СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD FOR DETERMINING WIND SPEED AND DIRECTION USING UNMANNED AIRCRAFT

Способ определения скорости и направления ветра с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) относится к области измерительной техники, в частности, метеорологии, и предназначен для определения вертикального профиля ветра в приземном слое атмосферы.
Известны способы и устройства для определения скорости и направления ветра с использованием воздушных шаров и зондов [1-3]. Недостатком указанных технических решений является невозможность непрерывных измерений над точкой с заданными координатами.
Известен способ определения усредненного вектора скорости ветра с помощью БПЛА, способного зависать в заданной точке пространства [4]. БПЛА оснащают датчиками наклона, температуры, давления, влажности атмосферного воздуха и потребляемой двигателями мощности, а также навигационными приборами в составе модуля системы спутниковой навигации (СНС), электронных гироскопа и магнитного компаса. Для определения вектора средней скорости ветра используют калибровочную зависимость между наклоном вектора тяги БПЛА, вектором скорости ветра, углом поворота корпуса аппарата, атмосферными давлением, влажностью, температурой и суммарной мощностью двигателей БПЛА.
Основным недостатком способа является необходимость предварительной трудоемкой калибровки путем продувки оснащенного датчиками и приборами БПЛА в аэродинамической трубе. При этом не ясно, как обеспечивается при калибровке зависание БПЛА при отсутствующем (ограниченном) доступе к сигналам СНС, а также, что означает и чем обеспечивается усреднение вектора скорости ветра.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ [5], при котором в интересующую область пространства запускают БПЛА, оснащенный навигационными приборами в составе модуля СНС, гироскопа (датчика угловой скорости, ДУС) и магнитного компаса (магнитометра). При достижении БПЛА точки пространства с заданными координатами его переводят в режим удержания заданных координат, который периодически отключают на время установления скорости БПЛА, составляющей определенную долю от скорости ветра, и рассчитывают скорость ветра по показателям модуля СНС. Оперативную калибровку результатов измерений проводят путем сравнения скоростей БПЛА при различных временных промежутках при выключенном режиме удержания заданных координат. После этого режим удержания включают вновь и измерения проводят на другой высоте.
Недостатками способа-прототипа [5] являются:
1. Используемое соотношение, связывающее ускорение БПЛА  с модулями его путевой скорости ν и скорости ветра u (первое соотношение в описании) является нелинейным первого порядка дифференциальным уравнением Риккати. В отсутствие частного решения (соответствует условиям рассматриваемой задачи) это уравнение сводится к однородному линейному дифференциальному уравнению второго порядка [6], решением которого является произведение экспоненциальной и гармонической функций с соответствующими постоянной затухания и собственной круговой частотой. Поэтому положенная в основу способа-прототипа связь между текущей скоростью БПЛА ν(t), скоростью ветра u и некоей калибровочной постоянной «const» (второе соотношение), предполагающая упрощенный экспоненциальный закон изменения скорости ν(t), не корректна и приводит к значительным ошибкам в расчетах.
2. В формуле и описании прототипа отсутствуют какие-либо сведения о способе определения направления ветра.
3. Использование в качестве источника измерительных данных о параметрах ветра модуля СНС снижает функциональные возможности способа-прототипа (прежде всего, автономность и независимость от внешних источников информации), поскольку сигналы спутниковых систем подвержены спуфингу, радиоэлектронному подавлению, селективному доступу и другим мерам противодействия.
4. Как и в аналоге [4], не определены сущность и процедура усреднения вектора скорости ветра.
Цель заявляемого изобретения состоит в повышении точности и расширении функциональных возможностей способа определения скорости и направления ветра с использованием БПЛА.
Для достижения поставленной цели в способе определения скорости и направления ветра с использованием БПЛА, заключающемся в том, что в интересующую область пространства запускают БПЛА, оснащенный навигационными приборами в составе модуля СНС, ДУС и магнитометра, при достижении БПЛА точки пространства с заданными координатами его переводят в режим удержания заданных координат, который периодически отключают на время установления скорости БПЛА, в состав навигационных приборов включают трехосевой акселерометр, БПЛА выполняют с возможностью в режиме удержания автоматического разворота его продольной оси по направлению ветра, при отключении режима удержания определяют параметры режима ускоренного движения БПЛА - текущие путевые скорость и угол, при этом путевую скорость определяют с помощью накапливающего суммирования значений модуля истинного ускорения БПЛА, рассчитываемого, считая известными ускорения силы тяжести на заданной высоте, по измеряемым акселерометром проекциям вектора кажущегося ускорения БПЛА и определяемым по данным трехосевого ДУС его углам тангажа и крена, одновременно по данным трехосевого магнитометра и указанным углам тангажа и крена определяют путевой магнитный угол БПЛА, одновременно проводят сравнение значений модуля кажущегося ускорения БПЛА и ускорения силы тяжести, при равенстве значений принимают решение о переходе БПЛА в режим равномерного движения, а соответствующие установившиеся путевые скорость и магнитный угол принимают в качестве скорости и направления ветра, при этом для определения вертикального профиля ветра указанные операции повторяют для других заданных высот БПЛА.
Технический результат состоит в повышении точности и расширении функциональных возможностей при определении скорости и направления ветра.
Существенные отличительные признаки заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
1. БПЛА выполняют с возможностью в режиме удержания автоматического разворота его продольной оси по направлению ветра. При совмещении с продольной осью одной из осей чувствительности магнитометра этим обеспечивается определение путевого магнитного угла аппарата и, как результат, направления ветра (см. далее сущность заявляемого способа).
В прототипе такая возможность не предусмотрена.
2. При отключении режима удержания путевую скорость БПЛА в режиме ускоренного движения определяют с помощью накапливающего суммирования значений модуля истинного ускорения аппарата, рассчитываемого по измеряемым акселерометром проекциям вектора кажущегося ускорения и определяемым по данным трехосевого ДУС углам тангажа и крена. Тем самым обеспечиваются необходимая точность и автономность скоростных измерений при практически абсолютной помехозащищенности.
В прототипе путевая скорость БПЛА определяется по данным модуля СНС, что сопровождается влиянием ранее отмеченных мер противодействия.
3. Путевой магнитный угол БПЛА определяют по данным трехосевого магнитометра и указанным выше углам тангажа и крена. Этим также достигаются необходимая стабильная точность и автономность угловых измерений при воздействии внешних мешающих факторов.
В прототипе способ получения путевого угла БПЛА и направления ветра не определен. Можно предполагать, что для этого также используют данные модуля СНС, так как формирование путевого угла предусмотрено в большинстве образцов спутниковой аппаратуры потребителя. Однако достижимая точность здесь не велика, поскольку в широкодоступной аппаратуре применяется достаточно грубый алгоритм расчета путевого угла по приращениям координат подвижного потребителя. При этом точность зависит от длины пройденного пути.
4. Сравнение текущего модуля кажущегося ускорения БПЛА с ускорением силы тяжести позволяет (при равенстве их значений) зафиксировать окончание переходного процесса ускоренного движения аппарата и определить начало равномерного движения. Установившиеся далее значения путевых скорости ν и магнитного угла α БПЛА принимают в качестве оценок скорости и направления ветра.
В прототипе такая функция отсутствует. Открытым остается вопрос об окончательных оценках скорости и направления ветра и как они количественно соотносятся с параметрами движения БПЛА. Рассмотрим сущность заявляемого изобретения.
Считаем, что бортовая система стабилизации поддерживает в допустимых пределах горизонтирование плоскости симметрии БПЛА в обоих режимах свободного движения. Тогда влиянием вертикальной тяги, поддерживающей заданную высоту, на горизонтальную аэродинамику БПЛА можно пренебречь.
уст
уст
После отключения режима удержания ускоренное движение БПЛА выполняется под действием аэродинамической силы тяги ветра, превосходящей силу аэродинамического сопротивления. При этом аэродинамические параметры (миделева площадь поперечного сечения, коэффициенты аэродинамической силы и аэродинамического сопротивления, плотность воздуха) для обеих сил практически одинаковы. По мере нарастания скорости БПЛА ν(t) происходит выравнивание этих сил. При наступлении равенства аппарат переходит в установившийся режим равномерного горизонтального движения, при котором одинаковыми становятся скорости ν(t)=ν и u, т.е. ν =u.
Обратимся к углам тангажа β и крена γ, участвующим в определении путевых скорости и угла. В реальных условиях углы возникают при колебаниях корпуса и элементов конструкции БПЛА в силу целого ряда естественных причин. Высокая точность определений требует строгого учета этих углов.
0
В момент времени отключения режима удержания (примем его за начальный t) углы тангажа и крена неподвижного БПЛА рассчитывают по формулам:
0
у0
0
x0
z0
β=arcsin(-а/g), γ=arctg(-a/a),
x0
y0
z0
где a, a, a - проекции вектора ускорения силы тяжести g, измеряемые осями чувствительности акселерометра.
Соответствующий начальный магнитный путевой угол определяют выражением:
x0
y0
z0
0
где Η, H, Η - проекции вектора магнитного поля H на оси чувствительности магнитометра в момент t.
0
0
0
Значения α, β, γ являются начальными условиями рекуррентной процедуры расчета в режиме ускоренного движения БПЛА:
м
м
матрицы D направляющих косинусов между осями магнитной географической OENh и связанной 0XYZ системами координат:
Матрица угловых парциальных приращений ΔW(i) равна:
x
y
z
0
0
0
0
где ω(i), ω(i), ω(i) - измеряемые чувствительными осями ДУС проекции вектора угловой скорости вращения (колебания) БПЛА; i-дискретные моменты времени измерений; τ - шаг по времени, определяемый частотой f выдачи данных ДУС.Н ачальное значение матрицы D рассчитывают подстановкой α, β, γ в (3).
Важно отметить, что оси чувствительности бортовых навигационных приборов выставляют параллельно осям связанной системы координат 0XYZ, в частности, продольной связанной оси аппарата.
Последовательно применяя процедуру (2), по текущим значениям элементов матрицы D(i) определяют параметры угловой ориентации БПЛА:
Одновременно по измеряемым акселерометром проекциям  вектора кажущегося ускорения БПЛА с использованием углов β(i), γ(i)вычисляют истинные ускорения:
с помощью которых рассчитывают модуль истинного ускорения:
Это значение поступает в процедуру накапливающего суммирования:
в результате которой формируют последовательность текущих значений модуля путевой скорости ν(i) БПЛА.
x
y
z
Одновременно по измеряемым магнитометром проекциям H(i), H(i), H(i) вектора магнитного поля в соответствии с выражением (1) формируют последовательность текущих значений магнитного путевого угла α(i) аппарата.
Момент окончания ускоренного движения и перехода в режим равномерного движения фиксируют путем сравнения модуля кажущегося ускорения БПЛА:
к
и ускорения силы тяжести g, т.е. проверкой равенства а(i)=g, которое на практике выполняется с некоторым допуском ±Δ, зависящим от точности используемого акселерометра. При выполнении равенства путевые скорость и магнитный угол БПЛА принимают в качестве скорости и направления ветра.
Заметим, что существующая модель ускорения силы тяжести (ускорения свободного падения) [7] позволяет с высокой точностью рассчитать величину g для различных заданных высот.
В реальных условиях равномерного движения БПЛА в силу различных случайных факторов полученные мгновенные путевые скорость и угол сопровождаются погрешностями. При значительных флуктуациях их значений целесообразно использовать процедуру "оконного" усреднения и сжатия последовательностей ν(i), α(i):
уст
уст
где ν(k), α(k) - средние в k-ом "окне" значения путевых скорости и магнитного угла.
общ
Размер "окна" (количество усредняемых отсчетов) M определяется временным интервалом усреднения Т, задаваемым исходя из интенсивности флуктуаций и требуемой степени их подавления. При этом M=T/τ, где τ -шаг выдачи данных бортовыми навигационными приборами. Количество "окон" К задается общей длительностью интервала равномерного движения БПЛА, Т=KT, выбираемой исходя из плана и продолжительности полета аппарата.
общ
Общие для всего интервала Т усредненные установившиеся значения рассчитывают по формулам:
Дополнительным отличительным признаком заявляемого способа является отсутствие необходимости сложной предварительной калибровки БПЛА, как это предусмотрено в аналоге [4], либо оперативной калибровки в процессе полета аппарата, проводимой в прототипе [5]. Для его реализации достаточно штатной предполетной калибровки БПЛА.
Заявляемый способ может использоваться при решении широкого круга прикладных задач: прогностические и исследовательские задачи метеорологии, поддержка действий парашютистов при высотном спуске, обеспечение высокоточного бомбометания и ряд других.
Техническая реализация заявляемого способа не вызывает сложности.
При его внедрении в БПЛА специального назначения требующиеся аппаратно-программные средства закладывают на этапе разработки как часть облика и общего состава приборного оснащения создаваемого аппарата. В случае коммерческих БПЛА, доступ к аппаратно-программному обеспечению которых закрыт, способ может быть реализован в виде дополнительного блока, устанавливаемого на корпусе БПЛА и выполняющего независимые от штатных средств носителя измерения и обработку данных.
В обоих случаях требуемый типовой набор навигационных приборов и несложные алгоритмы и процедуры обработки данных легко реализуются на доступной элементной базе инерциальных и магнитных датчиков и вычислительных средств.
В заключение отметим, что результаты работы бортовых аппаратно-программных средств, реализующих заявляемый способ, передаются на наземный пункт управления БПЛА. Для этого используют либо общий радиоканал специального БПЛА, либо радиоканал, дополнительный к штатному радиоканалу коммерческого образца.
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и обеспечивает повышение точности и расширение функциональных возможностей при определении скорости и направления ветра с использованием БПЛА.
Источники информации:
1. Патент RU 2101736.
2. Патент RU 92204 (полезная модель, 2010 г.).
3. Патент RU 103195 (полезная модель, 2010 г.).
4. Патент RU 2617020.
5. Патент RU 2695698.
6. Федорюк М.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Изд. второе, перераб. и допол. - М: Наука, 1985.
7. Ускорение свободного падения. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ускорение свободного падения.