本公开总体上涉及用于获取气象数据的方法和无人航空系统。
背景技术：
1、风力是未来100％可再生能源混合的重要部分。2018年，全球风电安装容量为565gw(542gw陆上风和23gw海上风)。可以预见，到2050年，该数量将增长970％至6044gw(陆上风5044gw和海上风1000gw)，足以覆盖全球发电混合的35％。到2050年，根据2019年10月国际可再生能源局(international renewable energy agency)的“future of wind,deployment,investment,technology,grid integration and socio-economic aspects(风、部署、投资、技术、电网集成和社会经济方面的未来)”，风力的加速部署可以有助于避免每年高达6.3千兆co2的排放。如上所述，风力是今天和未来全球可持续供电和经济的组成部分。
2、为了构建新风电场，选择预期风电场地点。为了充分评估预期风电场的风能潜力，现场天气监测设备(尤其是风性质监测设备)必须使用至少一年。
3、目前，气象桅杆(简称为测风桅杆)被用于在预期风电场地点进行现场天气监测。测风桅杆是当前的工业标准。参照图1，测风桅杆110包括位于自支承或斜拉钢网格塔上的不同高度的若干传感器和风速计120。测风桅杆110在图1中在陆上，即在地面160上。测风桅杆110也可以位于/安装在海上，即在水中150。测风桅杆110结构的高度通常在30米到160米之间，并且在若干部分中建造和运输。整个结构的重量可以高达50公吨(metric ton)，而在海上环境中，其通常可以达到超过100吨钢。海上测风桅杆通常由混凝土基础结构支承，取决于水深，混凝土基础结构的重量可高达2000吨。测风桅杆的巨大重量使得难以运输和安装。
4、除了巨大的重量之外，测风桅杆相当昂贵。测风桅杆通常安装成彼此相距几公里的距离。100米陆上测风桅杆花费大约73,000欧元到118,000欧元来购买和安装，并且还需要额外的许可费用。海上测风桅杆平均花费大约一千万至一千二百万欧元来获取和安装。测风桅杆的维护也是昂贵的。
5、除了测风桅杆之外，还可以在预期风电场上使用远程感测(remote sensing，rs)设备。参考图1，rs设备借助于光检测和测距(light detection and ranging，lidar)130或声音/声检测和测距(sound/sonic detection and ranging，sodar)140收集/记录大区域中的风特性。lidar 130是基于激光技术工作并且测量来自大气的反向散射光以确定大气条件的设备。sodar 140是通过大气湍流测量声波或声信号的散射来工作的风剖析技术。rs设备可以安装在陆上和海上。
6、即使rs设备比安装和维护测风桅杆便宜得多，它们也不能用于测量风的一些关键参数，诸如湿度、压力和温度。此外，rs设备的测量不确定性通常被认为低于测风桅杆。因此，rs设备很少用作独立风测量解决方案。换句话说，仅使用rs设备不能一定确保用于预期风电场的可获利(bankable)数据集。因此，rs设备最经常与测风桅杆组合使用以减少数据不确定性。
7、rs设备与测风桅杆组合使用可以在某种程度上降低整个风/天气监测系统的成本，因为开发者可以在预期项目地点安装更少的测风桅杆。
8、此外，由于测风桅杆是大型且笨重的结构，因此需要专用设备和很多人力来安装、维护和最终拆卸它们。在海上环境中，这将是大得多的问题，因为需要大型船舶和起重机来安装/拆卸每个测风桅杆。海上测风桅杆需要重支承结构，而陆上测风桅杆需要基础结构和整地(land preparation)。此外，每个桅杆需要在安装之前根据环境限制来设计和制造，这使得整个过程更复杂、昂贵且耗时。
9、由于对于每个预期风电场仅存在几个测风桅杆，因此通过使用数学模型和外推来估计某些中间风特性，这增加了记录数据集的不确定性。rs设备的互补使用可以部分地减少该问题。然而，这些设备只能部分帮助，因为它们不能记录一些参数，诸如温度、大气压力和湿度。
10、此外，在测风桅杆中使用的风速计经历偶尔的超速和冻结，这将降低数据收集的准确性和可靠性。rs设备在雨和雾期间也容易被埋在雪中并且经受数据不准确性，这进一步妨碍了它们收集可靠数据的能力。
11、此外，通常需要将测风桅杆安装在基础结构上。混凝土、锤击单桩或甚至基础结构的夹套结构对于海上位置都具有相当大的环境影响。除了在这种基础结构中使用大量钢和混凝土的生命周期碳足迹以及测风桅杆结构本身之外，安装对环境造成损坏。
12、因此，需要一种自主、经济、灵活、准确的气象数据获取系统，其易于安装维护，对环境的负面影响较小。这种气象数据包括风性质数据和其它天气相关数据。
13、除了预期风电场之外，还有其它地点或场合也需要这种自主气象数据获取系统，例如，对空气过敏原或其它大气气溶胶/颗粒的实时监测、对污染和温室气体浓度的测量、对海洋、海和海水的监测、生物多样性和基于生物的经济观测等。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决上述问题和议题中的至少一些。本发明的实施方式的目的在于提供一种经济、灵活、准确、环保的气象数据获取方法和系统。本发明的实施方式的目的是获取准确和完整的气象数据。可以通过使用所附独立权利要求中定义的方法和系统来实现这些目的和其它目的。
2、根据一个方面，提供了一种用于由无人航空系统uas获取气象数据的方法。uas包括至少一个无人机uav(unmanned aerial vehicle)、控制中心和无线通信接口。至少一个uav配备有气象数据传感器和飞行控制器fc。至少一个uav被配置用于在飞行期间经由无线通信接口与控制中心进行无线通信。该方法包括：从控制中心向至少一个uav发送飞行指令数据，指示至少一个uav执行飞行。该方法还包括：在飞行期间，由至少一个uav根据飞行指令数据执行飞行，以及由至少一个uav在飞行期间收集原始气象数据和飞行数据，其中，原始气象数据由气象数据传感器收集，飞行数据由fc收集，其中，飞行数据由fc中包括的位置传感器、运动传感器、环境传感器和/或其组合中的任一者收集。该方法还包括在飞行期间经由uas的无线通信接口将所收集的原始气象数据和飞行数据从至少一个uav实时传输到控制中心。该方法还包括：在控制中心中基于在传输步骤中接收的原始气象数据和飞行数据计算气象数据。该方法还包括：从控制中心向至少一个uav发送指示至少一个uav返回到uas的返回指令数据。该方法还包括：根据返回指令数据将至少一个uav返回到uas。
3、根据另一方面，一种用于获取气象数据的无人航空系统uas。所述uas包括至少一个无人机uav、控制中心和无线通信接口。至少一个uav配备有至少一个气象数据传感器和飞行控制器fc。至少一个uav被布置用于在飞行期间经由无线通信接口与控制中心进行无线通信。所述至少一个uav的控制中心和fc包括指令，所述指令在被执行时使所述系统：从控制中心向至少一个uav发送飞行指令数据，指示至少一个uav执行飞行。还使得所述系统由至少一个uav根据所述飞行指令数据执行飞行并由至少一个uav在飞行期间收集原始气象数据和飞行数据，其中，原始气象数据由气象数据传感器收集，并且飞行数据由fc收集，其中，飞行数据由fc中包括的位置传感器、运动传感器、环境传感器和/或其组合中的任一者收集。还使得系统在飞行期间经由uas的无线通信接口将收集的原始气象数据和飞行数据从至少一个uav实时传输到控制中心。进一步使系统基于接收到的原始气象数据和飞行数据在控制中心中计算气象数据。还使得系统从控制中心向至少一个uav发送返回指令数据，指示至少一个uav返回到uas。还使得系统根据返回指令数据将至少一个uav返回到uas。
4、从下面的详细描述中，该解决方案的其它可能的特征和益处将变得显而易见。
1.一种由无人航空系统uas(350，450)获取气象数据的方法，所述uas(350，450)包括至少一个无人机uav(301，401)、控制中心(302，402)和无线通信接口(307，407)，所述至少一个uav(301，401)配备有气象数据传感器(320)和飞行控制器(321)fc，所述至少一个uav(301，401)被配置用于在飞行期间经由所述无线通信接口(307，407)与所述控制中心(302，402)进行无线通信，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算(210)气象数据的步骤包括计算风速，并且所述方法还包括：
3.根据权利要求1所述的方法，向所述至少一个uav(301，401)发送(202)的所述飞行指令数据包括所述至少一个uav(301，401)中的每个uav的飞行路径，其中，所述方法还包括：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述uas(350，450)还包括栓系式气象数据传感器(308，408)，所述栓系式气象数据传感器被布置成收集不同高度处的原始气象数据，并且其中，所述方法还包括将由所述栓系式气象数据传感器(308，408)收集的原始气象数据传输至所述控制中心(302，402)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述uas(350，450)还包括固定气象数据传感器(315，415)，所述固定气象数据传感器被布置成收集所述uas(350，450)处的原始气象数据，并且其中，所述方法还包括：将由所述固定气象数据传感器(315，415)收集的所述原始气象数据发送至所述控制中心(302，402)。
6.一种无人航空系统uas(350，450)，所述uas用于获取气象数据，所述uas(350，450)包括至少一个无人机uav(301，401)、控制中心(302，402)和无线通信接口(307，407)，所述至少一个uav(301，401)配备有至少一个气象数据传感器(320)和飞行控制器fc(321)，所述至少一个uav(301，401)被布置用于在飞行期间经由所述无线通信接口(307，407)与所述控制中心(302，402)进行无线通信，所述至少一个uav(301，401)的所述控制中心(302，402)和所述fc(321)包括指令，所述指令在被执行时使所述系统：
7.根据权利要求6所述的uas(350，450)，其中，计算气象数据包括计算风速，并且进一步使所述控制中心(302，402)：
8.根据权利要求6所述的uas(350，450)，其中，发送到所述至少一个uav(301，401)的所述飞行指令数据包括针对所述至少一个uav(301，401)中的每个uav的飞行路径，还使得所述至少一个uav(301，401)在所述飞行期间经由所述uas(350，450)的所述无线通信接口(307，407)实时地将所述至少一个uav(301，401)中的每个uav的能量状态从所述至少一个uav(301，401)传输到所述控制中心(302，402)；
9.根据权利要求6至8中任一项所述的uas(350，450)，其中，所述uas(350，450)还包括栓系式气象数据传感器(308，408)，所述栓系式气象数据传感器被布置成收集不同高度处的原始气象数据，并且使所述栓系式气象数据传感器(308，408)将由所述栓系式气象数据传感器(308，408)收集的所述原始气象数据传输到所述控制中心(302，402)。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的uas(350，450)，其中，所述uas(350，450)还包括固定气象数据传感器(315，415)，所述固定气象数据传感器被布置成收集所述uas(350，450)处的原始气象数据，并且使所述固定气象数据传感器(315，415)将由所述固定气象数据传感器(315，415)收集的所述原始气象数据传输到所述控制中心(302，402)。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的uas(350，450)，其中，所述至少一个uav(301，401)是固定翼uav，优选地固定翼垂直起降(vtol)uav。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的uas(350，450)，其中，所述uas(350，450)可缩回地容纳在容器(322，422)中。
