北斗地空通信指揮系統(tǒng)在飛機(jī)人工增雨作業(yè)中的應(yīng)用

劉泉　張佃國　劉文　樊明月　王永政

摘要

北斗地空通信指揮系統(tǒng)集作業(yè)航線設(shè)計(jì)、GPS跟蹤定位、電子記錄、數(shù)據(jù)傳輸及短信通訊等功能為一體，可以疊加天氣、衛(wèi)星和新一代多普勒等資料，筆者在此對(duì)該系統(tǒng)的功能、工作原理以及系統(tǒng)的應(yīng)用、升級(jí)和存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多架作業(yè)飛機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤指揮，強(qiáng)化了飛機(jī)人工增雨作業(yè)的分析和指揮技術(shù)，提高了工作效率和作業(yè)效益。

關(guān)鍵詞北斗地空通信指揮系統(tǒng)；北斗；GPS；飛機(jī)人工增雨

中圖分類號(hào)S161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09856-02

基金項(xiàng)目山東省氣象局重點(diǎn)課題（2012sdqxz07）。

作者簡介

劉泉（1988-），男，山東郯城人，助理工程師，從事人工影響天氣相關(guān)技術(shù)研究。

收稿日期20140820

地空通信指揮系統(tǒng)在飛機(jī)人工增雨作業(yè)過程中發(fā)揮重要作用[1]，該系統(tǒng)為地面決策部署、監(jiān)控指揮與空中飛機(jī)作業(yè)之間搭建了一座密切聯(lián)系的橋梁。通過這座“橋梁”，空中作業(yè)人員可實(shí)時(shí)與地面指揮人員交流云層信息，捕捉最佳作業(yè)時(shí)機(jī)和條件，最大程度提升作業(yè)效益。

山東省自1989年恢復(fù)飛機(jī)人工增雨工作以來，為提高作業(yè)成效，針對(duì)其工作聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)面積大、天氣變化快等特點(diǎn)，曾先后采用了高頻電話、GPS（全球定位系統(tǒng)）[2]等地空通信指揮設(shè)備。高頻電話實(shí)現(xiàn)了地空點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)，但易受噪音、地形、距離等因素的干擾和限制；GPS可以實(shí)現(xiàn)較大范圍飛機(jī)作業(yè)跟蹤監(jiān)控，但無法實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)，不能及時(shí)針對(duì)實(shí)際天氣情況調(diào)整作業(yè)方案，缺乏靈活性。2009年2月份，山東省人影辦引進(jìn)了北京神州星宇科技有限公司研制的北斗地空通信指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)是北斗與GPS 2種系統(tǒng)的融合，有效解決了以前設(shè)備受距離、地形等因素限制以及無法通信的問題[3-6]。通過實(shí)際應(yīng)用和改進(jìn)升級(jí)，目前，在保留了其原有功能的前提下，又實(shí)現(xiàn)了電子記錄、監(jiān)控指揮多架飛機(jī)同時(shí)作業(yè)等功能。筆者在此對(duì)該系統(tǒng)的功能、工作原理以及系統(tǒng)的應(yīng)用、升級(jí)和存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1系統(tǒng)介紹

1.1 主要功能

北斗地空通信指揮系統(tǒng)包括全球定位功能和地空通信功能。全球定位功能可以實(shí)時(shí)定位作業(yè)飛機(jī)位置，顯示其作業(yè)航線與區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮，提高了作業(yè)安全性、強(qiáng)化了作業(yè)能力；地空通信功能可以對(duì)所采集數(shù)據(jù)打包傳輸、進(jìn)行地空短信聯(lián)絡(luò)等，空中作業(yè)人員與地面指揮人員實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)通信，使作業(yè)更加科學(xué)有效。

1.2框架結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)分為三級(jí)，一級(jí)為指揮系統(tǒng)，布設(shè)在省人影辦人工影響天氣作業(yè)指揮中心，可同時(shí)對(duì)多架飛機(jī)監(jiān)控部署；二級(jí)為地面監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)控系統(tǒng)），布設(shè)于外場試驗(yàn)基地或其他地市試驗(yàn)站點(diǎn)，跟蹤指揮下級(jí)增雨飛機(jī)作業(yè)；三級(jí)為飛機(jī)作業(yè)系統(tǒng)（以下簡稱作業(yè)系統(tǒng)），裝載于作業(yè)飛機(jī)艙內(nèi)，實(shí)施播撒催化劑、數(shù)據(jù)收集、環(huán)境觀測等具體作業(yè)。目前，山東省已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)指揮系統(tǒng)下兩架增雨飛機(jī)（省人影辦飛機(jī)、青島人影辦飛機(jī)）同時(shí)作業(yè)并對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮。

1.3工作原理

指揮系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)三者之間的數(shù)據(jù)傳輸、信息聯(lián)絡(luò)全部通過北斗衛(wèi)星完成；作業(yè)系統(tǒng)所

采集的飛機(jī)定位信息由GPS衛(wèi)星完成（圖1）。監(jiān)控終端由

圖1地空通信指揮系統(tǒng)工作原理流程圖

一臺(tái)計(jì)算機(jī)和北斗地空通信指揮專用軟件構(gòu)成。

1.3.1

指揮系統(tǒng)。由北斗指揮機(jī)、監(jiān)控終端（指揮端）、相關(guān)數(shù)據(jù)采集終端及其他設(shè)備組成，可自動(dòng)讀取雷達(dá)原始體掃數(shù)據(jù)[7-8]、Micaps云圖數(shù)據(jù)，分析天氣條件[9] ，設(shè)計(jì)作業(yè)航線，傳至下級(jí)系統(tǒng)，可生成word文檔。作業(yè)中，三級(jí)系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)共享所有相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)控分析，適時(shí)作出調(diào)整。系統(tǒng)之間的指令傳達(dá)及聯(lián)絡(luò)信息以短信的方式進(jìn)行（非共享）。作業(yè)過程同時(shí)在指揮中心大屏幕顯示。

1.3.2

監(jiān)控系統(tǒng)。由北斗監(jiān)控機(jī)和監(jiān)控終端（地面端）組成?？赏ㄟ^映射網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器共享并參照雷達(dá)原始體掃數(shù)據(jù)、Micaps云圖數(shù)據(jù)，協(xié)助指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)航線，并對(duì)增雨飛機(jī)進(jìn)行跟蹤指揮。

1.3.3

作業(yè)系統(tǒng)。由北斗用戶機(jī)、監(jiān)控終端（飛機(jī)端）和相關(guān)信息采集器組成。作業(yè)過程中自動(dòng)采集儲(chǔ)存GPS信息（飛機(jī)當(dāng)前的所在位置、速度、方向、高度）、溫濕度數(shù)據(jù)，手動(dòng)錄入作業(yè)及環(huán)境信息等數(shù)據(jù)，同時(shí)，將所有數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星傳輸至上級(jí)系統(tǒng)。

從圖1可以看出，兩架飛機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，二三級(jí)系統(tǒng)即組成單獨(dú)的工作組（A，B），在指揮系統(tǒng)的統(tǒng)一部署調(diào)度下，分別實(shí)施具體作業(yè)。指揮系統(tǒng)與工作組之間通過北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，以短信方式實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，在同一指揮系統(tǒng)下可以延展出更多的作業(yè)工作組（二三級(jí)系統(tǒng)）。

2系統(tǒng)應(yīng)用

2.1預(yù)設(shè)航線

自動(dòng)采集Micaps、雷達(dá)及其他氣象資料信息疊加于電子地圖（圖2a），分析預(yù)測天氣情況、可作業(yè)區(qū)域，制定作業(yè)航線，生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，并可轉(zhuǎn)換為word格式打印。由圖2b可以清晰看到山東省人影指揮中心在2014年4月27日所設(shè)計(jì)航線，具體地點(diǎn)從濟(jì)南出發(fā)，先后經(jīng)過諸城、昌邑、城陽等地返回濟(jì)南，作業(yè)區(qū)域圍成了2個(gè)三角形。圖2b下半部分顯示預(yù)計(jì)航程、時(shí)間等具體數(shù)據(jù)。

注：a為雷達(dá)疊加；b為航線預(yù)設(shè)；c為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)操作界面；d為作業(yè)回放。

圖2 地空通信指揮系統(tǒng)在增雨作業(yè)中的應(yīng)用

2.2地圖顯示

以GIS（地理信息系統(tǒng)）為核心，以山東區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)并整合了全國其他省市的地圖顯示服務(wù)，可被所采集信息疊加。圖2c左側(cè)是地圖顯示區(qū)，山東區(qū)域顯示到縣區(qū)（最大精度可顯示到村莊），其他省市顯示主要城市?？蛇M(jìn)行放大、縮小、漫游、測距等操作。

2.3信息采集

實(shí)時(shí)采集飛機(jī)位置、速度、空氣溫濕度、作業(yè)環(huán)境等數(shù)據(jù)并自動(dòng)記錄儲(chǔ)存（圖2c右側(cè)區(qū)域），通過北斗衛(wèi)星傳輸，三級(jí)工作平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)共享。手動(dòng)錄入人員、飛機(jī)、播撒方式、作業(yè)環(huán)境等相關(guān)信息（圖2c中間區(qū)域）自動(dòng)轉(zhuǎn)換為excel文檔存儲(chǔ)。

2.4監(jiān)控指揮

飛機(jī)作業(yè)航線直觀地顯示于電子地圖，各工作平臺(tái)均可實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)飛行航線，根據(jù)其位置以及相關(guān)天氣情況，以短信的形式交換指令，對(duì)飛機(jī)的具體作業(yè)路線、方向可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。圖2c右下側(cè)區(qū)域?yàn)槭瞻l(fā)短信的位置，航線預(yù)設(shè)和作業(yè)回放也在此區(qū)域進(jìn)行操作。

2.5作業(yè)回放

作業(yè)結(jié)束之后，調(diào)出數(shù)據(jù)庫所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用該軟件系統(tǒng)可以重新回放作業(yè)航線以及作業(yè)中飛機(jī)經(jīng)緯度、速度、高度等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。從圖2d可以看到2014年4月27日10：38作業(yè)飛機(jī)所處位置和相關(guān)數(shù)據(jù)，紫色線條表示碘化銀作業(yè)航線，紅色線條表示非作業(yè)航線。

3系統(tǒng)升級(jí)

為了更好地完成作業(yè)任務(wù)，提高工作效率，相關(guān)工作人員通過反復(fù)研究與實(shí)際測試，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。在硬件方面，以扁圓形用戶機(jī)取代了以前由圓錐形發(fā)射

接收器和正方體控制盒組成的北斗用戶機(jī)，設(shè)備減少、體積