高空氣象組網(wǎng)探測管理系統(tǒng)

馬 林，孫寶京，高海峰，宋子明

(沈陽炮兵學院，遼寧 沈陽 110867)

高空氣象組網(wǎng)探測保障是一種新的軍事氣象保障形式，其通過中心站的指揮下，將多個氣象站部署于不同的探測陣地，運用高空氣象探測、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)實現(xiàn)大空間氣象要素的采集、傳輸和處理，以達到擴大氣象保障半徑、提高氣象保障精度、增強抗電磁干擾能力等目的，可為遠程火箭炮等分隊提供遠程精密氣象保障。中心站作為組網(wǎng)氣象保障的指揮機構(gòu)和數(shù)據(jù)交匯、融合處理終端，如果不能對高空氣象組網(wǎng)探測進行統(tǒng)一的管理和控制，那么將給氣象組網(wǎng)探測的指揮與決策、氣象數(shù)據(jù)融合權(quán)重評判、數(shù)據(jù)融合處理帶來很多不便。

為此，本文為高空氣象組網(wǎng)探測保障設(shè)計了一種組網(wǎng)探測管理系統(tǒng)，其主體部署在組網(wǎng)探測中心站，通過戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)完成指揮控制和信息交互，通過軍事地理信息系統(tǒng)(Military Geographic Information System，MGIS)［1］完成各氣象站坐標，以及各探空氣球的地面投影軌跡、高度、速度和方向等組網(wǎng)態(tài)勢的直觀顯示，通過數(shù)據(jù)融合和彈道氣象數(shù)據(jù)處理模型完成組網(wǎng)探測數(shù)據(jù)的精確融合處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

高空氣象組網(wǎng)探測管理系統(tǒng)具體功能如下。

1)對氣象組網(wǎng)探測各氣象站的單位、名稱、裝備類型、探空儀型號、經(jīng)緯度坐標等信息進行添加、刪除和修改管理;

2)向各氣象站下達各種命令，組織組網(wǎng)探測，接收各氣象站上報的陣地坐標以及氣象站狀態(tài);

3)實時接收各氣象站發(fā)送來的氣溫、氣壓、濕度、氣球方位角、仰角等探測數(shù)據(jù);

4)實時計算出各探空氣球地面投影的經(jīng)緯度坐標、高度、速度和方向等數(shù)據(jù)，并依托MGIS對各氣象站的陣地坐標、各探空氣球的地面投影軌跡、高度、速度和方向等組網(wǎng)態(tài)勢進行可視化顯示;

5)根據(jù)彈道和探空氣球軌跡確定數(shù)據(jù)融合權(quán)重，對不同氣象站的探測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合;

6)對融合后的探空和測風數(shù)據(jù)進行處理，計算出不同高度層的氣溫、氣壓、相對濕度、風向風速等氣象要素，并編寫氣象通報和探測報告。

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

高空氣象組網(wǎng)探測管理系統(tǒng)的總體框架依如圖1所示。在實施炮兵防空兵組網(wǎng)氣象保障時，指揮員在中心通過管理系統(tǒng)的組網(wǎng)指揮控制終端對各氣象站進行指揮部署，下達開設(shè)陣地的坐標。各氣象站分別到達指定陣地后，通過高空氣象探測雷達、無線電經(jīng)緯儀或高空探測車等高空氣象探測裝備跟蹤探空氣球攜帶的探空儀實施高空氣象探測。高空氣象探測過程中，各氣象站的高空氣象探測裝備實時測量探空儀所在空間位置的方位角、仰角等數(shù)據(jù)，實時接收探空儀測量的氣溫、氣壓、相對濕度等氣象要素，對以上數(shù)據(jù)進行編碼處理后，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，將數(shù)據(jù)通過戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到中心站，中心站的組網(wǎng)指揮控制終端對氣球軌跡數(shù)據(jù)進行實時計算處理后，通過MGIS提供的二次開發(fā)接口將各氣象站的陣地坐標和計算得到的不同時刻探空氣球的地面投影坐標、高度、速度、方向等數(shù)據(jù)進行可視化顯示。管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理終端實時確定不同彈道高度的數(shù)據(jù)融合權(quán)重，并對各氣象站的探測數(shù)據(jù)進行融合，最后對融合后的數(shù)據(jù)進行彈道氣象數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)框架

2 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

2.1 通信鏈路設(shè)計

目前，炮兵防空兵氣象站之間是依靠北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，但由于高空氣象探測獲取的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)率高、數(shù)據(jù)量大的特點，北斗通信無法滿足氣象站組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信需求。為解決通信鏈路問題，在炮兵防空兵高空氣象探測裝備上加裝戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備，依托戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)中心站與各氣象站的指揮命令分發(fā)和信息交互。

戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)是通過網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議(IP協(xié)議)將戰(zhàn)術(shù)無線電設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端及應(yīng)用系統(tǒng)等互連而成的面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的一體化戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，為戰(zhàn)場各類傳感器系統(tǒng)、武器平臺系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)提供信息傳輸與交換的公共平臺［2］，包括無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)。高空氣象組網(wǎng)探測中，依托用戶節(jié)點車提供的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)本地服務(wù)，采用超短波電臺和通信控制設(shè)備構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)進行中心站指揮命令的分發(fā)和各氣象站陣地坐標、氣象站狀態(tài)的上報;采用被覆線和有線遠傳設(shè)備構(gòu)成的有線通信網(wǎng)絡(luò)進行各氣象站探測數(shù)據(jù)的上報匯交。有線通信鏈路如圖2所示。

圖2 有線通信鏈路示意圖

2.2 探空氣球坐標變換方法

高空氣象探測裝備探測所得的探空氣球坐標是以高空氣象探測裝備坐標為原點的站心極坐標數(shù)據(jù)，對于高空氣象探測雷達而言，坐標形式為(α，β，L)，對于無線電經(jīng)緯儀等無源探測裝備而言，坐標形式為(α，β，H)，其中α為仰角，β為方位角，L為斜距離，H為氣球在地心坐標系中的位勢高度。因為在電子地圖上進行探空氣球定位和軌跡繪制使用大地經(jīng)緯度坐標，所以中心站需要對接收到的數(shù)據(jù)進行坐標變換，轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯高坐標后再進行顯示［3］。

文獻［3］給出了(α，β，L)形式的站心極坐標換為經(jīng)緯高坐標的方法，高空氣象探測雷達探測所得數(shù)據(jù)可直接利用該方法進行坐標變換。對于無線電經(jīng)緯儀等無源探測裝備而言，由于其無法直接測量氣球的斜距，所以需要通過計算推導(dǎo)出斜距，將坐標轉(zhuǎn)換為(α，β，L)形式后，再變換為經(jīng)緯高坐標。

在無線電經(jīng)緯儀實施高空氣象探測過程中，探空氣球在某一時刻的空間位置如圖3所示。

圖3 氣球坐標示意圖

圖3中，D為氣球在空中的位置，A為無線電經(jīng)緯儀天線旋轉(zhuǎn)中心位置，O為地心，h為無線電經(jīng)緯儀所在位置的海拔高度，α為無線電經(jīng)緯儀所測氣球仰角，L為斜距離。AB弧線為海拔高度h的等高線，r為地心至海平面位置的地球半徑，OA和OB同為地球半徑與海拔高度之和，設(shè)其值為R，則R=r+h。

無線電經(jīng)緯儀提供的氣球高度，是利用壓高公式計算所得的D點到B點的位勢高度Z。位勢高度的單位為位勢米，它與幾何高度H的關(guān)系為［4］

式中，g為重力加速度;g0為平均重力加速度;φ為緯度;R為地球半徑;Z為位勢高度。

由式(1)可得

由式(2)可以將位勢高度Z轉(zhuǎn)換為D點到B點的幾何高度H。

在直角三角形ΔOCD中，OD2=CD2+OC2，即(H+R)2=(L·cosα)2+(R+L·sinα)2

從而得出L的計算公式為

由式(3)，根據(jù)幾何高度H、仰角α及地球半徑即可計算出探空氣球與無線電經(jīng)緯儀之間的斜距L，再根據(jù)文獻［3］給出的方法將(α，β，L)形式的站心極坐標換為經(jīng)緯高坐標。

2.3 數(shù)據(jù)融合權(quán)重確定

數(shù)據(jù)融合權(quán)重主要取決于射彈在某高度出現(xiàn)在某站保障區(qū)域的概率大小。在實施組網(wǎng)保障時，可根據(jù)組網(wǎng)管理系統(tǒng)提供的探空氣球軌跡和炮陣地——目標連線確定各氣象站探測數(shù)據(jù)在不同時刻、不同高度的融合權(quán)重。

式中，yi為氣象站i在某高度層上的氣象要素數(shù)據(jù)，如氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、虛溫偏差量、空氣密度偏差量等，ys為某高度層上各氣象站在空間上融合后的氣象要素信息。

2.4 彈道氣象數(shù)據(jù)處理模型構(gòu)建

從20世紀50年代至今，氣象保障一直使用傳統(tǒng)的59-701系統(tǒng)的計算方法［5］，此種處理算法犧牲了計算的精度來提高作業(yè)的速度，以滿足現(xiàn)階段實時氣象保障的需要。

針對測風數(shù)據(jù)處理，采用滑動矢量平均方法，將滑動窗口內(nèi)的測風數(shù)據(jù)一起進行計算，在計算每個采樣點氣球在站心坐標平面的高度和水平距離以后，求取風在南北和東西方向上矢量分量，在對滑動窗口中所有風矢量分別取平均值后，再計算該窗口中間時刻的風向風速值。然后以1s為單位滑動窗口，直至探測的最后一組數(shù)據(jù)。

由于高空溫度、氣壓、濕度隨高度的變化是連續(xù)的，通常認為其變化率不存在突變。針對這一特點，并結(jié)合埃爾米特插值多項式不但滿足插值多項式節(jié)點的函數(shù)值與被插函數(shù)的函數(shù)值相等，而且插值函數(shù)與被插函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的值也相等的數(shù)學特性［6］，系統(tǒng)采用埃爾米特插值算法實現(xiàn)不同高度氣溫、氣壓、相對濕度等探空數(shù)據(jù)的計算。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

該系統(tǒng)采用Visual C++作為開發(fā)工具，對組網(wǎng)指揮控制終端和數(shù)據(jù)融合處理終端進行開發(fā)。組網(wǎng)指揮控制終端利用MGIS提供的C++類庫和ActiveX組件庫實現(xiàn)電子地圖的操作、氣象站陣地坐標的顯示和探空氣球軌跡描繪等功能。組網(wǎng)指揮控制終端主界面如圖4所示。

圖4 組網(wǎng)指揮控制終端界面

組網(wǎng)指揮控制終端采用單文檔模式，在文檔界面中進行電子地圖的顯示和組網(wǎng)指揮等相關(guān)操作，在菜單欄和工具欄提供了地圖操作、臺站管理、軌跡顯示等功能，在狀態(tài)欄中提供了經(jīng)緯度顯示功能。數(shù)據(jù)融合處理終端主界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合處理終端界面

數(shù)據(jù)融合處理終端分為4個顯示區(qū)域，左上區(qū)域顯示融合后的探空數(shù)據(jù)，左下區(qū)域顯示融合后的測風數(shù)據(jù)、右上區(qū)域顯示探空曲線、右下區(qū)域顯示測風曲線。并且在工具欄和菜單欄中提供了參數(shù)錄入、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)計算和成果查詢等功能。

4 結(jié)束語

本文采用MGIS、戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合、彈道氣象數(shù)據(jù)精密處理等技術(shù)，設(shè)計了集組網(wǎng)態(tài)勢顯示、組網(wǎng)指揮管理、多站氣象數(shù)據(jù)融合、彈道氣象數(shù)據(jù)處理等功能于一體的高空氣象組網(wǎng)探測管理系統(tǒng)，對實現(xiàn)高空氣象組網(wǎng)探測指揮決策的科學化和智能化，數(shù)據(jù)處理的科學化和精密化具有重要意義。

［1］ 修義瑞，李斌，劉忠.基于MGIS的海洋站實況顯示系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.海洋測繪，2009，29(4):64-66.

［2］ 張維，賈愛梅.戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)在機動式指揮所中的組織應(yīng)用研究［J］.艦船電子工程，2013，33(10):11-12.

［3］ 王凌艷，王志清，霍爍爍，等.基于MGIS的飛行器航跡數(shù)字化可視平臺設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2013，41(6):66-70.

［4］ 楊濤，曹銳，王明海.彈道導(dǎo)彈再入段大氣參數(shù)修正［J］.彈箭與制導(dǎo)學報，2009，29(3):166-168.

［5］ 吳泓，李永，鄭清華，等.改進高空測風算法的試驗［J］.氣象科學，2011，31(1):113-118.

［6］ 軼名.Matlab數(shù)值分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.