無人機(jī)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

毛文軍

(溫嶺市氣象局，浙江 溫嶺 317500)

無人機(jī)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

毛文軍

(溫嶺市氣象局，浙江 溫嶺 317500)

對氣象的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)離不開大量的觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)越多越全面，時(shí)效性和準(zhǔn)確性越高，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性也會越高。按傳統(tǒng)的探測區(qū)域劃分，氣象探測主要包括地面觀測和高空探測。地面自動氣象站和氣象應(yīng)急保障車等設(shè)施覆蓋地面氣象探測，人造衛(wèi)星影像和高空探測氣球等技術(shù)覆蓋高空探測領(lǐng)域。而對1 km高度范圍內(nèi)的低空氣象探測還處于發(fā)展階段。觀測方法、觀測技術(shù)的進(jìn)步緊隨現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展。近年來低空飛行設(shè)備技術(shù)的不斷成熟給氣象觀測、氣象服務(wù)能力的提高帶來了機(jī)遇。本文探討了將氣象探測設(shè)備和無人機(jī)相結(jié)合，利用無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)，不受地域限制和成本優(yōu)勢，更好地應(yīng)用于現(xiàn)代氣象服務(wù)。

氣象探測技術(shù)，氣象服務(wù)，無人機(jī)

0 引 言

氣象與民生、國家安全有著不可分割的聯(lián)系。提高氣象對國家公共安全、軍事安全、生態(tài)安全、資源安全等各方面的服務(wù)水平，必須加強(qiáng)氣象及相關(guān)災(zāi)害的監(jiān)測，及時(shí)獲得更加準(zhǔn)確的氣象資料。氣象觀測業(yè)務(wù)提供的大量觀測資料可以直接為國家安全各部門服務(wù)，是國家安全保障的依據(jù)，天氣雷達(dá)、地基遙感探測可以直接為軍事安全提供服務(wù)，地基氣象觀測能夠?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)決策和實(shí)施保障國家安全的措施提供有力支持。

按傳統(tǒng)的探測區(qū)域劃分，氣象探測主要包括地面觀測和高空探測。其中，地面氣象觀測是根據(jù)所調(diào)查地面氣象觀測站的類別，并遵循先基準(zhǔn)站、次基本站、后一般站的原則，收集每日實(shí)際逐次觀測資料。觀測資料的常規(guī)調(diào)查項(xiàng)目包括：時(shí)間(年、月、日、時(shí))、風(fēng)向(以角度或按16個(gè)方位表示)、風(fēng)速、干濕球溫度、低云量、總云量。根據(jù)不同評價(jià)等級預(yù)測精度要求及預(yù)測因子特征，可選擇調(diào)查的觀測資料的內(nèi)容：濕球溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度、降水量、降水類型、海平面氣壓、觀測站地面氣壓、云底高度、水平能見度等。高空氣象探測則借助于高空氣象觀測借助儀器對自由大氣中各高度的氣象狀況進(jìn)行觀察和測定。觀測項(xiàng)目有空氣溫度、濕度、氣壓和風(fēng)等，還有一些特殊項(xiàng)目，如大氣成分、臭氧、輻射等。

氣象探測的發(fā)展離不開氣象探測技術(shù)的進(jìn)步。現(xiàn)代氣象測量方式多種多樣，各種測風(fēng)雷達(dá)、無線電經(jīng)緯儀、激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、風(fēng)廓線雷達(dá)及其地基、空基遙感和導(dǎo)航衛(wèi)星信號反演大氣參數(shù)的技術(shù)發(fā)展迅速，大大擴(kuò)展了高空探測的領(lǐng)域。氣象探測的發(fā)展更離不開承載這些探測儀器的運(yùn)載工具或平臺。氣象預(yù)報(bào)的進(jìn)步主要是圍繞著空間范圍的拓展，時(shí)空分辨率和準(zhǔn)確度的提高展開的。其中觀測空間范圍的拓展能夠顯著提高氣象觀測的準(zhǔn)確性和觀測維度，同時(shí)也對氣象儀器設(shè)備進(jìn)入觀測空間有很高的要求。最原始的移動氣象臺一般由通信指揮和車載雷達(dá)兩部分組成，在防御氣象災(zāi)害和突發(fā)氣象事件應(yīng)急處理方面提供著重要的氣象支持。基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的移動氣象探測技術(shù)包括氣象氣球，氣象飛機(jī)、氣象火箭、以及氣象衛(wèi)星等。

1 氣象探測技術(shù)的發(fā)展

1941—1942年，出現(xiàn)了專門的云雨雷達(dá)。1960年4月，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯-1號。上世紀(jì)60年代以來，聲雷達(dá)、激光雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)的研制與試驗(yàn)成功，拓展了獲取高空三維空間氣象信息的手段。國際先進(jìn)的高空氣象探測裝備包括氣象無人機(jī)、無線電經(jīng)緯儀、下投式探空測風(fēng)系統(tǒng)、外軍氣象雷達(dá)、GPS 探空測風(fēng)系統(tǒng)以及掩星大氣探測系統(tǒng)等。由于具有全天候、不受天氣變化的影響，GPS系統(tǒng)在氣象上的應(yīng)用成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。GPS即全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)具有在海陸空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)。傳統(tǒng)的采集氣象數(shù)據(jù)來測量大氣水汽的手段主要包括無線電氣象探空儀、微波輻射計(jì)(microwave radiometer)和氣象衛(wèi)星。由于各方面的限制，已不能滿足當(dāng)今各種天氣和氣候應(yīng)用的需要。GPS氣象學(xué)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是利用GPS系統(tǒng)定位衛(wèi)星所發(fā)出的電磁波在空中收水汽等折射所造成的延遲來遙測大氣氣象要素，包括溫度和濕度的垂直分布，典型的應(yīng)用包括GPS-LEO掩星大氣探測系統(tǒng)；另一方面是GPS探空設(shè)備，GPS在氣象探空中主要是提供探空氣球的高精度三維位置信息，推算出不同高度的風(fēng)速和風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)高空測風(fēng)。結(jié)合溫度、濕度和壓力傳感器，能夠得到不同高度層的溫度、濕度數(shù)據(jù)和不同等壓面的風(fēng)速和風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)氣象探空。

為了觀測大氣層各高度上的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等要素，傳統(tǒng)的方法是將觀測儀器配置無動力升空設(shè)施，通常是氣象氣球，用橡膠或聚脂薄膜材料制成球皮，充以比空氣密度小的氫氣或氦氣，用以攜帶儀器升空，進(jìn)行高空氣象觀測的平臺。用橡膠或塑料等材料制成球皮，充以氫、氦等比空氣輕的氣體，攜帶儀器升空，進(jìn)行高空氣象觀測的觀測平臺。它具有廉價(jià)無動力升高的特點(diǎn)。將無線電探空儀隨氫氣球升入高空，并將所測的各高度上的氣象要素通過儀器上的無線電發(fā)報(bào)機(jī)將氣象要素信息傳回地面，由地面收報(bào)機(jī)接收，從而獲得高空氣象資料的一種裝置。它體積小巧，觀測簡便，探測結(jié)果可靠，探測高度一般達(dá)到10～15 km，因而很快成為高空氣象觀測普遍使用的工具。后來進(jìn)一步發(fā)展到用定高氣球、飛機(jī)、氣象火箭下投降落氣象儀器。

用飛機(jī)攜載氣象儀器對大氣進(jìn)行探測可為日常天氣分析預(yù)報(bào)和各種規(guī)模的氣象試驗(yàn)活動提供大量探測數(shù)據(jù)，尤其是在海洋或地面臺站稀少地區(qū)。氣象飛機(jī)的機(jī)種要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)來選擇。遠(yuǎn)程大中型機(jī)適用于探測臺風(fēng)、強(qiáng)風(fēng)暴等天氣系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；中小型機(jī)、裝甲機(jī)和直升飛機(jī)等適用于中小尺度天氣系統(tǒng)和云霧物理的探測；民航飛機(jī)可兼作航線氣象觀測；U-2型等高空偵察機(jī)可用于高層大氣的探測。

氣象火箭探測的應(yīng)用，可以將探測高度擴(kuò)展到100 km。美國于1960年4月1日發(fā)射的第一顆氣象衛(wèi)星TRISO-1，并且在90年代建立了由極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星組成的全球觀測網(wǎng)，氣象衛(wèi)星在觀測技術(shù)、業(yè)務(wù)化和應(yīng)用等方面取得了長足的進(jìn)步。

2 低空無人機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

盡管我們?nèi)祟愐呀?jīng)掌握了各種科技手段來觀測地球，包括在太空有超過一千顆工作中的人造衛(wèi)星，但是對于氣象、地質(zhì)、航空、海洋等掌握的數(shù)據(jù)仍然十分有限。無人機(jī)的物料成本以及發(fā)射和運(yùn)營成本遠(yuǎn)低于衛(wèi)星，訊號失聯(lián)較少，運(yùn)載量較高，具備持續(xù)動力，可執(zhí)行多種任務(wù)。得益于技術(shù)進(jìn)步和資本推動，近年來消費(fèi)級無人機(jī)呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展，中國深圳的大疆占據(jù)著全球消費(fèi)級無人機(jī)市場70%的份額，在航拍、貨物遞送、戶外急救等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。然而，由于電池續(xù)航瓶頸約束，當(dāng)前無人機(jī)在空中停留時(shí)間在15～20 min，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。由光啟研發(fā)的U-1懸浮站在多個(gè)功能上都有無人機(jī)有重疊，U-1的核心設(shè)計(jì)理念集中體現(xiàn)在其超長的駐空懸停時(shí)間和超強(qiáng)的載荷搭載能力，其有效航時(shí)可長達(dá)10 h，產(chǎn)品尺寸在5～15 m之間實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)，可搭載10～100 kg載荷。U-1在設(shè)計(jì)上極其強(qiáng)調(diào)平臺的應(yīng)用適配性，能夠在眾多領(lǐng)域提供全方位、多元化服務(wù)，包括邊境巡邏、海上應(yīng)用、森林防護(hù)、自動化放牧、賽事直播、交通檢測、巡邏等專業(yè)化等行業(yè)應(yīng)用。

使用無人機(jī)進(jìn)行氣象探測需要無人機(jī)和地面站進(jìn)行有效配合。無人機(jī)有以下幾個(gè)必要參數(shù)：1)無人機(jī)飛行平臺包括機(jī)體、動力和操縱控制系統(tǒng)，用于產(chǎn)生無人機(jī)飛行所需的升力、推力和保障飛行的其他機(jī)載設(shè)備；2)無人機(jī)導(dǎo)航，正確的引導(dǎo)無人機(jī)沿著預(yù)定的航線，以要求的精度，在指定的時(shí)間內(nèi)將其引導(dǎo)至目的地?，F(xiàn)已使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和我國的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；3)任務(wù)載荷設(shè)備系統(tǒng)是指無人機(jī)用來執(zhí)行指定任務(wù)使用的各種設(shè)備，是真正完成指定任務(wù)必須依托無人機(jī)上的任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)；4)機(jī)載通信設(shè)備和地面站組成的數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)傳輸方向的不同，可以分為上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地面站至無人機(jī)的遙控指令的發(fā)送和接收；下行鏈路主要完成無人機(jī)至地面終端的遙測數(shù)據(jù)以及載荷數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的控制部分，負(fù)責(zé)整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，包括1)任務(wù)的規(guī)劃功能。制定飛行計(jì)劃，圍繞飛行計(jì)劃利用導(dǎo)航和定位功能對無人機(jī)的飛行航跡進(jìn)行有效規(guī)劃；2)在飛行過程中對無人機(jī)進(jìn)行操作，在飛行過程中向無人機(jī)傳遞航線數(shù)據(jù)、監(jiān)視無人機(jī)的位置、控制無人機(jī)的姿態(tài)、控制有效載荷的工作等。

3 無人機(jī)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

國外利用氣象無人機(jī)已經(jīng)有十多年的歷史，但集中于研究探索領(lǐng)域，和大規(guī)模的氣象服務(wù)相去甚遠(yuǎn)。美國能源部、國家科學(xué)基金會和科羅拉多大小于1999—2005年期間多次進(jìn)行北極地區(qū)氣象和生物觀測。為了調(diào)查東太平洋熱帶氣旋生成源地,2005年美國國家航空航天局與哥斯達(dá)黎加合作,開展熱帶云系生產(chǎn)過程研究,完善熱帶氣旋生成模式。美國海洋大氣局大西洋氣象實(shí)驗(yàn)室用氣象無人機(jī)對Ophelia颶風(fēng)進(jìn)行了長時(shí)間的觀測飛行。Aerosonde無人機(jī)公司與日本氣象廳合作利用無人機(jī)在日本南部開展鋒面降水系統(tǒng)研究，驗(yàn)證和改進(jìn)非流體靜力模型。

近年來，國內(nèi)的低空氣象服務(wù)開始得到人們的關(guān)注，并且開始嘗試改造和利用無人機(jī)服務(wù)于氣象現(xiàn)象的觀測。由沈陽航天新光集團(tuán)和裝備指揮技術(shù)學(xué)院共同研制的TF-1無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行區(qū)域內(nèi)的溫度、相對濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象參數(shù)的測量任務(wù)[1]。森林火災(zāi)是世界性的林業(yè)重要災(zāi)害之一，將無人機(jī)部署到人、車無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火情，迅速掌握林火態(tài)勢和各種需要的信息。無人機(jī)顯示出有人機(jī)無法比擬的優(yōu)越性，在森林防火監(jiān)測中必將被廣泛應(yīng)用[2]。將無人機(jī)搭載紅外熱像儀就能利用紅外熱像儀無需光源就生成鮮明的圖像、可穿透薄霧和煙霧的特點(diǎn)，全天候不間斷遠(yuǎn)程監(jiān)控森林火災(zāi)隱情。上海交大從2011年至今使用無人機(jī)進(jìn)行城市霧霾三維分布的濃度探測。國內(nèi)當(dāng)前對大氣污染的檢測主要集中在地面，屬定點(diǎn)探測，一方面無法了解高空霧霾分布，另一方面難以獲知外地霧霾輸送情況。如果使用過載人飛機(jī)、探空氣球、衛(wèi)星遙感等非常規(guī)觀測手段，然而成本高、可控性弱，未能廣泛使用。將便攜式的檢測設(shè)備裝載在無人機(jī)上能以較低的成本實(shí)現(xiàn)從地面到高空、從此地到彼地的全方位檢測。利用此方法獲取的霧霾觀測數(shù)據(jù)能解釋周邊城市污染物是如何輸送至某一地點(diǎn)的、為何不同時(shí)間段大氣污染程度不一、大氣污染物的來源、不同城區(qū)之間的大氣污染程度為何會有差異等問題，最終為城市治霾策略提供更精準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)。

良好的飛行氣象服務(wù)通過各種氣象產(chǎn)品的發(fā)布，使用戶準(zhǔn)確理解和運(yùn)用氣象信息，從而達(dá)到用戶經(jīng)濟(jì)效益最大化和資源配置有效化。然而由于我國低空空域仍處于管制階段，通航發(fā)展受到了較大局限。從通航運(yùn)營的現(xiàn)有數(shù)據(jù)上看，航空器與企業(yè)數(shù)量的增長高于飛行時(shí)間，說明有大量的生產(chǎn)資料不能投入運(yùn)營。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)主要構(gòu)成要素仍然缺失：空域資源使用受限；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后；專業(yè)技術(shù)以及經(jīng)營管理人員缺乏；保障體系；飛機(jī)的引進(jìn)注冊維修等受實(shí)際限制。為了明確了低空空域管理改革的具體措施，國務(wù)院、中央軍委印發(fā)了《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》。

4 結(jié) 語

無人機(jī)低空探測系統(tǒng)對于沙漠、山區(qū)、海洋等傳統(tǒng)手段難以獲取相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的地區(qū)，在大區(qū)域、長時(shí)間測量氣象參數(shù)時(shí)，使用無人機(jī)氣象探測更節(jié)約經(jīng)濟(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣象無人機(jī)將向低成本、多功能、長航時(shí)、模塊化、通用化、智能化的方向發(fā)展。經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展對氣象預(yù)報(bào)提出了更高的要求，氣象觀測是氣象預(yù)報(bào)服務(wù)的基礎(chǔ)，利用無人機(jī)氣象系統(tǒng)進(jìn)行氣象觀測必將對社會公共服務(wù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

[1] 沈懷榮，邵瓊玲，王盛軍，等，飛行器氣象探測技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2] 崔新宇，劉艷萍.《關(guān)于無人機(jī)在森林防火監(jiān)測方面的探究》[J].科技與創(chuàng)新，2014(7)：128-130.

2016-04-11