СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСРЕДНЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ СКОРОСТИ ВЕТРА И ЕГО НАПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01P5/00 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 и возвращаться в заданную точку пространства. По достижении 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, через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, которое определяют эмпирически, по исчезновению ускорения, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту, долготу и высоту первой точки и текущее время, а через определенное методикой время измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.

Движение БПЛА в описанном выше режиме соответствует усредненному движению ветра в данной области пространства. 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 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 допускает их применение; антенный кабель-удлинитель длиной 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 мультироторного типа, способный зависать в воздухе и возвращаться в заданную точку пространства, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп и магнитный компас.

2. При достижении БПЛА нужной точки с заранее выбранными географическим координатами перевели БПЛА в режимы горизонтального положения удержания и «нулевой плавучести», который характеризуется равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги и веса БПЛА. Через время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра (момент времени определили эмпирически, по исчезновению ускорения), начали фиксацию показаний бортовых навигационных приборов. 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 метеорологии и может быть использовано для определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления. Сущность: в интересующую область пространства запускают беспилотный летательный аппарат (БПЛА) мультироторного типа, выполненный способным зависать и возвращаться в заданную точку пространства. При достижении БПЛА заданной точки пространства его переводят в режим удержания горизонтального положения и “нулевой плавучести”, характеризующийся равенством по модулю и противоположностью по направлению вектора тяги БПЛА и его веса. Спустя время, необходимое для уравнивания скорости БПЛА относительно ветра, определяемое эмпирически по исчезновению ускорения, с помощью системы спутниковой навигации измеряют широту, долготу и высоту первой точки, а также текущее время. После этого измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время. Решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления. Технический результат: расширение функциональных возможностей.

Способ определения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления, по которому в интересующую область пространства запускают зонд, движущийся 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, при достижении БПЛА нужной точки с заранее выбранными географическим координатами его переводят в режим удержания горизонтального положения 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, которое определяют эмпирически по исчезновению ускорения, измеряют с помощью системы спутниковой навигации широту, долготу и высоту первой точки и текущее время, а затем измеряют широту, долготу, высоту второй точки и текущее время, после чего, решая обратную геодезическую задачу, рассчитывают усредненные значения горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления.