人工增雨飛機(jī)北斗空地傳輸系統(tǒng)及電源設(shè)計(jì)

張久林++丁瑞津++陳祺++張豐偉

摘要 簡(jiǎn)要介紹了北斗定位通訊系統(tǒng)的組成與功能，分析了北斗定位通訊系統(tǒng)在人影作業(yè)中的應(yīng)用，并對(duì)其機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，以期為人工增雨作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞 人工增雨；飛機(jī)；北斗空地傳輸系統(tǒng)；電源；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) P481；TJ768.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）17-0268-03

BeiDou Ground-Air Communication and Command System and Power Supply Design of Artificial Precipitation Aircraft

ZHANG Jiu-lin DING Rui-jin CHEN Qi ZHANG Feng-wei

（Weather Modification Office in Gansu Province，Lanzhou Gansu 730020）

Abstract A brief introduction to the composition and function of BeiDou Ground-Air Communication and Command System.The application of BeiDou Ground-Air Communication and Command System in weather modification operation was analyzed.The design of portable power supply of airborne user terminator was discussed，in order to provide reference for artificial precipitation operation.

Key words artificial precipitation；aircraft；BeiDou Ground-Air Communication and Command System；power supply；design

云是空氣垂直運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，隨著空氣的上升，地面的水汽也被夾帶著一起上升，在這個(gè)過(guò)程中，一部分水汽蒸發(fā)掉，一部分則升人云中，會(huì)冷卻而凝結(jié)，成為云中水汽的一部分。高空的云是否形成降雨，不僅取決于云中水汽的含量，同時(shí)還決定于云中供水汽凝結(jié)的凝結(jié)核的多少。即使云中水汽含量特別大，若沒(méi)有或僅有少量的凝結(jié)核，水汽是不會(huì)充分凝結(jié)的，也不能充分下降。即使有的小水滴能夠下降，也終會(huì)因太少太小而在降落過(guò)程中蒸發(fā)。

高空的云有暖型云（云內(nèi)溫度在0 ℃以上）和冷型云（云內(nèi)溫度在0 ℃以下）。根據(jù)云的情況（性質(zhì)、高度、厚度、濃度、范圍等），分別向云體播撒致冷劑（如干冰等）、結(jié)晶劑（如碘化銀等）、吸濕劑（食鹽、尿素）和水霧等，以改變?cè)频蔚拇笮?、分布和性質(zhì)，干擾云中氣流，加速其生長(zhǎng)程，達(dá)到降水之目的。對(duì)冷型云的人工增雨，常常是播撒致冷劑和結(jié)晶劑，增加云中冰晶濃度，以彌補(bǔ)云中凝結(jié)核的不足，達(dá)到降雨的目的，對(duì)暖型云的人工增雨，則通常是向云中播撒吸濕劑和水霧，加強(qiáng)云中碰并，促使云滴增大。人工增雨最理想的天氣是作業(yè)區(qū)上空有水汽含量較豐富的積狀云，且云層較厚，云頂高度在6 100～12 200 m之間，地面有小于10 km/h的微風(fēng)。

人工增雨的方法多種多樣，有高炮、火箭、氣球播撒催化劑法，有飛機(jī)播撒催化劑法，還有地面燒煙法。飛機(jī)人工增雨作業(yè)是在適宜的云層條件下，將催化粒子播入能使其核化、增長(zhǎng)的云中，經(jīng)過(guò)冷雨和暖雨過(guò)程成為地面降水。要想取得好的增雨效果，必須處理好作業(yè)區(qū)的確定、作業(yè)時(shí)機(jī)的選擇、作業(yè)航線的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

增雨飛機(jī)利用先進(jìn)的空地信息傳輸系統(tǒng)進(jìn)行空中和地面的通信指揮。有了這套系統(tǒng)，在人影指揮中心的電腦顯示屏幕上就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控到飛機(jī)的飛行軌跡，工作人員通過(guò)雷達(dá)回波的顯示，判斷容易降雨的區(qū)域，通過(guò)語(yǔ)言傳輸系統(tǒng)直接指揮飛行員飛到哪里，大大提高了作業(yè)指揮能力及作業(yè)效果。但是機(jī)載北斗天線需要飛機(jī)提供電源，電源之間不能很好匹配。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。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(wèn)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。設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源是保障地空通信的基礎(chǔ)條件[1-3]。

筆者通過(guò)反復(fù)實(shí)踐，成功設(shè)計(jì)了北斗機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源，本文旨在介紹增雨飛機(jī)北斗機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源設(shè)計(jì)。

1 北斗定位通訊系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 北斗定位通訊系統(tǒng)組成

北斗定位系統(tǒng)是以我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用北斗的定位、通信和授時(shí)三大功能，整合移動(dòng)通信和地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)增雨飛機(jī)的GPS定位、地空通訊和飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的飛機(jī)增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)。系統(tǒng)由北斗用戶機(jī)、北斗管理機(jī)組成。

該產(chǎn)品是一款功能強(qiáng)大的北斗一代地面應(yīng)用指揮終端。具有全方向高靈敏度信號(hào)捕捉能力、穩(wěn)定高效率的信號(hào)發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)3顆北斗衛(wèi)星6波束信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤處理。具有監(jiān)視指揮調(diào)度等功能，能實(shí)時(shí)將定位及導(dǎo)航信息在數(shù)字地圖上進(jìn)行標(biāo)繪與監(jiān)控，支持歷史信息查詢(xún)、維護(hù)及導(dǎo)出等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬100個(gè)用戶的指揮調(diào)度和多級(jí)分組組網(wǎng)功能。主機(jī)支持寬范圍電源供電，同時(shí)內(nèi)置即充即用的高效大容量后備鋰電池。設(shè)備安裝方便，適合在移動(dòng)或固定指控中心內(nèi)使用，性能穩(wěn)定可靠。圖1為指揮型用戶機(jī)的結(jié)構(gòu)。指揮型用戶機(jī)與便攜計(jì)算機(jī)裝載相應(yīng)的系統(tǒng)軟件及監(jiān)控軟件組成指揮監(jiān)控中心系統(tǒng)?？梢詫?shí)時(shí)顯示狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)中心與下屬用戶以及下屬用戶間的通信，完成指揮中心對(duì)下屬用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)控和指揮調(diào)度、信息管理功能。endprint

北斗機(jī)載式用戶機(jī)主要由主機(jī)、天線、顯示控制器（手柄）、電池組件四大部分組成。本用戶機(jī)所有接口及接頭都具有防插反設(shè)計(jì)，接反或誤接都無(wú)法正常連接。圖2為北斗機(jī)載式用戶機(jī)組成。主機(jī)部分是整套用戶機(jī)的心臟部分，是用戶機(jī)基帶信號(hào)及信息處理的中心。供電電壓9～32 V，本用戶機(jī)自帶安全保護(hù)功能，設(shè)備斷開(kāi)電源后具有內(nèi)部數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，過(guò)流、過(guò)壓、欠壓或偶然極性接反時(shí)會(huì)自動(dòng)保護(hù)設(shè)備。天線部分是用戶機(jī)接收和發(fā)射信號(hào)的重要部件，同時(shí)還兼顧了接收和發(fā)射信號(hào)的放大的工作。參數(shù)與設(shè)置如下：發(fā)射等效全向輻射功率15 dBW；發(fā)射和接收波束寬度，水平方向?yàn)?～360°，垂直方向?yàn)?0～75°，顯示控制器（手柄）部分，其作為用戶機(jī)的人機(jī)交互接口，是負(fù)責(zé)指令輸入和信息輸出的重要窗口；顯示控制器屏幕的對(duì)比度以及背光顯示參數(shù)可在菜單“8.顯示功能設(shè)定中”進(jìn)行設(shè)定；電池組件是用戶機(jī)的備份電源，是當(dāng)車(chē)輛電源失效時(shí)的備用電源[4-7]。

1.2 北斗定位通訊系統(tǒng)主要功能

1.2.1 初始化參數(shù)、狀態(tài)設(shè)定和整機(jī)監(jiān)測(cè)功能。開(kāi)機(jī)自檢和整機(jī)工作狀況巡檢，在顯示器上給出整機(jī)工作狀況指示。設(shè)有初始化參數(shù)（已知高程數(shù)據(jù)、天線高、坐標(biāo)及坐標(biāo)系選擇等）默認(rèn)值和輸入提示，可方便更改。實(shí)時(shí)給出故障告警和功能狀態(tài)提示（信號(hào)失鎖、信號(hào)被抑制、需換電池、設(shè)備故障類(lèi)型等）。

1.2.2 安全保護(hù)功能。過(guò)流、過(guò)壓、欠壓或偶然極性反接時(shí)自動(dòng)保護(hù)設(shè)備。設(shè)備斷開(kāi)電源后，具有內(nèi)部數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能。

1.2.3 數(shù)據(jù)接口功能（RS-232接口）。通過(guò)數(shù)據(jù)接口接收外設(shè)輸入的定位和通信申請(qǐng)等有關(guān)信息。通過(guò)數(shù)據(jù)接口向外設(shè)輸出接收和發(fā)射的有關(guān)數(shù)據(jù)信息。

1.2.4 其他功能。對(duì)響應(yīng)波束的CRC和電源電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果CRC出錯(cuò)或電源供電不足，抑制信號(hào)入站，給出相應(yīng)的提示。用戶機(jī)設(shè)有時(shí)鐘（年-月-日-時(shí)-分-秒），用系統(tǒng)出站信息進(jìn)行校對(duì)。

1.3 北斗終端設(shè)備選型

北斗通訊系統(tǒng)在設(shè)計(jì)終端時(shí)，依據(jù)設(shè)備的功能將終端設(shè)計(jì)為機(jī)載用戶機(jī)（雙模）和管理用戶機(jī)2種。終端用戶機(jī)具備定位、通訊和授時(shí)功能，而管理型用戶機(jī)則可以對(duì)隸屬的所有的機(jī)載用戶機(jī)終端進(jìn)行通訊信息的監(jiān)控。因此，設(shè)計(jì)飛機(jī)增雨通訊系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)飛機(jī)端的容量進(jìn)行科學(xué)的選型，既滿足需求，又節(jié)約成本。

根據(jù)飛機(jī)增雨系統(tǒng)的特點(diǎn)，飛機(jī)端配置機(jī)載型用戶機(jī)（雙模）?？梢詽M足漢字80個(gè)/min（字符160個(gè)/min）的通訊量，可以滿足GPS定位數(shù)據(jù)、機(jī)載溫濕度數(shù)據(jù)、飛機(jī)飛行狀態(tài)、文字通訊等信息的需求。

每個(gè)地面端對(duì)應(yīng)1架飛機(jī)，適合于分散指揮的模式。每個(gè)地面端可以和自己指揮的飛機(jī)之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)控和通訊。管理型用戶機(jī)可以同時(shí)對(duì)多架飛機(jī)和地面端進(jìn)行消息群發(fā)，可以接收所有用戶機(jī)的信息。同時(shí)，可以監(jiān)控各個(gè)用戶機(jī)之間的通信信息。為適應(yīng)增雨作業(yè)飛機(jī)上震動(dòng)大、溫差大、電壓不穩(wěn)等相對(duì)條件惡劣的使用環(huán)境，系統(tǒng)采用加固的筆記本計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)機(jī)載計(jì)算機(jī)配置。

2 北斗定位通訊系統(tǒng)在人影作業(yè)中的應(yīng)用

2.1 北斗系統(tǒng)應(yīng)用情況

目前，甘肅省人工影響天氣辦公室的人工作業(yè)飛機(jī)為1架運(yùn)-7型飛機(jī)，起降機(jī)場(chǎng)設(shè)在蘭州中川飛機(jī)增雨基地，指揮部設(shè)在甘肅省人影業(yè)務(wù)中心?？紤]到現(xiàn)中國(guó)北斗1號(hào)系統(tǒng)現(xiàn)已逐步在無(wú)人氣象站、人工增雪推廣等氣象領(lǐng)域得到應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣、容量大、抗干擾強(qiáng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、兼容性強(qiáng)。應(yīng)用在作業(yè)飛機(jī)上，使飛機(jī)作業(yè)時(shí)地面空中的相互聯(lián)系更為簡(jiǎn)便、快捷，極大地提高了飛機(jī)作業(yè)時(shí)通訊的現(xiàn)代化水平。因此，決定采用基于北斗衛(wèi)星的通信系統(tǒng)。系統(tǒng)采用中國(guó)北斗衛(wèi)星進(jìn)行1處地面和架空中作業(yè)飛機(jī)的通信（不受距離限制）。在作業(yè)飛機(jī)上安裝工控機(jī)1臺(tái)、北斗1號(hào)用戶機(jī)1臺(tái)、GPS接收機(jī)1臺(tái)、空對(duì)地通信軟件1套。空中飛機(jī)可以通過(guò)工控機(jī)實(shí)時(shí)采集GPS信息及溫濕儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以按需定時(shí)把空中采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗1號(hào)用戶機(jī)發(fā)送到地面指揮中心，以方便地面指揮中心監(jiān)控飛機(jī)作業(yè)時(shí)的路線；地面指揮中心安裝北斗指揮機(jī)和中心服務(wù)軟件通過(guò)加載雷達(dá)原始掃描數(shù)據(jù)和MICAPS云圖和機(jī)上傳送回的飛機(jī)位置及溫濕信息進(jìn)行分析，通過(guò)短信方式向空中的作業(yè)飛機(jī)發(fā)送指令，指揮其作業(yè)。地面服務(wù)軟件可同時(shí)帶有多個(gè)客戶端，客戶端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)軌跡和回放以前的軌跡功能。空中和地面可以通過(guò)短信方式進(jìn)行文字通信。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

2.2.1 實(shí)時(shí)作業(yè)軌跡顯示。主要應(yīng)用在增雪作業(yè)飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的實(shí)時(shí)軌跡顯示和實(shí)時(shí)通信指揮，主要利用北斗的通信功能，利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，由北斗系統(tǒng)回傳信息，在電子地圖上顯示飛機(jī)、車(chē)輛的實(shí)時(shí)軌跡并進(jìn)行實(shí)時(shí)的短信互通，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、大范圍增雪作業(yè)飛機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度指揮。

2.2.2 雷達(dá)原始數(shù)據(jù)體掃疊加。通過(guò)調(diào)用雷達(dá)的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行解算，并顯示出PPI、CAPPI、RHI。其中，PPI、CAPPI要求顯示其3個(gè)要素包括強(qiáng)度、速度、譜寬及3個(gè)要素在14個(gè)不同的仰角的具體信息；用不同的顏色在相應(yīng)的位置標(biāo)識(shí)出。當(dāng)顯示出PPI或CAPPI中的1個(gè)要素信息后，同時(shí)可以查看RHI的信息。根據(jù)雷達(dá)的回波信息可以指揮飛機(jī)避開(kāi)較強(qiáng)的回波，以保證飛行機(jī)的安全。

2.2.3 航線設(shè)計(jì)。根據(jù)天氣情況、各地區(qū)缺水情況，預(yù)報(bào)人員可以設(shè)計(jì)增雪飛機(jī)，即將飛行的航線形成文檔，存檔和上報(bào)航空管理部門(mén)。設(shè)計(jì)航線時(shí)，可以根據(jù)情況修改航線，同時(shí)上傳給空中端，空中端收到地面?zhèn)魉偷暮骄€時(shí)，自動(dòng)顯示在空中端的電腦上，監(jiān)控作業(yè)中的飛機(jī)在空中飛行時(shí)是否按照設(shè)計(jì)的航線飛行。飛行作業(yè)完畢時(shí)，自動(dòng)生成1次作業(yè)記錄?？梢酝ㄟ^(guò)“歷史回放”功能回放某一作業(yè)記錄的數(shù)據(jù)（包括軌跡、溫濕等），按作業(yè)時(shí)間為文件名進(jìn)行存儲(chǔ)，以方便查找。

3 北斗機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源設(shè)計(jì)

3.1 電池組

選用便攜式蓄電池，同時(shí)可估算電池的容量，診斷電池的健康狀況。能對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)等操作。還可以與PC機(jī)進(jìn)行通訊，利用功能強(qiáng)大的后臺(tái)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作分析處理，為電池維護(hù)人員的后期維護(hù)提供依據(jù)。

3.2 充電電路

設(shè)計(jì)便攜式充電器和便攜式電源，進(jìn)行整體集成。便攜式蓄電池檢測(cè)儀可對(duì)蓄電池進(jìn)行在線測(cè)量，無(wú)需放電，安全性高，接線簡(jiǎn)單，操作方便。解決了電池維護(hù)人員電池維護(hù)難度大和風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題。充電電路采用橋式整流和濾波電路（圖3）。

3.3 基本功能

可測(cè)量單體電池的電壓、內(nèi)阻，連接條電阻、容量。通過(guò)故障報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池運(yùn)行故障。當(dāng)所檢測(cè)的內(nèi)阻和電壓超出設(shè)置的上限或低于下限時(shí)，儀器進(jìn)行聲音和文字報(bào)警提示。功耗低，充電電池供電，屏幕顯示供電電池電量，可連續(xù)工作6 h。

4 結(jié)語(yǔ)

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(wèn)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。設(shè)計(jì)優(yōu)良的機(jī)載用戶機(jī)便攜式電源是保障地空通信的基礎(chǔ)條件。

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