СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСРЕДНЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА
METHOD FOR DETERMINATION OF AVERAGED VALUES OF WIND SPEED AND DIRECTION

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.
1
1
1
2
2
2
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 ψ, λ в градусах, текущее время T в секундах, после этого, через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют координаты и время второй точки ψ, λ, Т, 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.
1
1
1
2
2
2
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 ψ, λ в градусах, текущее время T в секундах, через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряли координаты и момент времени по достижении второй точки ψ, λ, Т. 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.