[发明专利]基于多经纬仪的三维风场反演方法、装置、设备和介质

权利要求书

1.一种基于多经纬仪的三维风场反演方法，其特征在于，包括步骤：

获取多经纬仪观测网络在设定间隔时间点上对氢气球进行协同观测时，各经纬仪得到的所述氢气球的观测数据；所述多经纬仪观测网络包括至少两台经纬仪，所述观测数据包括高度角和方位角；

利用扩展卡尔曼滤波方法对各所述经纬仪的所述观测数据进行迭代计算处理，解算出所述氢气球的三维坐标及速度信息；

利用氢气球运动方程对所述氢气球的运动轨迹进行处理，解算出背景风场三维风速；所述氢气球的运动轨迹通过所述氢气球的三维坐标及速度信息表示；

利用氢气球运动方程对所述氢气球的运动轨迹进行处理，解算出背景风场三维风速的步骤，包括：

根据预先获得的所述氢气球及探测区域的参数信息，计算所述氢气球在平衡状态下的上升速度；

根据所述氢气球的速度信息，计算得到所述氢气球的加速度；

将所述上升速度、所述速度信息和所述加速度，代入所述氢气球运动方程计算得到所述背景风场三维风速；

所述氢气球运动方程为：

式中，

其中，表示所述氢气球的加速度，表示所述背景风场三维风速，表示所述氢气球的速度，表示氢气球体积，表示空气密度、表示氢气球自身、附属物和氢气的质量，表示重力加速度、表示所述上升速度；

所述氢气球在平衡状态下的上升速度，通过下式计算得到：

其中，表示所述上升速度，表示所述氢气球的曳力系数，表示氢气球直径，表示空气密度、表示氢气球自身、附属物及氢气的质量，表示重力加速度。

2.根据权利要求1所述的基于多经纬仪的三维风场反演方法，其特征在于，利用扩展卡尔曼滤波方法对各所述经纬仪的所述观测数据进行迭代计算处理，解算出所述氢气球的三维坐标及速度信息的步骤，包括：

将所述氢气球的状态变量初值和各所述经纬仪的所述观测数据，逐次代入扩展卡尔曼滤波方程进行迭代计算，得到所述氢气球的三维坐标及速度信息；

所述扩展卡尔曼滤波方程包括：

状态预测方程：

估计误差协方差方程：

卡尔曼增益：

测量更新方程：

协方差更新方程：

其中，表示第次观测的状态向量，表示所述氢气球的位置，表示所述氢气球的速度，表示第次观测的观测向量，分别表示第个所述经纬仪第次观测时所述氢气球的方位角和高度角；表示状态更新矩阵，表示控制矩阵，表示包含所述氢气球的加速度信息的控制向量，表示估计协方差矩阵，和分别表示状态转移误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵，表示卡尔曼增益，表示量测矩阵，表示在处的雅克比矩阵，表示单位矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于多经纬仪的三维风场反演方法，其特征在于，还包括步骤：

建立所述多经纬仪观测网络；各所述经纬仪之间的距离为60m-100m范围内的任意值，各所述经纬仪的连线之间的夹角为60°-90°范围内的任意值；

以其中一个所述经纬仪的位置为坐标原点建立笛卡尔坐标系；

根据三角形正弦公式获得各所述经纬仪的相对距离并转换为所述笛卡尔坐标系下的坐标值。

4.根据权利要求3所述的基于多经纬仪的三维风场反演方法，其特征在于，所述多经纬仪观测网络由3个所述经纬仪组成。