Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра



Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра
Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра
Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра

Владельцы патента RU 2692736:

Горелик Андрей Габриэлович (RU)
Чекулаев Игорь Иванович (RU)
Акмулин Дмитрий Валерьевич (RU)
Ситникова Вера Ивановна (RU)
Ситников Николай Михайлович (RU)
Ширшов Николай Васильевич (RU)

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения вертикальных распределений скорости и направления ветра. Сущность: вертикально вверх запускают беспилотный летательный аппарат (БПЛА) вертолетного (мультироторного) типа в режиме удержания географических координат и ориентации, снабженный датчиками наклона, температуры, давления, влажности и потребляемой двигателями мощности. Измеряют наклон вектора тяги БПЛА, потребляемую двигателями мощность, атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, а также дифференциальное давление между не менее чем двумя парами точек за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата. Определяют скорость и направление ветра, используя заранее выявленную при калибровке зависимость дифференциальных давлений от вектора скорости ветра с учетом наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности, ориентации БПЛА, атмосферного давления, влажности и температуры. Технический результат: повышение точности определения вертикальных распределений скорости и направления ветра, расширение функциональных возможностей. 2 ил.

 

Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра относится к метеорологии и предназначен для измерения вертикальных распределений метеорологических параметров атмосферы.

Известны способы и устройства для определения скорости и направления ветра шаров-зондов 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). Недостатком таких технических решений является невозможность проведения измерений в заранее выбранных географических координатах вследствие неуправляемости зонда.

Известен способ, описанный в устройстве для определения скорости и направления ветра на заданной высоте. Способ заключается в запуске зонда в интересующую область пространства на заданную высоту с помощью специальных средств, обеспечение движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и регистрацию скорости и направления ветра с помощью специальных средств. Зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом. (Патент РФ 98256, МПК G01W 1/00, 27.04.2010). Недостатком такого технического решения также является невозможность проведения измерений в заранее выбранных географических координатах вследствие неуправляемости зонда.

Известен способ измерения вертикального распределения скорости и направления ветра анемометрами, расположенными на различных высотах на метеорологической мачте на высотах до нескольких сот метров. Однако, такие измерения могут быть выполнены далеко не везде, а только в местах, где такие мачты установлены.

Наиболее близким является способ с использованием беспилотного летательного аппарата (РФ № 2617020 МПК G01W 1/08), 19.04.2017), выбранный в качестве прототипа. Способ заключается в запуске беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами, переводе БПЛА в режим удержания координат, равномерного движения по вертикали и, используя заранее измеренную эмпирическую зависимость, по наклону вектора тяги БПЛА, потребляемой двигателями мощности, атмосферному давлению, температуре и влажности воздуха определяют направление и скорость ветра в выбранной точке либо в вертикальном разрезе. Недостатком данного способа является его инерционность и большие погрешности измерений, связанные с тем, что в режиме удержания координат при меняющемся ветре время стабилизации аппарата может составлять несколько секунд, что при равномерном движении по вертикали может привести к ошибке измерений. Кроме того, угол наклона летательного аппарата в процессе его стабилизации по мере достижения требуемых географических координат не является постоянным, а изменяется, что может привести к дополнительным погрешностям.

Целью предлагаемого изобретения является повышение быстродействия системы измерений на базе БПЛА и повышения точности измерения скорости и направления ветра. Эта цель достигается тем, что одновременно с измерением наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности, атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, измеряют дифференциальные давления между N (по крайней мере, между двумя) парами точек в области за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата во время его движения, а скорость и направление ветра вычисляют по заранее определенной при калибровке зависимости между вектором скорости ветра V и дифференциальными давлениями (ΔР1, ΔР3,…, ΔPN), измеренных в точках за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата, с учетом наклона вектора тяги (α), атмосферного давления (Р), влажности (ψ) и температуры (Т), потребляемой двигателями мощности (W) и ориентации БПЛА (φ):

V = f(α, φ, P, ψ, T, W, ΔР1, ΔP3,…,ΔPN).

Способ осуществляется следующим образом.

1. БПЛА, способный зависать в воздухе, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп, магнитный компас, датчики потребляемой двигателями суммарной мощности, атмосферного давления, влажности и температуры, оснащают, по крайней мере, четырьмя измерительными трубками, выставленными за пределы зоны возмущенной пропеллерами летательного аппарата по двум не параллельным (в частности взаимно перпендикулярным) направлениям, К другим концам трубок подсоединяют дифференциальные датчики давления, причем один дифференциальный датчик давления подключался к трубкам, расположенным параллельно в противоположных направлениях (Фиг. 1).

Беспилотный летательный аппарат с установленными на нем датчиками, помещают в аэродинамическую трубу и определяют зависимость между наклоном БПЛА а, вектором скорости ветра V, углом поворота корпуса БПЛА φ, атмосферным давлением Р, влажностью ψ, температурой Т и суммарной мощностью W, развиваемой двигателями БПЛА в виде:

V = f(α, φ, P, ψ, T, W, ΔР1, ΔР2,…,ΔPN).

2. Запускают БПЛА в интересующую область пространства.

3. Переводят БПЛА в режим удержания географических координат и ориентации и равномерного движения по вертикали. Начинают фиксацию показаний бортовых навигационных приборов и датчиков.

4. Используя заранее измеренную при калибровке системы зависимость наклона вектора скорости БПЛА, давления, влажности, температуры и дифференциальных давлений от скорости и направления ветра определяют направление и величину трехмерного вектора скорости ветра в каждой точке траектории движения БПЛА.

5. Исходные данные передают на наземную станцию управления по радиоканалу или (и) записывают на регистрирующее устройство на борту БПЛА.

Основными параметрами, по которым вычисляются скорость и направление ветра, являются дифференциальные давления в точках за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата. Так как давление, создаваемое набегающим потоком воздуха, обусловленным соответствующей компонентой вектора скорости ветра, пропорционально квадрату скорости составляющей потока, перпендикулярной торцам измерительных трубок, точность измерений возрастает с возрастанием скорости потока. Быстродействие имеющихся в продаже абсолютных и дифференциальных датчиков давления составляет 1 миллисекунду. Данные измерений навигационных параметров (в частности, углов наклона летательного аппарата относительно горизонтали) определяются с частотой 5-10 Гц.

Таким образом, в данном техническом решении благодаря новой взаимосвязи известных и новых действий над материальными средствами получен неожиданный технический результат, а именно, измерение дифференциальных давлений стандартными датчиками в точках за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата в процессе их работы и математический учет этих величин позволяет повысить точность определения скорости и направления ветра. Причем одновременное проведение измерений в горизонтальной плоскости относительно поверхности Земли в совокупности с вертикальной траекторией полета летательного аппарата позволяет расширить функциональные возможности способа - получить данные о вертикальном распределении параметров ветра.

Пример конкретного выполнения

Для измерения скорости и направления ветра был использован специально разработанный летательный аппарат вертолетного типа с четырьмя несущими винтами, расположенными в вершинах квадрата со стороной 0,45 м. Вес аппарата составляет 0,85 кг. Аппарат был оснащен системой автопилотирования, позволяющей осуществлять полет в автоматическом режиме. В состав бортовой системы автопилотирования входят GPS модуль, гироскоп и компас (не показаны). Высота полета 1500 м.

Управление летательным аппаратом заключалось только в подаче команды на взлет, дальнейший полет, а также возвращение аппарата в точку вылета и его приземления происходили в автоматическом режиме без участия оператора. Программа, по которой происходил полет, состояла в подъеме аппарата вертикально вверх на заданную высоту с заданной постоянной скоростью подъема, спуск с заданной скоростью и приземление в точку вылета. Общая схема системы для осуществления способа определения скорости и направления ветра на летательном аппарате приведена на Фиг. 1.

Для измерения скорости ветра по направлениям диагоналей квадрокоптера были установлены измерительные трубки диаметром 2 мм, причем концы трубок выходили за пределы зоны возмущения воздуха, создаваемого несущими винтами. К другим концам трубок были подсоединены дифференциальные датчики давления, причем один датчик давления подключался к трубкам, расположенным параллельно в противоположных направлениях. Схема расположения измерительных трубок 1, 2, 3 и 4 и дифференциальных датчиков давления D1 и D2 приведены на Фиг. 1.

Летательный аппарат в режиме автопилотирования поднимался вертикально вверх, при этом он был сориентирован таким образом, что одна из измерительных трубок была направлена строго на север.

Одновременно измерялось абсолютное давление воздуха с помощью датчика давления, установленного на борту летательного аппарата.

Таким образом, на борту летательного аппарата измерялись два дифференциальных давления ΔP1 (разность давлений между точками 1 и 2, измеряемое дифференциальным датчиком давления D1)) и ΔР2 (разность давлений между точками 3 и 4, измеряемое дифференциальным датчиком давления D2) в двух взаимно перпендикулярных направлениях и абсолютное давление воздуха Р. Данные измерений записывались на карту памяти на борту летательного аппарата.

Определение скорости и направления ветра из показаний датчиков осуществлялось по измерению давления набегающего потока, создаваемого компонентами вектора скорости перпендикулярным соответствующим торцам измерительных трубок с использованием формулы:

По значениям измеренных дифференциальных давлений ΔP1 и ΔР2 и вычисленных с использованием формулы (1) составляющих скорости ветра Vsinα и Vcosα (см. Фиг. 1) с учетом наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности и ориентации БПЛА, атмосферного давления, влажности и температуры.

Плотность воздуха ρ может быть определена из результатов измерения метеопараметров по формуле:

ρ = F(M, Р, Т, R, ψ), где М -молекулярный вес воздуха, Р - абсолютное давление воздуха, Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, ψ - относительная влажность воздуха. В случае сухого воздуха .

Таким образом, используя формулу (1) по разности давлений между точками 1, 2 и 3, 4 определяются компоненты скорости ветра, по которым с учетом наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности и ориентации БПЛА вычисляются скорость и направление ветра.

Скорость подъема летательного аппарата составляла 4,5 м/с. Постоянная времени при измерениях составляла 1 секунду. Угол направления ветра отсчитывался от направления на север по часовой стрелке (азимут ветра).

Графики измеренной зависимости скорости и направления ветра от высоты, полученные в процессе полевых испытаний, приведены на Фиг. 2.

Выводы

Способ определения вертикального распределения скорости и направления ветра, осуществляемый предлагаемым способом с помощью измерения дифференциальных давлений выбранного расположения датчиков дифференциальных давлений на летательном аппарате с вертикальной траекторией полета, с учетом наклона вектора тяги, атмосферного давления, влажности и температуры, потребляемой двигателями мощности и ориентации БПЛА, а также с применением приведенных выше математических уравнений позволит повысить возможности измерения пространственного распределения скорости ветра по высоте и повысить точность измерения вертикального распределения скорости ветра в исследуемой зоне нижних слоев земной атмосферы. При этом новые технические характеристики данного технического решения позволят применять данный способ для оперативного метеорологического обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов, эксплуатации объектов космической инфраструктуры, зонах чрезвычайных ситуаций, а также для метеообеспечения войск. Он также может быть использован в труднодоступных географических регионах Земли.

Способ определения вертикальных распределений скорости и направления ветра, состоящий в том, что вертикально вверх запускают беспилотный летательный аппарат (БПЛА) вертолетного (мультироторного) типа в режиме удержания географических координат и ориентации, снабженный датчиками наклона, температуры, давления, влажности и потребляемой двигателями мощности, измеряют наклон вектора тяги БПЛА, потребляемую двигателями мощность, атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, отличающийся тем, что дополнительно измеряют дифференциальное давление между N (по крайней мере между двумя) парами точек за пределами зоны, возмущенной пропеллерами летательного аппарата, а определение скорости и направления ветра производят, используя заранее измеренную при калибровке системы зависимость дифференциальных давлений от вектора скорости ветра с учетом наклона вектора тяги, потребляемой двигателями мощности и ориентации БПЛА, атмосферного давления, влажности и температуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения изменения давления атмосферы с изменением высоты. Сущность: измеряют параметры пассивного полета в атмосфере объекта с известными массово-геометрическими и аэродинамическими характеристиками в дискретных точках траектории.

Изобретение относится к системам мониторинга состояния ледяного покрова. Сущность: система включает четыре полевые ледовые станции (1-4), базовую станцию (5) сбора и обработки данных с полевых станций, беспилотный летательный аппарат (7) вертолетного типа, радиоканалы связи и управления с базовой станции полевыми станциями.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения зон возможного обледенения воздушных судов в режиме реального времени. Для этого в заданном районе наблюдения вначале регистрируют несколько фактических значений общего влагосодержания, затем регистрируют фактическое значение вертикального профиля температуры наземным метеорологическим температурным профилемером.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для зондирования верхней атмосферы. Сущность: измеряют и прогнозируют орбиту космического аппарата.
Изобретение относится к области авиационной метеорологии и может быть использовано для мониторинга воздушного пространства в зонах распространения облаков вулканического пепла в целях обеспечения безопасности полетов.
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах учета характеристик атмосферы в интересах обеспечения стрельбы неуправляемыми снарядами.
Изобретение относится к способам экологического мониторинга, использующим мультиагентные (роевые) системы наблюдения. Сущность: измеряют контролируемые параметры окружающей среды в узлах децентрализованной одноранговой сети, каждый из которых организован на беспилотном подвижном аппарате.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения изменения давления атмосферы с изменением высоты. Сущность: измеряют параметры полета в дискретных точках траектории и вычисляют по ним координаты и скорость движения объекта, угол наклона вектора скорости к плоскости местного горизонта, ускорение силы притяжения Земли.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для получения информации о параметрах атмосферы на разных высотах. Сущность: комплекс содержит машину аппаратную, выполненную на колесном шасси (1) с кабиной (2) и кузовом-фургоном (3), радиозонды, антенну (8) приема сигналов радиозонда, антенну (24) радиостанции.

Изобретение относится к технической физике, а именно к области определения отношения усредненных скоростей фаз и отношения динамического разрежения в контролируемой точке поперечного сечения потока влажного пара к усредненному значению этого параметра по сечению потока при известных значениях массового расхода и степени сухости, например, в паропроводе от парогенератора.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для контроля и измерения электрических параметров авиационного радиооборудования, а именно доплеровских измерителей скорости и сноса.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения скорости потока и расхода диэлектрического вещества (жидкости, газа, сыпучего вещества), перемещаемого по трубопроводу.

Изобретение относится к способу и устройству для ультразвукового измерения расхода накладным методом по методу измерения времени прохождения. Для соответствующего изобретению способа ультразвукового измерения расхода по методу измерения времени прохождения на измерительной трубе расположены по меньшей мере четыре акустических преобразователя, которые с помощью устройства управления управляются таким образом, что измерение расхода осуществляется попеременно друг за другом в X-образной компоновке и отражательной компоновке.

Изобретение относится к способу определения пространственного распределения частиц. Способ определения содержит следующие этапы: получение реальных двумерных изображений частиц с различными эффективными функциями отображения в соответствующий момент времени; задание оцененного пространственного распределения частиц; вычисление виртуальных двумерных изображений оцененного пространственного распределения с различными функциями отображения; регистрацию различий между виртуальными двумерными изображениями и реальными двумерными изображениями; и изменение оцененного пространственного распределения частиц с целью получить пространственное распределение, приближенное к фактическому пространственному распределению частиц в момент времени.

Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к ультразвуковым расходомерам с временем прохождения. Согласно изобретению предлагается способ определения скорости потока жидкости в трубопроводе для текучей среды.

Группа изобретений относится к области авиационного приборостроения и может быть использована для измерения параметров ветра на борту самолета. Сущность изобретений заключается в том, что с помощью двух датчиков измерения давления набегающего воздушного потока, приемные каналы которых расположены под одинаковыми углами зеркально симметрично относительно оси поворотного малоинерционного устройства, регистрируют давление ветрового потока, сигналы от датчиков поступают на блок управления синхронно-следящим приводом выполненного с возможностью разворота поворотного малоинерционного устройства таким образом, что его измерительная ось неизменно совмещается с направлением набегающего воздушного потока и с направлением вектора истинной скорости самолета, и при известных параметрах вектора истинной скорости, а также значениях путевой скорости, измеренной любым способом, вычисляют мгновенные значения скорости и направления ветра.
Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры нестационарного газового потока, теплового импульса потока, скорости движения фронта теплового возмущения, зависимости скорости движения фронта теплового возмущения от расстояния до источника его возникновения.

Группа изобретений относится к метеорологии и может быть использована для измерения скорости ветра и температуры воздуха в атмосферном пограничном слое до высоты 2-3 км.

Группа изобретений относится к нагревательному устройству для использования с датчиком угла атаки, системе с датчиком угла атаки, способу нагревания датчика угла атаки, способу защиты работы датчика угла атаки.
Наверх