基于无人机的垂直风切变测量验证方法、系统及程序产品与流程

本申请涉及风能资源评估，尤其涉及基于无人机的垂直风切变测量验证方法、系统及程序产品。

背景技术：

1、风能资源的精确测量是风电场规划、设计和运维的基础。垂直风廓线（风速随高度的变化）和垂直风切变指数是风资源评估、风电机组轮毂高度确定、载荷计算的关键参数。

2、目前，垂直风切变的测量主要依靠测风塔、激光雷达和无人机等设备。现有的测量手段存在以下局限性：

3、一方面，传统单点或单台测量设备难以同时获取多个不同高度层的同步风场数据，导致所获取的垂直剖面数据缺乏严格的时间一致性；另一方面，在使用无人机等动态平台进行空中悬停测风时，无人机在气流中难以保持绝对静止，自身的运动状态不可避免地会干扰测风传感器。这种情况下采集到的仅为混合了无人机自身运动的表观风场数据，若直接将其用于计算垂直风切变，会导致测算结果存在明显误差，进而严重影响后续相关数据或模型的测量验证精度。

技术实现思路

1、本申请提供基于无人机的垂直风切变测量验证方法、系统及程序产品，能够同步获取多高度层测风数据，并能有效消除无人机自身运动干扰。

2、本申请提供一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，包括：控制多架搭载测风传感器和运动状态获取模块的无人机，在时间同步状态下，分别于各自的目标高度层保持悬停状态；获取各无人机在各自目标高度层采集的表观风场数据，以及对应的无人机运动状态数据；基于运动状态数据，对表观风场数据进行运动补偿修正，得到各目标高度层的真实风场数据；根据多个目标高度层的真实风场数据，计算得到垂直风切变参数；基于垂直风切变参数进行测量验证。

3、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，表观风场数据包括相对风速和相对风向，运动状态数据包括无人机的三维地速和姿态角；真实风场数据包括真实风速矢量和真实风向方位角；基于运动状态数据，对表观风场数据进行运动补偿修正，得到各目标高度层的真实风场数据，包括：将相对风速在水平面内进行矢量分解，并在剔除三维地速对应的水平分量后，合成水平面内的真实风速矢量；利用姿态角中的偏航角，对相对风向进行偏转角补偿，得到真实风向方位角。

4、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，根据多个目标高度层的真实风场数据，计算得到垂直风切变参数，包括：提取不同目标高度层对应的真实风速，采用拟合算法建立幂律风廓线模型，并对幂律风廓线模型的非线性表达式两边取对数，得到线性关系式；利用最小二乘法，基于多个高度层的真实风速确定线性关系式的系数，以得到垂直风切变参数。

5、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，基于垂直风切变参数进行测量验证，包括：获取待验证的外部模型风场数据；将外部模型风场数据与对应时间和空间位置的无人机真实风场数据进行时空匹配；基于垂直风切变参数，将匹配后的真实风场数据与外部模型风场数据外推对齐至同一比对高度，并计算两者之间的误差统计指标，以完成模型验证。

6、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，获取待验证的外部模型风场数据，包括：获取气象再分析资料或卫星遥感风场数据；当外部模型风场数据为网格化数据时，采用空间插值法，利用无人机实测点位周围的多个格点数据，将外部模型风场数据插值、换算至无人机的三维空间坐标点位。

7、本申请还提供一种基于无人机的垂直风切变测量验证系统，使用上述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，基于无人机的垂直风切变测量验证系统包括：多机编队观测子系统，包含多架无人机，用于在时间同步状态下分别飞行至不同的目标高度层进行同步测量；无人机搭载测风传感器和运动状态获取模块，用于采集表观风场数据及运动状态数据；数据处理设备，与多机编队观测子系统通信连接，用于获取各无人机采集的表观风场数据及运动状态数据，基于运动状态数据对表观风场数据进行运动补偿修正，得到各目标高度层的真实风场数据，并根据多个目标高度层的真实风场数据计算得到垂直风切变参数。

8、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证系统，运动状态获取模块包括差分定位模块和惯性测量单元，分别用于实时获取无人机的三维空间坐标、地速，以及测量无人机的俯仰角、滚转角和偏航角。

9、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证系统，测风传感器通过支撑结构安装于无人机的机身顶部并延伸至旋翼平面之外；测风传感器与旋翼边缘保持预设的水平安全距离，以降低旋翼气流对测风传感器的气动干扰，且测风传感器的基准指北方向与无人机的机头方向保持一致。

10、根据本申请提供的一种基于无人机的垂直风切变测量验证系统，还包括地面控制站；地面控制站用于向多架无人机下发飞行航线指令及广播同步时钟信号，并根据外部输入参数自适应设定目标高度层的高度值以及数据采集周期。

11、本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现如上述任一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法。

12、本申请提供的基于无人机的垂直风切变测量验证方法、系统及程序产品，基于无人机的垂直风切变测量验证方法包括：控制多架搭载测风传感器和运动状态获取模块的无人机，在时间同步状态下，分别于各自的目标高度层保持悬停状态；获取各无人机在各自目标高度层采集的表观风场数据，以及对应的无人机运动状态数据；基于运动状态数据，对表观风场数据进行运动补偿修正，得到各目标高度层的真实风场数据；根据多个目标高度层的真实风场数据，计算得到垂直风切变参数；基于垂直风切变参数进行测量验证。通过上述方式，本申请实现了多个高度层风场数据的同步获取，通过运动补偿有效消除了无人机自身运动对测风结果的干扰，提高了垂直风切变参数计算与测量验证的准确性。

1.一种基于无人机的垂直风切变测量验证方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，其特征在于，所述表观风场数据包括相对风速和相对风向，所述运动状态数据包括无人机的三维地速和姿态角；所述真实风场数据包括真实风速矢量和真实风向方位角；

3.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，其特征在于，所述根据多个所述目标高度层的真实风场数据，计算得到垂直风切变参数，包括：

4.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，其特征在于，所述基于所述垂直风切变参数进行测量验证，包括：

5.根据权利要求4所述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，其特征在于，所述获取待验证的外部模型风场数据，包括：

6.一种基于无人机的垂直风切变测量验证系统，其特征在于，使用如权利要求1至5任一项所述的基于无人机的垂直风切变测量验证方法，所述基于无人机的垂直风切变测量验证系统包括：

7.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证系统，其特征在于，所述运动状态获取模块包括差分定位模块和惯性测量单元，分别用于实时获取无人机的三维空间坐标、地速，以及测量无人机的俯仰角、滚转角和偏航角。

8.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证系统，其特征在于，所述测风传感器通过支撑结构安装于所述无人机的机身顶部并延伸至旋翼平面之外；

9.根据权利要求1所述的基于无人机的垂直风切变测量验证系统，其特征在于，还包括地面控制站；

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述基于无人机的垂直风切变测量验证方法。