黨曉軍，虞玉誠

（水利部發(fā)展研究中心，北京 100053）

0 引言

臺風(fēng)測量參數(shù)溫度、濕度、壓力、風(fēng)速等對利用臺風(fēng)計算模型推演臺風(fēng)的運(yùn)行軌跡和強(qiáng)度變化有直接的作用。目前我國測量臺風(fēng)的技術(shù)手段包括：氣象衛(wèi)星微波遙感技術(shù)、風(fēng)廓線雷達(dá)測量、臺風(fēng)高空外圍的測量設(shè)備投放、自動氣象站和移動觀測車，衛(wèi)星和雷達(dá)測量不能取得臺風(fēng)內(nèi)部的溫度、氣壓、風(fēng)力、濕度等參數(shù)，自動投放不能得到位置連續(xù)變化的臺風(fēng)參數(shù)，自動氣象站和移動觀測車主要用于陸上的測量。

針對臺風(fēng)測量技術(shù)手段存在的缺陷，各國開始探索無人機(jī)在氣象探測方面的應(yīng)用。澳大利亞生產(chǎn)的 AEROSONDE 小型長航時氣象探測無人機(jī)，成功進(jìn)行了跨越大西洋的飛行，曾為世界衛(wèi)生組織、NASA、美國海軍研究部、澳大利亞氣象局、中國臺灣氣象局、日本和韓國氣象研究院提供氣象服務(wù)。臺灣大學(xué)和臺中央氣象局為實(shí)施“無人機(jī)探空觀測臺風(fēng)計劃”先后購置8架 AEROSONDE 氣象探測飛機(jī)，并在“海燕”、“康森”、“龍王”等臺風(fēng)探測中取得成功，在“龍王”臺風(fēng)探測中，飛機(jī)成功進(jìn)入了風(fēng)眼[1]。

2008年中國大陸首次利用無人機(jī)探測手段對臺風(fēng)“海鷗”進(jìn)行了探測，飛行高度500m，飛行時間近3h，距臺風(fēng)中心最近距離約為100km，獲取了探測期間全部氣象要素數(shù)據(jù)（溫度、相對濕度、氣壓和風(fēng)速），數(shù)據(jù)獲取率達(dá)到90% 以上[1]。自 2008年探測臺風(fēng)以來，上海臺風(fēng)研究所經(jīng)多方調(diào)研、選擇，選中該型（晨鳥）飛機(jī)，作為臺風(fēng)測試的位移候選機(jī)型，進(jìn)行穿越臺風(fēng)的飛行準(zhǔn)備工作。由于在山區(qū)飛行，地面站沒有高程顯示，飛機(jī)起飛受場地大小限制，因而起飛和控制方式必須改變。2011年以來，針對飛行控制的改變和氣象測量系統(tǒng)的交互改進(jìn)，進(jìn)行了地面站的帶高程軌跡顯示、起飛自助模式飛行、臺風(fēng)的切入飛行實(shí)驗(yàn)、風(fēng)速的機(jī)上解算等完善研究工作。目前飛機(jī)的外形設(shè)計和氣象測量計算方式已基本穩(wěn)定。

1 無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)總體設(shè)計

無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)運(yùn)用飛行控制技術(shù)，輔助人工干預(yù)，結(jié)合衛(wèi)星測量的云圖，沿著臺風(fēng)旋轉(zhuǎn)的切線方向，逐漸進(jìn)入臺風(fēng)中心，進(jìn)而穿越臺風(fēng)連續(xù)采集有關(guān)風(fēng)暴中溫度、氣壓、風(fēng)力及濕度等數(shù)據(jù)，并隨時更改高度，測量不同連續(xù)高度上的臺風(fēng)參數(shù)。無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)被衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至測量控制中心，控制中心通過通用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時傳至氣象中心，應(yīng)用于計算機(jī)模型制作，以實(shí)時解算臺風(fēng)的運(yùn)行模型。

測量臺風(fēng)主要參數(shù)的傳感器置于機(jī)頭、機(jī)翼等位置，傳感器和測量參數(shù)的解算在無人機(jī)上完成。

總體設(shè)計內(nèi)容包括：無人機(jī)空氣動力設(shè)計、機(jī)身 CAD 設(shè)計、氣象參數(shù)測量和反算、北斗衛(wèi)星和氣象測量參數(shù)的融合傳輸，地面站的遙控顯示、發(fā)動機(jī)節(jié)油控制等。

無人機(jī)系統(tǒng)主要由飛機(jī)平臺、航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、氣象探測載荷設(shè)備、地面測控站、地面發(fā)射裝置等組成[2]，具體組成如圖1所示。

圖1 飛機(jī)系統(tǒng)組成

1.1 飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)測量臺風(fēng)，首先要有穩(wěn)定的氣動特性，借鑒國外的飛機(jī)設(shè)計，飛機(jī)平臺采用倒 V 聯(lián)動的外形設(shè)計；采用復(fù)合材料增加抗風(fēng)性能，減少飛機(jī)機(jī)身重量，提高搭載載荷能力，提高密閉性，增強(qiáng)抗雨能力；改進(jìn)發(fā)動機(jī)，節(jié)約耗油，增長航程。

無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)主要由飛行器、發(fā)射車、車載地面站3大部分組成，全機(jī)長度為 1.75m，高度為 0.71m，機(jī)翼展長為 2.90m，最大起飛重量為15kg，實(shí)用升限5000m，巡航速度為95km/s，最大航時20h，最大航程為2000km[3]，飛行外形結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)參考國外飛機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了氣動設(shè)計，并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。飛機(jī)機(jī)身由特別開發(fā)的復(fù)合材料通過磨具一次成型。

發(fā)動機(jī)系統(tǒng)采用日本進(jìn)口發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了噴油的頻率控制設(shè)計，保證在滿足動力要求的同時，節(jié)約用油，延長航時。

1.2 航空電子系統(tǒng)

航空電子系統(tǒng)主要完成飛機(jī)飛行姿態(tài)控制及飛行任務(wù)導(dǎo)航，實(shí)時接收地面站控制指令，并將飛機(jī)各項數(shù)據(jù)實(shí)時回傳地面站[2-3]，如圖3所示。

圖2 飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖

飛行計算機(jī)采用 Microchip 公司的 PIC16f877單片機(jī)作為主處理芯片，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈路采用 PHILIPS公司的 P89C668單片機(jī)為主處理芯片，北斗衛(wèi)星通信采用30s 的短信服務(wù)卡[4-5]，基于 PC104嵌入式系統(tǒng)為氣象載荷的推算和飛行數(shù)據(jù)融合主處理機(jī)[6]。

地面站采用 VB 和 VC 混合編程方式，支持Googel Earth，Mapinfo 和超圖等地圖軟件[7]。

1.3 氣象載荷系統(tǒng)

氣象載荷分系統(tǒng)由溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等傳感器，以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖3 航空電子組成

圖4 氣象載荷組成

2011年以來針對氣象參數(shù)的測量，是將天津氣象儀器廠研制的氣象設(shè)備利用基于 Windows 系統(tǒng)的PCl04進(jìn)行控制，并通過進(jìn)程間消息傳遞氣象參數(shù)給通信程序，由北斗衛(wèi)星或銥星傳回到地面站設(shè)備[8]。該氣象設(shè)備利用 PC104較強(qiáng)的運(yùn)算能力，在空中實(shí)時完成氣象參數(shù)解算，而且由于 PC104單獨(dú)控制氣象傳感器，測量取樣的周期大大縮小，采樣樣本量極大增加。第1次臺風(fēng)測量時，將原始數(shù)據(jù)按30s周期傳到地面，然后進(jìn)行反算，這樣使得采樣周期≥30s，減少了數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量，降低了計算精度。現(xiàn)在正在對北斗衛(wèi)星的短信傳輸頻率進(jìn)行改進(jìn)，以增加測量的樣本數(shù)，滿足當(dāng)前需要。

地面站串口專門有讀寫線程，提高數(shù)據(jù)通信處理能力，以減少數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象。

2 無人機(jī)飛行模式設(shè)計

2.1 起飛

臺風(fēng)測量時，為了跟蹤臺風(fēng)運(yùn)動，方便運(yùn)輸，尋找更合適的起飛切入點(diǎn)，采用車載發(fā)射方式，飛機(jī)固定在發(fā)射車頂部發(fā)射架上。當(dāng)發(fā)射車沿跑道逆風(fēng)行駛，車速達(dá)到85km 時，釋放緊固，飛機(jī)升空而起，按預(yù)定的任務(wù)規(guī)劃航線飛向目標(biāo)區(qū)。

2.2 任務(wù)執(zhí)行

無人機(jī)起飛后，按預(yù)設(shè)航路點(diǎn)飛行，飛行過程中可隨時更改飛機(jī)所設(shè)航路點(diǎn)、飛行方向、飛行高度和速度等參數(shù)，臺風(fēng)測量中，沿著臺風(fēng)云圖給出的臺風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向的切線飛行，擾動和阻力小，氣流相對平穩(wěn)，因此飛行應(yīng)隨時調(diào)整，以便飛機(jī)安全飛抵任務(wù)點(diǎn)，安全可靠地進(jìn)入臺風(fēng)中心；到達(dá)任務(wù)點(diǎn)后按照設(shè)定指令完成各種任務(wù)動作，任務(wù)載荷將所測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸回地面站。

2.3 降落

返航降落，可以充分利用臺風(fēng)的逆風(fēng)場，利用自身重力和速度，保證飛機(jī)安全降落。無人機(jī)完成任務(wù)后按指令返回降落地點(diǎn)，降落采用機(jī)腹滑降方式，降落場地可選在公路、平坦土質(zhì)地面或草地，場地面積7m×200m。飛機(jī)返航后操作手控制飛機(jī)逆風(fēng)進(jìn)入場地，關(guān)閉發(fā)動機(jī)，降低飛機(jī)高度，機(jī)腹擦滑地面安全著陸。

3 無人機(jī)臺風(fēng)測試系統(tǒng)考核試驗(yàn)

3.1 臺風(fēng)探測的要求

無人機(jī)具備臺風(fēng)探測的6點(diǎn)要求，具體如下：

1）飛行航時長。無人機(jī)采用成熟的雙尾撐V型尾翼氣動布局，主翼為大展弦比橢圓型機(jī)翼，提高了升阻比，降低了發(fā)動機(jī)的油耗，提高了續(xù)航能力，滿足環(huán)繞臺風(fēng)探測的航時要求。

2）在強(qiáng)對流、降雨的氣象條件下飛行穩(wěn)定。系統(tǒng)采用空速優(yōu)先自主飛行方案和動力系統(tǒng)防雨技術(shù)，確保飛機(jī)在強(qiáng)對流、降雨的臺風(fēng)氣象條件下控制自如，航線準(zhǔn)確，動力平穩(wěn)。

3）超視距數(shù)據(jù)傳輸。使用北斗衛(wèi)星或銥星通信鏈路，無人機(jī)具備超視距遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力，擴(kuò)展了任務(wù)執(zhí)行范圍和數(shù)據(jù)傳輸距離。

4）系統(tǒng)操作靈活簡便。為方便拆解運(yùn)輸及快速組裝，無人機(jī)采用車載起飛、機(jī)腹滑行著陸方式，起降方便，降低了對起降場地的要求。

5）確保探測精度要求。無人機(jī)臺風(fēng)測試系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，能確保臺風(fēng)探測的精度要求，基本實(shí)現(xiàn)探測、收集、處理、分發(fā)一體化和傳輸準(zhǔn)實(shí)時化。

6）產(chǎn)品價格低廉。1套無人機(jī)臺風(fēng)測試系統(tǒng)價格約70萬元，符合臺風(fēng)探測業(yè)務(wù)化的成本要求。

3.2 考核試驗(yàn)

臺風(fēng)探測無人機(jī)參加了由中國氣象局大探中心組織的以下考核試驗(yàn)，并順利通過考核：

1）長航時測試。在河北進(jìn)行了為期3d 的續(xù)航和飛行通信能力測試，進(jìn)行了3次7h 的連續(xù)自主飛行試驗(yàn)，飛行平穩(wěn)安全，自主飛行受控。無人機(jī)衛(wèi)星通信鏈路正常，能夠完成無人機(jī)的遙測、遙控任務(wù)。同時在中國氣象局國家計量站風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室做了無人機(jī)搭載的氣象傳感器的風(fēng)洞試驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)滿足靜態(tài)指標(biāo)。

2）強(qiáng)降雨氣象條件飛行。在江西進(jìn)行了無人機(jī)降水天氣條件下適應(yīng)性飛行測試。為選擇在較強(qiáng)的降雨天氣條件下進(jìn)行測試，測試時間選在當(dāng)?shù)厥芘_風(fēng)“浣熊”影響的強(qiáng)降雨時段，測試期間內(nèi)的降水量為42mm，無人機(jī)順利完成了該條件下4h 飛行試驗(yàn)，飛行過程安全平穩(wěn)。

3）臺風(fēng)探測試驗(yàn)。在浙江省瑞安市成功對“海鷗”和“森拉克”臺風(fēng)進(jìn)行了探測試驗(yàn)，獲取了完整的溫度、濕度、壓力、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)時實(shí)將數(shù)據(jù)傳回到中國氣象局。圖5為測量臺風(fēng)海鷗的測量位置示意圖。

圖5 臺風(fēng)測量位置示意圖

4）改進(jìn)試驗(yàn)。為了控制多臺飛機(jī)，同時為了實(shí)時處理北斗衛(wèi)星信息，第1次飛臺風(fēng)試驗(yàn)后至今一直在進(jìn)行地面站通信程序多線程修改，基于 Googel Earth 地理信息系統(tǒng)修改，Googel Earth 支持對飛行點(diǎn)高度 H2獲取，對應(yīng)經(jīng)緯的地面高程 H1獲取，通過 H2-H1判定飛行高度是否合理。

2013年上海臺風(fēng)研究所進(jìn)行的臺風(fēng)測量試驗(yàn)，由于場地、操作人員數(shù)量和水平有限，必須對無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)地面彈射，直接自主飛行測試。因此對飛行控制軟件進(jìn)行改造，進(jìn)行無人機(jī)上基于PC-104的氣象設(shè)備和通信設(shè)備交互測試。改進(jìn)后，試驗(yàn)效果良好，可以在今后測試臺風(fēng)中具體應(yīng)用。

4 試驗(yàn)結(jié)果

2008年7月18日利用無人機(jī)探測手段對臺風(fēng)“海鷗”進(jìn)行探測，將探測的時溫圖、時濕圖、時高圖綜合在一起對測量結(jié)果進(jìn)行綜合顯示的時溫濕圖如圖6所示，探測的氣壓、風(fēng)速、溫度、相對濕度變化圖分別如圖7～10所示。圖6中高度圖的兩側(cè)上下變化明顯處是飛機(jī)起飛和降落處的時間點(diǎn)，在飛行高度穩(wěn)定處的溫度保持基本恒定，而濕度變化有起伏，說明溫度變化幅度不大，濕度由于臺風(fēng)本身的影響變化很大。

無人機(jī)在臺風(fēng)測量時段內(nèi)，完全處于降水云系內(nèi)，而且在3h 內(nèi)，無人機(jī)都能夠正常飛行，說明這種小型無人機(jī)的防水性能較好。從風(fēng)速數(shù)據(jù)來看，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，飛機(jī)的飛行狀態(tài)相當(dāng)穩(wěn)定，說明利用這種小型無人機(jī)進(jìn)行環(huán)臺風(fēng)探測，無人機(jī)的飛行姿態(tài)還是相對穩(wěn)定的。氣壓和海拔高度呈現(xiàn)非常一致的反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到 -0.99，這進(jìn)一步說明了，這種小型無人機(jī)探測數(shù)據(jù)的真實(shí)性及可靠性。飛機(jī)逐漸向臺風(fēng)中心靠近，溫度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這說明，距離臺風(fēng)越近，環(huán)境溫度相對較低。

圖7～10中的數(shù)據(jù)理論上是同一時間從不同傳感器記錄的數(shù)據(jù)。圖9中溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，突然降至5℃ 以下，此后有1次升降的波動，逐漸回升。事后分析，可能是由于水滴附著在傳感器上造成的。

圖7中，探測期間的氣壓平均值為949.1±9.7hPa，溫度平均值為 24.2±1.3℃，探測期間內(nèi)，無人機(jī)基本處于降水云系中，故相對濕度較高，平均值為（88.4±6.1）%。通過對探測數(shù)據(jù)的初步分析，說明這種小型無人機(jī)具有探測臺風(fēng)邊界層氣象要素的能力。

5 結(jié)語

圖6 “海鷗”臺風(fēng)探測時溫濕圖

圖7 無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)探測氣壓變化圖

圖8 無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)探測風(fēng)速變化圖

圖9 無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)探測溫度變化圖

圖10 無人機(jī)臺風(fēng)測量系統(tǒng)探測相對濕度變化圖

使用無人機(jī)測量臺風(fēng)，可以在任意高度和經(jīng)緯度對影響臺風(fēng)的參數(shù)溫度、濕度、壓力、風(fēng)速等進(jìn)行測量，以此為臺風(fēng)運(yùn)動方程的邊界數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)進(jìn)行預(yù)測是可以借鑒的。但是飛機(jī)本身的發(fā)動機(jī)熱量、機(jī)身對大氣的摩擦擾動也會給參數(shù)的測量帶來誤差，如何精確地剔出這些干擾的影響是一個很難解決的問題，是本課題進(jìn)一步研究的內(nèi)容。和中國臺灣及國外運(yùn)用銥星和海事衛(wèi)星測量臺風(fēng)方法相比，本方法立足國內(nèi)北斗衛(wèi)星，價格便宜，測量頻率可以通過北斗卡控制，可以在全國沿海的地點(diǎn)進(jìn)行推廣。

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