[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2616352C1 - Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction - Google Patents

Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction Download PDF

Info

Publication number
RU2616352C1
RU2616352C1 RU2016107560A RU2016107560A RU2616352C1 RU 2616352 C1 RU2616352 C1 RU 2616352C1 RU 2016107560 A RU2016107560 A RU 2016107560A RU 2016107560 A RU2016107560 A RU 2016107560A RU 2616352 C1 RU2616352 C1 RU 2616352C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uav
wind
speed
vertical axis
point
Prior art date
Application number
RU2016107560A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Анатольевич Кураков
Полина Сергеевна Куракова
Ольга Алексеевна Куракова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2016107560A priority Critical patent/RU2616352C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2616352C1 publication Critical patent/RU2616352C1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • G01W1/08Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: launch of the unmanned aerial multi-rotor type vehicle (UAV) is performed to the preselected point at the given geographical coordinates and at the desired height. The UAV is switched into the horizontal position holding mode, of the neutral buoyancy, the uniform rotation around the vertical axis, and in some time required for equalizing the UAV speed relative to the wind, the UAV movement is observed via the satellite navigation system defining the wind direction and speed by its indications for a time multiple of the complete vehicle turnover around the vertical axis, wherein the complete turnover and the UAV direction are determined by the electronic magnetic compass.
EFFECT: expanding the functional capabilities.

Description

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.The method for determining the averaged values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction relates to meteorology and is intended to measure wind parameters at a given point.

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.)Known methods and devices for determining the speed and direction of the wind by using balloons or radiosondes. (RF patent No. 2101736, IPC G01W 1/02, 10/01/1998, utility model patents No. 103195, IPC G01W 1/08, 12/01/2010, No. 92204, IPC G01W 1/02, 03/10/2010.)

Недостатком таких технических решений является сложность в обеспечении неподвижности зонда относительно окружающей среды, что снижает точность определения искомых величин.The disadvantage of such technical solutions is the difficulty in ensuring the immobility of the probe relative to the environment, which reduces the accuracy of determining the desired values.

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.)The closest is the method described in the device for determining the speed and direction of the wind at a given height, which is selected as a prototype. The method consists in launching the probe into the desired region of space at a given height using special means, ensuring the probe moves in the horizontal direction in the wind and recording the speed and direction of the wind using special means. The probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass. (RF patent 98256, IPC G01W 1/00, 04/27/2010.)

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.The disadvantage of the prototype is the inability to determine the vertical component of the wind speed and the difficulty of bringing the probe in the horizontal direction in the wind and ensuring its immobility relative to the environment.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности следования зонда за движением окружающей среды, обеспечивая его неподвижность относительно окружающей среды.The objective of the invention is the expansion of functionality, improving the accuracy of the probe following the movement of the environment, ensuring its immobility relative to the environment.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно измерения усредненных значений горизонтальной и вертикальной составляющих скорости ветра и его направления в заданной точке.The technical result is the expansion of functionality, namely measuring the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction at a given point.

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.The technical result is achieved by the fact that, as in the known method for determining the averaged values of wind speed and direction, a probe is launched into a region of space of interest to a predetermined height, the probe moves in the wind, and its trajectory is monitored by the wind, directing information to the radio receiving system, the probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass.

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.In contrast to the known method, an unmanned aerial vehicle (UAV) of a multi-rotor type, capable of hovering in air, is used as a probe; upon reaching the required height and geographical coordinates, the UAVs are transferred to the horizontal position and zero buoyancy mode, which is characterized by equality in absolute value and opposite in the direction of the thrust vector and the weight of the UAV, then start the uniform rotation around the vertical axis, after the time that is necessary to equalize the speed of the PSU And relative to the wind and which is determined empirically, by the disappearance of acceleration, the readings of the on-board navigation devices are recorded at time intervals that are multiples of the complete revolution of the device around the vertical axis, while the complete revolution and direction of the UAV is determined using an electronic magnetic compass, the recorded data is transmitted to a ground control station to calculate the averaged values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction.

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.The UAV movement in the mode described above corresponds to the average wind movement in a given area of space. The multiplicity of revolutions around the axis of the UAV eliminates deviations in its design from absolute symmetry. To determine the direction and magnitude of the three-dimensional vector of the average wind speed, it is necessary to consider such indications of navigation devices as latitude, longitude and altitude.

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.To perform work on determining the average values of the horizontal and vertical components of the wind speed and its direction, it is proposed to use multi-rotor UAVs with an electric power plant, which are equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic compass and an altimeter. The set of the remote monitoring complex should include: an aircraft located in a protective case weighing no more than 20 kg, convenient for carrying in the field; ground control station (NSU) with a laptop of special design (shockproof, dust and moisture protection); charging station (charger) with a set of batteries for the UAV; a set of spare parts and auxiliary equipment for minor repairs in the field; flight operation manual, passports and UAV forms.

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.It is recommended to include in the additional equipment of the remote monitoring complex: a small-sized gas-fired power station with a capacity of at least 1 kW or an additional car battery with a capacity of at least 55 A / hour and weighing no more than 20 kg (for working in the field in the absence of a car, or the inability to drive the car to a place start); removable storage medium; satellite navigator (GLONASS / GPS); 2-3 sets of “beacon” with individual power supply and a duration of at least 6 hours, if the design and software of the UAV allows their use; 2-3 removable flash memory cards with a capacity of at least 16 GB for recording video (photo) information onboard the UAV, if the design and software of the UAV allows their use; antenna extension cable 15-20 m long with a signal amplifier to increase the height of the antenna in the field, if the design and software of the NSU allows their use.

Способ осуществлялся следующим образом.The method was carried out as follows.

1. В точку измерения запустили БПЛА, способный зависать в воздухе, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп и магнитный компас.1. An UAV capable of hovering in the air with a satellite navigation system, a gyroscope and a magnetic compass was launched at the measurement point.

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.2. The UAV was transferred to the horizontal holding and zero buoyancy modes, after which the UAV was given uniform rotation around the vertical axis. After the time required to equalize the speed of the UAV relative to the wind (the time was determined empirically by the disappearance of acceleration), we began to fix the readings of the on-board navigation devices at time intervals that are multiples of the complete revolution of the device around the vertical axis. The full rotation and direction of the UAV was determined using an electronic magnetic compass. The recorded readings contain data on both the horizontal (latitude-longitude) and vertical (height) position of the UAV.

3. Принимая зафиксированные показания навигационных приборов соответствующими характеристикам ветра в рассматриваемой области, определили направление и величину трехмерного вектора средней скорости ветра.3. Taking the recorded readings of navigation instruments corresponding to the wind characteristics in the considered area, we determined the direction and magnitude of the three-dimensional vector of the average wind speed.

4. Исходные данные передавали на наземную станцию управления по штатному радиоканалу (телеметрия).4. The source data was transmitted to the ground control station via a standard radio channel (telemetry).

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.You can return the UAV to the starting point and repeat steps 1 ... 3, or move the UAV to a new measurement point, or make the UAV land to replace the batteries.

Данный алгоритм может выполняться автоматически, по программе.This algorithm can be performed automatically, according to the program.

Измеренные величины передаются наземной станции управления с телеметрией и анализируются автоматически в режиме реального времени.The measured values are transmitted to the ground control station with telemetry and analyzed automatically in real time.

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.Thus, the averaged wind speed at a given height can be calculated by averaging the uneven movement of the UAV along the trajectory, taking into account not only the horizontal but also the vertical component of the speed.

В качестве БПЛА использован гексакоптер DJI Spreading Wings S900 с доработанным программным обеспечением.As a UAV, a DJI Spreading Wings S900 hexacopter with modified software was used.

Возможен вариант, в котором измеряемые величины записываются на сменный носитель, устанавливаемый на БПЛА. Расчеты ведутся после посадки БПЛА.A variant is possible in which the measured values are recorded on removable media mounted on the UAV. Calculations are carried out after landing UAV.

Дополнительные достоинства: независимость от состояния облачности, тумана; произвольный выбор точки измерения; управляемый возврат зонда в точку старта по завершении измерений.Additional advantages: independence from cloudiness, fog; arbitrary choice of measuring point; controlled return of the probe to the starting point upon completion of measurements.

Claims (1)

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.A method for determining the averaged vertical and horizontal components of the wind speed and its direction, in which a probe is launched into a region of space, moving under the influence of wind and equipped with navigation devices, characterized in that a multi-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) is used as a probe, capable of freezing and return to a given point in space, which, when it reaches the desired point with pre-selected geographic coordinates, is transferred to the mountain retention mode zonal position, uniform rotation around the vertical axis and “zero buoyancy”, characterized by equal modulus and opposite in direction of the UAV thrust vector and its weight, then after the time required to equalize the speed of the UAV relative to the wind, the latitude, longitude are measured using the satellite navigation system and the height of the first point and the current time, and after a time multiple of the total revolution of the device around the vertical axis, the latitude, longitude, height of the second point and the current time are measured, with a full revolution and the direction of the UAV is determined using an electronic magnetic compass, after which, solving the inverse geodesic problem, calculate the direction and speed of the wind.
RU2016107560A 2016-03-01 2016-03-01 Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction RU2616352C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107560A RU2616352C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107560A RU2616352C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2616352C1 true RU2616352C1 (en) 2017-04-14

Family

ID=58643023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016107560A RU2616352C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2616352C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692736C1 (en) * 2018-03-12 2019-06-26 Николай Михайлович Ситников Method of determining vertical distributions of wind speed and direction
RU2695698C1 (en) * 2018-09-17 2019-07-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Method for determining averaged wind speed vector using an unmanned aerial vehicle
RU2727315C1 (en) * 2019-12-13 2020-07-21 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
RU2796383C1 (en) * 2022-07-25 2023-05-22 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method for determining hight of roughness of the surface of a reservoir

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2272343A (en) * 1992-11-10 1994-05-11 Gec Ferranti Defence Syst Automatic aircraft landing system calibration
RU2101736C1 (en) * 1992-04-03 1998-01-10 Владимир Никитович Счисленок Device determining direction and velocity of wind
EP2154665A2 (en) * 2008-08-14 2010-02-17 Honeywell International Inc. Automated landing area detection for aircraft
RU98256U1 (en) * 2010-04-27 2010-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие (ФГУП) "Гидрометпоставка" DEVICE FOR DETERMINING SPEED AND DIRECTION OF WIND AT A PRESET HEIGHT
RU2465606C1 (en) * 2011-06-30 2012-10-27 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Государственный Технический Университет Имени Н.Э. Баумана" Adaptive method for rapid remote measurement of wind speed and direction

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2101736C1 (en) * 1992-04-03 1998-01-10 Владимир Никитович Счисленок Device determining direction and velocity of wind
GB2272343A (en) * 1992-11-10 1994-05-11 Gec Ferranti Defence Syst Automatic aircraft landing system calibration
EP2154665A2 (en) * 2008-08-14 2010-02-17 Honeywell International Inc. Automated landing area detection for aircraft
RU98256U1 (en) * 2010-04-27 2010-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие (ФГУП) "Гидрометпоставка" DEVICE FOR DETERMINING SPEED AND DIRECTION OF WIND AT A PRESET HEIGHT
RU2465606C1 (en) * 2011-06-30 2012-10-27 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Государственный Технический Университет Имени Н.Э. Баумана" Adaptive method for rapid remote measurement of wind speed and direction

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692736C1 (en) * 2018-03-12 2019-06-26 Николай Михайлович Ситников Method of determining vertical distributions of wind speed and direction
RU2695698C1 (en) * 2018-09-17 2019-07-25 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Method for determining averaged wind speed vector using an unmanned aerial vehicle
RU2727315C1 (en) * 2019-12-13 2020-07-21 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
RU2796383C1 (en) * 2022-07-25 2023-05-22 Федеральное государственное казённое учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Method for determining hight of roughness of the surface of a reservoir

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103557871B (en) A kind of lighter-than-air flight aerial Initial Alignment Method of device inertial navigation
US10852364B2 (en) Interference mitigation in magnetometers
JP6161638B2 (en) Wind calculation system using steady bank angle turning
CN104729497A (en) Ultra-small dual-duct unmanned plane combined navigation system and dual-mode navigation method
CN103487822A (en) BD/DNS/IMU autonomous integrated navigation system and method thereof
RU2616352C1 (en) Method for determining averaged values of horizontal and vertical wind speed components and its direction
JP6347469B2 (en) Weather observation system
Serke et al. Supercooled liquid water content profiling case studies with a new vibrating wire sonde compared to a ground-based microwave radiometer
US9266598B1 (en) Reactionary mass balloon envelope for a balloon and other balloon components
US20130158749A1 (en) Methods, systems, and apparatuses for measuring fluid velocity
Reuder et al. Exploring the potential of the RPA system SUMO for multipurpose boundary-layer missions during the BLLAST campaign
RU2600519C1 (en) Method for determination of averaged values of wind speed and direction
RU2650094C2 (en) Method of the wind speed and its directions horizontal and vertical components averaged values determination
RU2617020C1 (en) Method for determining averaged wind speed vector
Symington et al. Simulating quadrotor UAVs in outdoor scenarios
WO2014207492A1 (en) Measurement data collection method and system for spatially detecting atmosphere properties
CN105954820A (en) Dropsonde and detection method
RU2695698C1 (en) Method for determining averaged wind speed vector using an unmanned aerial vehicle
RU2727315C1 (en) Method of determining averaged values of meteorological parameters in the boundary layer of the atmosphere
CN104567868A (en) Method of airborne long-endurance astronomical navigation system based on INS correction
Moyano Cano Quadrotor UAV for wind profile characterization
Velaskar et al. Guided Navigation Control of an Unmanned Ground Vehicle using Global Positioning Systems and Inertial Navigation Systems.
RU2632270C1 (en) Method of average wind velocity determination by dint of unmanned aerial vehicle
Bramati et al. A versatile calibration method for rotary-wing UAS as wind measurement systems
Bramati et al. A stand-alone calibration approach for attitude-based multi-copter wind measurement systems