一种用于探测临近空间大气环境的探空仪及方法

技术领域

本发明属于临近空间环境原位探测技术领域，具体地说，涉及一种用于临近空间大气环境的探空仪及探测方法。

背景技术

临近空间环境探空，主要包括对大气风场、温度、压强、密度等环境参数进行探测。现有的临近空间大气环境的探空仪主要有两种：气球探空仪和火箭探空仪。其中，气球探空仪由气球将探空仪从地面携带至高空，现有技术的探测高度一般不超过40km，气球探空仪在上升或平漂过程中，通过测量温度，并进一步积分计算获得大气密度、压强；以及通过测量运动速度获取风速等信息。火箭探空仪由火箭将探空仪从高空下抛，下落过程中降落伞开伞后，该火箭探空仪通过测量温度和运动速度，进一步积分获得大气密度、压强和风速等信息。

但是，上述两种探空仪，目前在高空环境探测中，特别是在温度、密度、压强的探测中有较大误差，而误差产生的根本原因是：温度探测器会显著受到太阳辐射和气动加热的影响，在40～60km的高度会产生较大的测量误差；并且，目前在较高高度上探空仪测量的大气密度、压强均是由所测的温度积分计算获得，由于积分运算，不可避免存在标定参考用的初始测量值不准的问题；这些都会导致最终大气环境参数测量误差较大，甚至不可信。

发明内容

为了解决现有探空仪在40～60km的高度测量的温度数据受到太阳辐射和气动加热的影响，造成测量误差，从而导致探测的大气环境参数误差较大的问题，本发明提出了一种用于探测临近空间大气环境的探空仪及方法。

为解决上述问题，本发明提供的用于探测临近空间大气环境的探空仪安装在高空气球或降落伞上，并相对于地面随所述高空气球向上飞行或随降落伞向下飞行；所述探空仪包括：高精度气压传感器、GNSS模块、通信数传模块和地面数据处理模块，共同完成临近空间大气环境探测其中，

所述高精度气压传感器，用于实时探测飞行过程中的外界大气环境气压，并将其作为临近空间大气气压；

所述GNSS模块，用于实时探测飞行过程中探空仪的位置信息和水平运动速度；并将所述水平运动速度作为所述临近空间大气风场；

所述通信数传模块，将临近空间大气气压、临近空间大气风场和探空仪的位置信息下传至所述地面数据处理模块；

所述地面数据处理模块，利用所述临近空间大气气压和对应的位置信息计算获得临近空间大气温度和临近空间大气密度。

作为上述装置的一种改进，所述高精度气压传感器与通信数传模块电性连接，用于将探测的外界大气环境气压发送至设置在地面数据处理模块；

所述GNSS模块与所述通信数传模块电性连接，用于将探测的所述位置信息和水平运动速度发送至地面数据处理模块。

作为上述装置的一种改进，所述地面数据处理模块，用于利用所述临近空间大气气压和对应的位置信息计算获得临近空间大气温度和临近空间大气密度的具体过程为：

根据气压传感器探测的外界大气环境气压P和对应的位置信息，微分计算在对应位置处的临近空间大气温度T；

其中，g为重力加速度；R为气体常数；z为海拔高度；

根据气压传感器探测的外界大气气压P微分计算获得临近空间大气密度ρ：

为实现本发明再一目的，本发明提供的用于探测临近空间大气环境的方法，基于上述的用于探测临近空间大气环境的探空仪实现，所述探空仪包括：高精度气压传感器、GNSS模块、通信数传模块和地面数据处理，共同完成临近空间大气环境探测；所述方法包括以下步骤：

步骤1)通过高空气球或降落伞将所述探空仪带至指定高度范围内；并使所述探空仪相对于地面随所述高空气球向上飞行或随降落伞向下飞行；

步骤2)通过所述气压传感器，实时探测飞行过程中的外界大气环境气压，并将其作为临近空间大气气压；通过所述GNSS模块，实时探测飞行过程中的位置信息和水平运动速度；并将所述水平运动速度作为所述临近空间大气风场；

步骤3)通过所述通信数传模块，将临近空间大气气压、临近空间大气风场和探空仪的位置信息气压传感器和GNSS模块数据下传至所述地面数据处理反演模块；

步骤4)通过所述地面数据处理模块，利用所述临近空间大气气压和对应的位置信息计算获得临近空间大气温度和临近空间大气密度。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

根据气压传感器探测的外界大气环境气压P和对应的位置信息，微分计算对应位置处的临近空间大气温度T；

其中，g为重力加速度；R为气体常数；z为海拔高度；

根据气压传感器探测的外界大气气压P，微分计算获得临近空间大气密度ρ

作为上述方法的一种改进，所述指定高度范围为距离地面40～60km。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

相较于传统的使用误差较大的温度探测，进一步再积分计算大气温度、密度、气压和风速的方法，本发明提供的用于探测临近空间大气环境的探空仪，能够解决现有的探空仪在高空临近空间大气环境探测中误差较大的问题，通过具有较高精度的气压传感器进行气压测量，气压测量值不受太阳辐射和气动加热的影响，再利用气压测量值微分计算大气温度和密度，利用GNSS所述直接探测大气风场；同时，由于微分计算不需要初值，可以规避积分计算的初值问题；该方法将显著提高40～60km的临近空间环境的大气温度、密度、气压和风场的探测精度。另外，本发明还可以简化现有探空仪的电子学和结构，以及并降低数据分析复杂度；具体地，探空仪包括GNSS模块、气压传感器模块、通信数传模块三部分，结合使用地面数据处理模块，就可以探测临近空间大气环境，不需要传统的温度测量单元，以及为解决温度测量误差引入的复杂结构及算法等等，地面数据处理模块仅需接收探空仪自由飞行过程中GNSS模块和气压传感器模块数据，即可简洁高效地获取临近空间高度大气环境气压、密度、温度和风场参量数据。

附图说明

图1是本发明的一种用于探测临近空间大气环境的探空仪的结构示意图；

图2是本发明的一种用于探测临近空间大气环境的方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。

本发明提供了一种用于临近空间大气环境的探空仪，解决现有的探空仪在高空临近空间大气环境探测中误差较大的问题，通过具有较高精度的气压传感器进行气压测量，进一步微分计算大气温度、密度和风速，而放弃传统的使用误差较大的温度探测，再积分计算大气温度、密度、气压和风速方法，将显著提高40～60km的临近空间环境的大气温度、密度、气压、风速的探测精度，并降低数据分析复杂度。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供的探空仪包括：高精度气压传感器、GNSS模块和通信数传模块。

气压传感器和GNSS模块均与通信数传装置电性连接，进行数据通信；通信数传模块与地面接收站进行数据通信；

所述气压传感器，用于实时监测和获取外部大气环境气压，并将其发送至通信数传模块；

所述GNSS模块，用于实时监测和获取探空仪的运动速度、位置等，并将其发送至通信数传模块；

所述通信数传模块，用于将接收的气压和探空仪的运动速度、位置等探测数据，下传至地面数据处理模块；

该探空仪可由高空气球或降落伞携带，在空中自由飞行。区别在于：高空气球从地面携带探空仪缓慢上升，其探测数据从地面开始，至高空信号丢失结束；降落伞在高空从火箭抛出后，携带探空仪从高空开始缓慢下降，其探测数据从开伞开始，至落地结束。

地面接收到气压传感器和GNSS模块探测数据后，可计算出临近空间大气环境的大气密度、温度，并结合所探测的风速和压强，共同组成大气环境探空数据。

其具体过程包括：

根据气压传感器探测的气压P，微分计算临近空间大气温度T和大气密度ρ；

其中，g为重力加速度；R为气体常数；z为海拔高度；

GNSS获取的水平运动速度可作为大气风场数据。

实施例2

一种用于探测临近空间大气环境的方法，基于实施例1的用于探测临近空间大气环境的探空仪实现，所述探空仪包括：气压传感器、GNSS模块、通信数传模块；另有地面数据处理模块与之配合，完成临近空间大气环境探测。所述方法包括以下步骤：

步骤1)通过高空气球或降落伞将所述探空仪带至指定高度范围内，所述指定高度范围为距离地面40～60km；并使所述探空仪相对于地面随所述高空气球向上飞行或随降落伞向下飞行；

步骤2)通过所述气压传感器，实时探测飞行过程中的外界大气环境气压，并将其作为临近空间大气气压；通过所述GNSS模块，实时探测飞行过程中的位置信息和水平运动速度；并将所述水平运动速度作为所述临近空间大气风场；

步骤3)通过所述数据处理模块，利用所述临近空间大气气压和对应的位置信息微分计算获得临近空间大气温度和临近空间大气密度，具体地，

所述步骤3)具体包括：

根据气压传感器探测的外界大气环境气压P和对应的位置信息，微分计算在对应位置处的临近空间大气温度T；

其中，g为重力加速度；R为气体常数；z为海拔高度；

根据气压传感器探测的外界大气气压P，微分计算获得临近空间大气密度ρ

本发明提供的用于探测临近空间大气环境的探空仪，能够解决现有的探空仪在高空临近空间大气环境探测中误差较大的问题，通过具有较高精度的气压传感器进行气压测量，气压测量值相较于传统方法使用的温度测量值来说，不受太阳辐射和气动加热的影响，再利用气压测量值微分计算大气温度和密度，利用GNSS所述直接探测大气风场，这将显著提高40～60km的临近空间环境的大气温度、密度、气压和风场的探测精度，同时，本发明还可以简化现有探空仪的电子学和结构，以及并降低数据分析复杂度；具体地，探空仪包括GNSS模块、气压传感器模块、通信数传模块三部分，结合使用地面数据处理模块，就可以探测临近空间大气环境，不需要传统的温度测量单元，以及为解决温度测量误差引入的复杂结构及算法，地面数据处理模块仅需接收探空仪自由飞行过程中GNSS模块和气压传感器模块数据，即可简洁高效地获取临近空间高度大气环境气压、密度、温度和风场参量数据。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。