CN104503000A - 一种探空仪测风系统及测风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种探空仪测风系统及测风方法，本发明采用多普勒频移双差定速算法来测速，本发明消除了GPS接收机或者北斗接收机固有的误差，以及环境中的公共误差，速度精度满足要求。本发明可以减少了战时GPS卫星信号的关闭的风险，可以随时采用国产北斗接收机进行替换。

Description

一种探空仪测风系统及测风方法

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其涉及一种探空仪测风系统及测风方法。

背景技术

传统的探空仪测位置和风速的方法是直接对GPS接收机下传的数据进行解析显示，这样十分依赖GPS接收机的精度，精度越高的GPS接收定位越准确，但是价格也越高，对于一般的单点定速的GPS接收机而言，大约在95％的时间内定速精度可达0.2m/s。在国内北斗卫星组网完成的大背景下，以后北斗接收机将会全面替代GPS接收机，本发明所采用的定速算法对低成本的GPS接收机或者北斗接收机而言，能够大幅度的提高控空仪的定速精度，并且本发明兼容北斗接收机。

现有技术成本和精度矛盾，精度的提高以牺牲成本为代价，本发明在原有低成本的基础上采用多普勒频移双差定速算法，精度能够大幅提高。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种探空仪测风系统，其包括探空仪和地面站，探空仪包括导航信号接收模块、PTU模块；地面站包括地面天线、频率调制FM接收机及工控机；

探空仪上的导航信号接收模块接收卫星发送的信号与PTU模块输出的数据合路编帧，以频移键控FSK方式调制到载波器上经功率放大器放大后通过天线发送至地面；

地面天线接收到信号后，经过无线网络信号器放大后，送到频率调制FM接收机，FM接收机对信号进行变频，数据解调和处理，得到导航信息中的定位定速信息和数据，同时地面的基准信号接收机也接收卫星信号，基准信号接收机与探空仪上的导航信号接收机同型号；两组数据由工控机进行处理，解算出风数据，通过对气象数据的滤波、纠错、插值处理，最后计算输出用户所需要的气象数据。

作为本发明的进一步改进，所述导航信号接收模块为GPS信号接收机或者北斗信号接收机。

作为本发明的进一步改进，所述载波器及天线的频率为400MHz。

作为本发明的进一步改进，得到导航信息中的定位定速信息和数据中的数据为：压力、温度、湿度。

一种利用上述任意一项的探空仪测风系统的测风方法，步骤如下：

步骤1、判断卫星数据有效标志，有效则进行下一步，无效则置返回标志为无效，并返回；

步骤2、选择第一颗星数据为基星：

基准站观测的基星的多普勒频移值为其余卫星的频移值为

流动站的基星的多普勒频移值为其余卫星的频移值为

计算双差多普勒频移观测量 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=[(Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{base}}-Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{rev}})-(Z_{V*}^{\mathrm{base}}-$ $Z_{V*}^{\mathrm{rev}})]*\mathrm{Lamda};$ Lamda为L1波段(1575.42MHz)波长；

步骤3、计算移动站速度系数矩阵基星位置和速度：R^sat*、V^sat*，其余：R^sati、V^sati，流动站当前位置R^rev， ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2},{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

步骤4、判断3*3矩阵是否可逆，若不可逆，则置返回标志为无效并返回，若可逆，则进行下一步；

步骤5、计算卫星i运动引起的径向速度其中 ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2};$

基星运动引起的径向速度其中 ${\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

计算移动站和基星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I=$ $\frac{{(R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sat}*},$ 其中 ${\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

计算移动站和其余卫星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I=\frac{{(R^{\mathrm{sati}}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sati}},{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2};$

计算双差径向速度 $(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)+(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I);$

更新 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}-(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)+(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I);$

步骤6、计算 $\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]$ 的逆矩阵 ${\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1};$

步骤7、计算流动站的速度为 ${V^{\mathrm{rev}}=\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1}*\left[\begin{array}{c}\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V1}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V2}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V3}\end{array}\right],$ 返回值为TRUE

作为本发明的进一步改进，卫星为四颗，一颗为基准卫星。

本发明的有益效果是：

本发明消除了GPS接收机或者北斗接收机固有的误差，以及环境中的公共误差，速度精度满足要求。

本发明可以减少了战时GPS卫星信号的关闭的风险，可以随时采用国产北斗接收机进行替换。

利用两台同型号的GPS接收机观测的静态数据按上述方法进行速度双差分运算，可以看出X向、Y向、Z向及风速均在0.1m/s以下，满足用户的要求，在没有使用该算法的情况下定速精度在0.2m/s左右。

附图说明

图1是本发明探空仪工作原理图；

图2是本发明地面站工作原理图；

图3是本发明多普勒频移双差定速结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

探空仪工作原理：

如图1所示，探空仪上的导航信号接收模块(GPS信号接收机或者北斗信号接收机)接收卫星发送的信号与PTU模块输出的数据合路编帧，以FSK(Frequency-shift keying)方式调制到400MHz载波上经功率放大器放大后通过天线发送至地面。

如图2所示，地面400MHz天线接收到信号后，经过无线网络信号器放大后，送到FM(频率调制)接收机。FM接收机对信号进行变频，数据解调和处理，得到导航信息中的定位定速信息和PTU(压力、温度、湿度)数据，同时地面的基准信号接收机(与探空仪上的导航信号接收机同型号)也接收卫星信号；两组数据由地面数据处理软件进行处理，解算出风数据，通过对气象数据的滤波、纠错、插值处理，最后计算输出用户所需要的气象数据。

本发明可以测量从地面一直到30公里高空自由大气各高度的气温、气压、湿度、风向以及风速等气象因素。通过实时的监测这些数据可以军民两用，即可以用来预测未来局部地区的气象变化，为农作物的播种、收获或者保护的时机提供预测；也可以用来对部队炮兵部队导弹或者炮弹的飞行条件进行预估。

现有技术只支持GPS接收机或北斗接收机中的一个，本发明通过422口兼容两者。

地面站工控机上的数据处理软件，每秒钟解算出探空仪和地面站接收机的导航数据，采用多普勒频移双差定速算法解算出高空风速，具体算法实现步骤如下描述：

输入：4颗卫星的位置速度及有效标志

(基星位置和速度：R^sat*、V^sat*，其余：R^sati、V^sati)、相应的4颗星的多谱勒频率观测值(流动站：基准站：L1波波长Lamda、流动站当前位置(R^rev)、基准站的精确坐标(R^base)。

输出：双差定速算法是否有效，有效标志为TRUE，无效标志为FALSE，有效输出当前流动站GPS速度。

步骤：

1、判断卫星数据有效标志，有效则进行下一步，无效则置返回标志为无效，并返回；

2、选择第一颗星数据为基星

基准站观测的基星的多普勒频移值为其余三颗卫星的频移值为 $Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{base}}$

流动站的基星的多普勒频移值为其余三颗卫星的频移值为

计算双差多普勒频移观测量 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=[(Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{base}}-Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{rev}})-(Z_{V*}^{\mathrm{base}}-$ $Z_{V*}^{\mathrm{rev}})]*\mathrm{Lamda}$

3、计算移动站速度系数矩阵 ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2},{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2}$

4、判断3*3矩阵是否可逆，若不可逆，则置返回标志为无效并返回，若可逆，则进行下一步

5、计算卫星i运动引起的径向速度 ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2}$

基星运动引起的径向速度 $V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}=\frac{{(R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{base}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}{V^{\mathrm{sat}*},\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}=$ $\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2}$

计算移动站和基星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I=$ $\frac{{(R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sat}*},{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2}$

计算移动站和其余卫星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I=\frac{{(R^{\mathrm{sati}}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sati}},{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2}$

计算双差径向速度 $(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)+(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I)$

更新 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}-(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)+(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I)$

6、计算 $\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]$ 的逆矩阵 ${\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1}$

7、计算流动站的速度为 ${V^{\mathrm{rev}}=\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1}*\left[\begin{array}{c}\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V1}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V2}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V3}\end{array}\right],$ 返回值为TRUE。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种探空仪测风系统，其特征在于：其包括探空仪和地面站，探空仪包括导航信号接收模块、PTU模块；地面站包括地面天线、频率调制FM接收机及工控机；

探空仪上的导航信号接收模块接收卫星发送的信号与PTU模块输出的数据合路编帧，以频移键控FSK方式调制到载波器上经功率放大器放大后通过天线发送至地面；

地面天线接收到信号后，经过无线网络信号器放大后，送到频率调制FM接收机，FM接收机对信号进行变频，数据解调和处理，得到导航信息中的定位定速信息和数据，同时地面的基准信号接收机也接收卫星信号，基准信号接收机与探空仪上的导航信号接收机同型号；两组数据由工控机进行处理，解算出风数据，通过对气象数据的滤波、纠错、插值处理，最后计算输出用户所需要的气象数据。

2.根据权利要求1所述的一种探空仪测风系统，其特征在于：所述导航信号接收模块为GPS信号接收机或者北斗信号接收机。

3.根据权利要求1所述的一种探空仪测风系统，其特征在于：所述载波器及天线的频率为400MHz。

4.根据权利要求1所述的一种探空仪测风系统，其特征在于：得到导航信息中的定位定速信息和数据中的数据为：压力、温度、湿度。

5.一种利用权利要求1至4任意一项的探空仪测风系统的测风方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1、判断卫星数据有效标志，有效则进行下一步，无效则置返回标志为无效，并返回；

步骤2、选择第一颗星数据为基星：

基准站观测的基星的多普勒频移值为其余卫星的频移值为

流动站的基星的多普勒频移值为其余卫星的频移值为

计算双差多普勒频移观测量 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=[(Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{base}}-Z_{\mathrm{Vi}}^{\mathrm{rev}})-(Z_{V*}^{\mathrm{base}}-$ $Z_{V*}^{\mathrm{rev}}\left)\right]*\mathrm{Lamda};$ Lamda为L1波段波长；

步骤3、计算移动站速度系数矩阵 $h_i^T=[\frac{R^{\mathrm{sati}}-R^{\mathrm{rev}}}{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}-\frac{R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{rev}}}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}{]}^T;$ 基星位置和速度：R^sat*、V^sat*，其余：R^sati、V^sati，流动站当前位置R^rev， ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2},$ ${\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

步骤4、判断3*3矩阵是否可逆，若不可逆，则置返回标志为无效并返回，若可逆，则进行下一步；

步骤5、计算卫星i运动引起的径向速度 $V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}=\frac{{(R^{\mathrm{sati}}-R^{\mathrm{base}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}{V}^{\mathrm{sati}},$ 其中 ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2};$

基星运动引起的径向速度 $V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}=\frac{{(R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{base}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}{V}^{\mathrm{sat}*},$ 其中 ${\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{base}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

计算移动站和基星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I=$ $\frac{{(R^{\mathrm{sat}*}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sat}*},$ 其中 ${\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sat}*})}^2};$

计算移动站和其余卫星运动引起的径向速度中的已知的部分 $V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I=\frac{{(R^{\mathrm{sati}}-R^{\mathrm{rev}})}^T}{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}{V}^{\mathrm{sati}},$ ${\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}=\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^3{(R_k^{\mathrm{rev}}-R_k^{\mathrm{sati}})}^2};$

计算双差径向速度 $(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)-(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I);$

更新 $\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}=\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{\mathrm{Vi}}-(V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_i^{\mathrm{rev}}}}^I)+(V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{base}}}-V_{V_{{\mathrm{\ρ}}_{*}^{\mathrm{rev}}}}^I);$

步骤6、计算 $\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]$ 的逆矩阵 ${\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1};$

步骤7、计算流动站的速度为 $V^{\mathrm{rev}}={\left[\begin{array}{c}{h}_1^T\\ h_2^T\\ h_3^T\end{array}\right]}^{-1}*\left[\begin{array}{c}\▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V1}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V2}\\ \▿\mathrm{\Δ}{Z}_{V3}\end{array}\right],$ 返回值为TRUE。

6.根据权利要求5所述的测风方法，其特征在于：卫星为四颗，一颗为基准卫星。