Wie werden die wahre Windgeschwindigkeit und Windrichtung mit einem Ultraschallanemometer ermittelt?

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Wird ein Ultraschallanemometer auf einer beweglichen Plattform wie einer Drohne oder einem Fahrzeug montiert, ist der gemessene Windvektor durch die Eigenbewegung der Plattform beeinflusst. Um die tatsächliche Windgeschwindigkeit und -richtung zu ermitteln, benötigt das Ultraschallanemometersystem einen elektronischen Kompass, ein Gyroskop/einen Lagesensor sowie ein GPS- oder BeiDou-Positionierungsmodul. Die Messdaten müssen anschließend durch eine Reihe von Koordinatentransformationen und Vektorberechnungen korrigiert werden: Zunächst wird die Plattformgeschwindigkeit vom geografischen in das körperfeste Koordinatensystem transformiert; anschließend wird der tatsächliche Windvektor im körperfesten Koordinatensystem berechnet; das Ergebnis wird zurück in das geografische Koordinatensystem transformiert; schließlich werden die horizontale Windgeschwindigkeit und -richtung berechnet.

Abbildung 1. Referenzbild für die Konfiguration des mobilen Ultraschallanemometers. Quelle:

In den folgenden Abschnitten werden die Theorie und der Algorithmus zur Bestimmung der wahren Windgeschwindigkeit und der wahren Windrichtung mithilfe eines auf einer beweglichen Plattform installierten Ultraschallanemometers beschrieben. Dies umfasst Koordinatendefinitionen, Eingangsdaten, Korrekturschritte und Berechnungsformeln.

1. Definitionen des Koordinatensystems

1.1 Geographisches Koordinatensystem (NED)

Der Ursprung des Koordinatensystems liegt im Massenschwerpunkt der Plattform. Die X-Achse zeigt nach Norden (N), die Y-Achse nach Osten (O) und die Z-Achse nach unten (D), wobei die Richtung nach unten als positiv definiert ist. Dieses Koordinatensystem beschreibt die absolute Richtung des Windvektors und die Geschwindigkeit der Plattform.

1.2 Körperkoordinatensystem (FRD)

Der Ursprung befindet sich am Montagepunkt des Anemometers. Die X-Achse zeigt nach vorn (F, Richtung der Plattformspitze), die Y-Achse nach rechts (R) und die Z-Achse nach unten (D). Dieses Koordinatensystem entspricht dem Messkoordinatensystem des Ultraschallanemometers.

1.3 Lagewinkel

Die Lage der Plattform wird mithilfe von Euler-Winkeln dargestellt, wobei die Rotationssequenz als Gierwinkel (ψ), Nickwinkel (θ) und Rollwinkel (φ) definiert ist.

• Gierwinkel ψ: der Winkel im Uhrzeigersinn von geographischem Norden zur horizontalen Projektion der Längsachse der Plattform (Richtung Bug), der von 0° bis 360° reicht.

• Nickwinkel θ: der Winkel zwischen der Längsachse der Plattform und der Horizontalebene; nach oben gerichtet ist positiv.

• Rollwinkel φ: die Drehung der Plattform um ihre Längsachse; Rollwinkel nach rechts ist positiv.

2. Eingabedaten

2.1 Ultraschallanemometer-Geschwindigkeit im Körperrahmen (FRD)

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 Plattformgeschwindigkeit von GPS/BeiDou im geografischen Koordinatensystem (NED)

VGPS = (vN, vE, vD), wobei vD nach unten positiv ist.

2.3 Plattformverhalten

Gierwinkel ψ, Nickwinkel θ und Rollwinkel φ, angegeben vom Lagesensor in Radiant.

3. Algorithmus zur Berechnung der wahren Windgeschwindigkeit und Windrichtung

Schritt 1: Plattformgeschwindigkeit im Körperkoordinatensystem ausdrücken

Konstruieren Sie die Rotationsmatrix RN2B, die einen Vektor vom geographischen Koordinatensystem (NED) in das körpernahe Koordinatensystem (FRD) transformiert:

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

Referenzbild der Rotationsmatrix:

Schritt 2: Berechnung des wahren Windvektors im körpernahen Koordinatensystem

Referenzbild zur Berechnung des wahren Windvektors:

Schritt 3: Transformation des wahren Windvektors in das geografische Koordinatensystem (NED)

Referenzbild für die Transformation geografischer Koordinaten:

Schritt 4: Horizontale Windgeschwindigkeit und Windrichtung berechnen

Referenzbild zur Berechnung der horizontalen Windgeschwindigkeit und Windrichtung:

4. Wichtigste Überlegungen und Schlussfolgerung

• Lageregelung: Der Rotationsmatrix-Ansatz berücksichtigt die Auswirkungen der Plattformneigung und -rollbewegung auf Windgeschwindigkeit und Windrichtung, sodass kein separater Lageregelungsschritt erforderlich ist.

• Konsistenz des Koordinatensystems: Wenn GPS die Geschwindigkeit im Ost-Nord-Oben (ENU)-Koordinatensystem als (vE, vN, vU) ausgibt, wird sie wie folgt in NED umgerechnet: vN bleibt unverändert, vE bleibt unverändert und vD = −vU.

• Zeitsynchronisation: Die Messungen des Ultraschallanemometers, des GPS/BeiDou-Empfängers und des Lagesensors sollten zeitlich synchronisiert werden, um bewegungsbedingte Fehler zu minimieren.

• Elektronischer Kompass: Der Gierwinkel ψ sollte mit einem elektronischen Kompass ermittelt und um die magnetische Deklination korrigiert werden, sodass der Kurs auf den wahren Norden bezogen ist.

Durch Anwendung von Vektoroperationen und Koordinatentransformationen kann das System direkt den wahren Windvektor und die wahre Windrichtung ermitteln, die von einem Ultraschallanemometer auf einer beweglichen Plattform gemessen werden. Die Methode ist theoretisch fundiert und eignet sich zur Windmessung und Bewegungskompensation auf UAVs, Drohnen, Fahrzeugen und anderen mobilen Plattformen.

5. Anwendungsperspektive für die mobile meteorologische Sensorik von HONGYUV

Für mobile meteorologische Beobachtungen ist die Trennung der Plattformbewegung vom umgebenden Windfeld unerlässlich. Ein Ultraschallanemometer, integriert mit GPS/BeiDou-Positionierung und Lageregelung, kann ein kompaktes Windmesssystem für UAV-basierte Atmosphärenbeobachtungen, fahrzeugmontierte mobile Wetterstationen und andere dynamische Umweltüberwachungsplattformen bilden.

Das Produktportfolio von HONGYUV Technology umfasst Wettersensoren, mobile Wetterstationen, UAV-Sensoren, Verkehrssensoren, Industriemessgeräte und Zubehör. Das in diesem Artikel beschriebene Bewegungskompensationsprinzip ist insbesondere für UAV-Sensoren und mobile Wetterstationen relevant, da sich die Messplattform kontinuierlich bewegt und ihre Lage ändert.

Bei der praktischen Systemintegration hängt die endgültige Windmessleistung nicht nur vom Ultraschallsensor, sondern auch von der Sensorausrichtung, den Koordinatenkonventionen, der GPS/BeiDou-Genauigkeit, der Lagebestimmung, der Zeitsynchronisation, der Installationsgeometrie und dem Bewegungskompensationsalgorithmus ab. Diese Faktoren müssen bei der Entwicklung meteorologischer Sensorgeräte für OEM/ODM gemeinsam berücksichtigt werden.

6. Technische Schlüsselwörter

Ultraschallanemometer; wahre Windgeschwindigkeit; wahre Windrichtung; Bewegungskompensation; Windvektorkorrektur; NED-Koordinatensystem; FRD-Körperrahmen; Euler-Winkel; Gierwinkel; Nickwinkel; Rollwinkel; GPS; BeiDou; UAV-Windmessung; mobile Wetterstation; meteorologische Sensoren.