信口或其它串行通信口由無線通訊方式傳至地面計算機，地面計算機 結(jié)合基站北斗信息進行定位處理，得到北斗測風(fēng)探測儀在空間的位置和風(fēng)速。相關(guān)器， 獲取北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗信號接收天線和接收機的延遲時間，由北 斗測風(fēng)探測儀直接進行髙程計算。
本發(fā)明有益效果是本發(fā)明高空測風(fēng)方法和測風(fēng)探測儀實現(xiàn)了在現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo) 航定位條件下實現(xiàn)了高空風(fēng)的測量功能，為高空風(fēng)的測量提供了一種新的測風(fēng)探測儀 和方法，拓展了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在高空風(fēng)測量上的應(yīng)用。本發(fā)明的北斗無源探 空測風(fēng)探測儀測量精度高，保證電磁隱蔽性，地面設(shè)備集成度高，可全天候提供探測， 且可以用于移動平臺探測。


圖1是本發(fā)明北斗測風(fēng)探測儀結(jié)構(gòu)簡圖
具體實施例方式
北斗測風(fēng)探測儀結(jié)構(gòu)如圖1，由氣象傳感器部分、數(shù)據(jù)采集處理部分、北斗接收 機探測儀、無線電發(fā)射機、電池等構(gòu)成。氣象傳感器采集空中的溫、壓、濕等氣象數(shù) 據(jù)，氣象傳感器采用電阻或電容型傳感器件，采集空中的溫、壓、濕氣象數(shù)據(jù)，將溫 度、氣壓、濕度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值或電容值的變化經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由微處 理器模塊處理后得到測風(fēng)探測儀實時的高程數(shù)據(jù)送往北斗接收機探測儀；北斗接收機 探測儀接收來自北斗衛(wèi)星的信號結(jié)合高程數(shù)據(jù)得到實時的定位數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高 程)，定位數(shù)據(jù)送往微處理器經(jīng)編碼后在發(fā)射機部分經(jīng)過調(diào)制，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯?頻信號發(fā)送給地面接收系統(tǒng)。
由測風(fēng)探測儀發(fā)射的調(diào)制射頻信號經(jīng)地面接收天線接收后，經(jīng)過前端高放、濾波、 混頻等處理后解調(diào)出探空儀位置信息和與高空溫壓濕相關(guān)的信息，經(jīng)終端軟件處理后 得到探空所需的空中風(fēng)、溫度、氣壓、濕度信息。地面計算機結(jié)合基站北斗信息進行 定位處理，得到北斗測風(fēng)探測儀在空間的位置和風(fēng)速；高空氣象探測北斗探空測風(fēng)探 測儀，由氣球攜帶升空，它由北斗信號接收天線和接收機、信號放大器、相關(guān)器和單 片機順序連接，通過無線電通信方式向地面接收處理探測儀傳送測量數(shù)據(jù)。
上述探空儀部分可以外接其他類型傳感器，如臭氧探測傳感器、大氣電場探測傳 感器、大氣湍流探測等其他傳感器。上述探空測風(fēng)系統(tǒng)探空儀還可以為下投式探空測 風(fēng)裝置，它涉及大氣探測儀器領(lǐng)域中的一種對高空風(fēng)速、風(fēng)向進行實時測量的測風(fēng)儀 器設(shè)備?？赏饧訙p速機構(gòu)、電源開關(guān)控制模塊、電源模塊等部件構(gòu)成探空儀部分。采 用飛行器下投探空儀自動完成對高空風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r高精度測量的目的。
測風(fēng)方法使用以下步驟
(1) 測風(fēng)探測儀采集探空溫壓濕信息，經(jīng)其數(shù)據(jù)處理單元實時解算得到高程數(shù) 據(jù)，高程注入北斗接收探測儀，由北斗接收機單元接收衛(wèi)星信號聯(lián)合實時高程得到定 位數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼調(diào)制后由無線電發(fā)射機調(diào)制后發(fā)送至地面探空站接收機；
(2) 地面接收機將數(shù)據(jù)傳送至。處理終端軟件將探空和測風(fēng)數(shù)據(jù)進行處理后給出高空風(fēng)向、風(fēng)速，按一定格式輸出用戶所需要的氣象資料。
上述地面部分還可以包括北斗接收機，放置于己知位置接收點，其地面定位位置 值與已知點位對比求取差分量，作為探空儀每時刻位置量的修正值。
上述北斗測風(fēng)單元還可以為下投式探空測風(fēng)裝置，它涉及大氣探測儀器領(lǐng)域中的 一種對高空風(fēng)速、風(fēng)向進行實時測量的測風(fēng)儀器設(shè)備?？赏饧訙p速機構(gòu)、電源開關(guān)控 制模塊、電源模塊等部件構(gòu)成探空儀部分。采用飛行器下投探空儀自動完成對高空風(fēng) 速風(fēng)向?qū)崟r高精度測量的目的。測風(fēng)單元無線電發(fā)射機可以使用調(diào)頻或調(diào)幅方式調(diào) 制。
上述通信協(xié)議可以是RS232串口協(xié)議或其它協(xié)議。 上述數(shù)據(jù)格式可以是《高空探測規(guī)范》規(guī)定的格式或其它格式。
權(quán)利要求
1、一種高空氣象探測北斗測風(fēng)方法其特征是由北斗探空儀中的北斗信號接收天線和接收機接收北斗衛(wèi)星信號，并將該信號輸入信號放大器；信號放大器將北斗衛(wèi)星信號放大，后送給相關(guān)器，獲取北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗信號接收天線和接收機的延遲時間，由北斗測風(fēng)單元直接進行高程計算，在北斗探空儀中利用實時探測得到的溫度、濕度、氣壓和注入的初始高程聯(lián)合解算得到北斗測風(fēng)單元實時的位勢高度，然后轉(zhuǎn)化為高度，以此來實現(xiàn)探空儀實時高程的解算；結(jié)合空中實時溫、壓、濕計算得到的高程實現(xiàn)探空儀北斗接收機的定位信息，其定位信息送入單片機，相關(guān)器與單片機之間由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線電連接，相關(guān)器也向信號放大器輸送取樣時鐘信號；單片機對相關(guān)器進行初始化，并采集相關(guān)器輸入的測量數(shù)據(jù)；將測量數(shù)據(jù)通過相關(guān)器的串行通信口或其它串行通信口、并由無線通訊方式傳至地面計算機，得到北斗測風(fēng)單元在空間的位置和風(fēng)速。
2、 由權(quán)利要求1所述的高空氣象探測北斗測風(fēng)方法其特征是北斗探空儀采用下述方法計算高度// =18410.01 273.15 + 、&(1 + 0.378丄)A 273.15 SA、 ^式中i/ftAA氣壓層到^氣壓層間的厚度(gpm);t—氣壓層間的平均氣溫rc);P2—下氣壓層氣壓(hPa);P,—上氣壓層氣壓(hPa);尸氣層間的平均氣壓值；其中，e = ￡,t/U氣層間的平均相對濕度(RH%);氣層間平均氣溫對應(yīng)的飽和水汽壓。在得到位勢高度后需要將位勢高度轉(zhuǎn)換為幾何高度械i eg(0,p)-Zg0式中Z—某時刻位勢高度(hPa);地球半徑；gC0，w一諱度為^處的重力加速度。
3、 由權(quán)利要求1所述的高空氣象探測北斗測風(fēng)方法其特征是設(shè)有在地面的北斗接收機，放置于己知位置接收點，其地面定位位置值與已知點對比求取差分量，作為北斗測風(fēng)探空儀每時刻位置量的修正值。
4、 由權(quán)利要求1所述的高空氣象探測北斗測風(fēng)方法其特征是上述北斗測風(fēng)探測儀為下投式探空測風(fēng)裝置，測風(fēng)單元無線電發(fā)射機使用調(diào)頻或調(diào)幅方式調(diào)制。大氣探測儀器領(lǐng)域中的一種對高空風(fēng)速、風(fēng)向進行實時測量的測風(fēng)儀器設(shè)備?？赏饧訙p速機構(gòu)、電源開關(guān)控制模塊、電源模塊等部件構(gòu)成探空儀部分。采用飛行器下投探空儀自動完成對高空風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r高精度測量的目的。
5、 高空氣象探測北斗測風(fēng)裝置，其特征是由北斗接收機、信號放大器、相關(guān)器和單片機順序連接，通過無線電通信方式向地面接收處理單元傳送測量數(shù)據(jù)；由北斗信號接收天線接收北斗衛(wèi)星信號，并將該信號輸入信號放大器；信號放大器將北斗衛(wèi)星信號放大，后送給相關(guān)器獲取北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗測風(fēng)單元的延遲時間，結(jié)合空中實時溫、壓、濕計算得到的高程實現(xiàn)探空儀北斗接收機的定位，其定位信息送入單片機，相關(guān)器與單片機之間由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線電連接，相關(guān)器也向信號放大器輸送取樣時鐘信號；單片機對相關(guān)器進行初始化，并采集相關(guān)器輸入的測量數(shù)據(jù)；將測量數(shù)據(jù)通過相關(guān)器的串行通信口或其它串行通信口由無線通訊方式傳至地面計算機，地面計算機結(jié)合基站北斗信息進行定位處理，得到北斗測風(fēng)單元在空間的位置和風(fēng)速；高空氣象探測北斗探空測風(fēng)單元氣球攜帶升空。
6、 由權(quán)利要求3所述的高空氣象探測北斗測風(fēng)裝置，其特征是上述探空儀部分外接臭氧探測傳感器、大氣電場探測傳感器、大氣湍流探測等其他傳感器。
全文摘要
高空氣象探測北斗測風(fēng)方法由北斗探空儀中的北斗信號接收天線和接收機接收北斗衛(wèi)星信號，并將該信號輸入信號放大器；信號放大器將北斗衛(wèi)星信號放大，后送給相關(guān)器，獲取北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號從北斗衛(wèi)星到北斗信號接收天線和接收機的延遲時間，由北斗測風(fēng)單元直接進行高程計算，在北斗探空儀中利用實時探測得到的溫度、濕度、氣壓和注入的初始高程聯(lián)合解算得到北斗測風(fēng)單元實時的位勢高度，然后轉(zhuǎn)化為高度，以此來實現(xiàn)探空儀實時高程的解算；結(jié)合空中實時溫、壓、濕計算得到的高程實現(xiàn)探空儀北斗接收機的定位信息，其定位信息送入單片機，得到北斗測風(fēng)探測儀在空間的位置和風(fēng)速。
文檔編號G01W1/08GK101592741SQ200910031919
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者波 劉, 敏 印, 維 吳, 孫學(xué)金, 張北江, 翟東力, 趙世軍, 高太長 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院