СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСРЕДНЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ВЕТРА И ЕГО НАПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01W1/08 

Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления относится к метеорологии и предназначен для измерения параметров ветра в заданной точке.

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.)

Недостатком таких технических решений является сложность в обеспечении неподвижности зонда относительно окружающей среды, что снижает точность определения искомых величин.

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 в интересующую область пространства на заданную высоту с помощью специальных средств, обеспечении движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и регистрации 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 прототипа является невозможность определения вертикальной составляющей скорости ветра и сложность приведения движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и обеспечения его неподвижности относительно окружающей среды.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности следования зонда за движением окружающей среды, обеспечивая его неподвижность относительно окружающей среды.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно измерения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления в заданной точке.

Технический результат достигается тем, что, как и в известном способе определения усредненных значений скорости и направления ветра, запускают зонд в интересующую область пространства на заданную высоту, обеспечивают движение зонда по ветру, отслеживают траекторию его движения под действием ветра, направляя информацию на радиоприемную систему, при этом зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом.

В отличие от известного способа, в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный зависать в воздухе, по достижению необходимой высоты и географических координат БПЛА переводят в режим удержания горизонтального положения и нулевой плавучести, который характеризуется равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги и веса БПЛА, затем запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси, по истечении времени, которое необходимо для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра и которое определяют эмпирически, по исчезновению ускорения, фиксируют показания бортовых навигационных приборов через промежутки времени, кратные полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, зафиксированные данные передают на наземную станцию управления для расчета усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.

Движение БПЛА в описанном выше режиме соответствует усредненному движению ветра в данной области пространства. Кратность оборотов вокруг оси БПЛА нивелирует отклонения в его конструкции от абсолютной симметрии. Для определения направления и величины трехмерного вектора средней скорости ветра необходимо рассматривать такие показания навигационных приборов, как широта, долгота и высота.

Для выполнения работ по определению усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления 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 ч, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускает их применение; 2-3 съемные флеш-карты памяти объемом не менее 16 Гб для записи видео-(фото)информации на борту БПЛА, если конструкция и программное обеспечение БПЛА допускает 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 допускает их применение.

Способ осуществлялся следующим образом.

1. В точку измерения запустили БПЛА, способный зависать в воздухе, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп и магнитный компас.

2. Перевели БПЛА в режимы удержания горизонтали и нулевой плавучести, после чего придали БПЛА равномерное вращение вокруг вертикальной оси. Через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра (момент времени определили эмпирически по исчезновению ускорения), начали фиксацию показаний бортовых навигационных приборов через промежутки времени, кратные полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси. Полный оборот и направление БПЛА определяли с помощью электронного магнитного компаса. Фиксируемые показания содержат данные как о горизонтальном (широта-долгота), так и о вертикальном (высота) положении БПЛА.

3. Принимая зафиксированные показания навигационных приборов соответствующими характеристикам ветра в рассматриваемой области, определили направление и величину трехмерного вектора средней скорости ветра.

4. Исходные данные передавали на наземную станцию управления по штатному радиоканалу (телеметрия).

Можно вернуть БПЛА в исходную точку и повторить пункты 1...3, либо переместить БПЛА в новую точку измерения, либо осуществить приземление БПЛА для замены аккумуляторных батарей.

Данный алгоритм может выполняться автоматически, по программе.

Измеренные величины передаются наземной станции управления с телеметрией и анализируются автоматически в режиме реального времени.

Таким образом, может быть рассчитана усредненная скорость ветра на заданной высоте с усреднением неравномерности движения БПЛА по траектории с учетом не только горизонтальной, но и вертикальной составляющей скорости.

В качестве БПЛА использован гексакоптер DJI Spreading Wings S900 с доработанным программным обеспечением.

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.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к метеорологии, и может найти применение для определения усредненных значений вертикальных и горизонтальных составляющих скорости ветра и его направления. Технический результат – расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют запуск беспилотного летательного аппарата (БПЛА) мультироторного типа в заранее выбранную точку с заданными географическими координатами и на нужную высоту. Переводят БПЛА в режим удержания горизонтального положения, нулевой плавучести, равномерного вращения вокруг вертикальной оси, и через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, следят за движением БПЛА с помощью системы спутниковой навигации, определяя по ее показаниям направление и скорость ветра в течение времени, кратного полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса.

Способ определения усредненных вертикальных и горизонтальных составляющих скорости ветра и его направления, по которому в интересующую область пространства запускают зонд, движущий под действием ветра и снабженный навигационными приборами, отличающийся тем, что в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, способный зависать и возвращаться в заданную точку пространства, который при достижении им нужной точки с заранее выбранными географическим координатами переводят в режим удержания горизонтального положения, равномерного вращения вокруг вертикальной оси и «нулевой плавучести», характеризующийся равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги БПЛА и его веса, затем через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту, долготу и высоту первой точки и текущее время, а через время, кратное полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают направление и скорость ветра.