無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郭琪，童慶祥

（陽(yáng)春市氣象局，廣東陽(yáng)春 529600）

無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

郭琪，童慶祥

（陽(yáng)春市氣象局，廣東陽(yáng)春 529600）

簡(jiǎn)單介紹了無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景，無(wú)人機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單易學(xué)、成本低廉，且審批手續(xù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。因此在氣象監(jiān)測(cè)中可以利用無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)正好彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣象監(jiān)測(cè)手段的不足，以其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)快速的特點(diǎn)，為氣象監(jiān)測(cè)增加有效監(jiān)測(cè)手段。用較少的成本，將現(xiàn)有成熟的無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集，是氣象監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用合適的無(wú)人機(jī)載具。

應(yīng)用氣象；無(wú)人機(jī)；固定翼飛行器；氣象監(jiān)測(cè)

無(wú)人駕駛飛行器簡(jiǎn)稱“無(wú)人機(jī)”，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。從載具的類(lèi)型可以分為多旋翼飛行器、固定翼飛行器、垂直起降飛行器、飛艇、傘翼機(jī)等。一架可執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)應(yīng)該至少包含飛行載具、地面控制系統(tǒng)、飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)（飛控）、飛行數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)和任務(wù)功能模塊系統(tǒng)等。操作員通過(guò)地面控制系統(tǒng)直接操縱飛行載具起飛降落和執(zhí)行任務(wù)功能；飛行數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)是操作員的眼睛和耳朵，機(jī)載攝像頭和麥克風(fēng)的圖像聲音信號(hào)通過(guò)圖傳發(fā)射回地面的顯示屏，操作員根據(jù)顯示屏實(shí)現(xiàn)超視距實(shí)時(shí)操縱飛行器；飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)（飛控）是無(wú)人機(jī)的大腦，通過(guò)三軸陀螺儀和GPS的反饋信號(hào)輔助控制飛行載具的自動(dòng)平衡勢(shì)態(tài)和失控自動(dòng)返航功能；根據(jù)不同的任務(wù)需要，可以掛載不同的任務(wù)功能模塊，如小型化的高清攝像機(jī)航拍氣象環(huán)境，也可以是氣溫濕度等儀器測(cè)量指定空間的溫濕度，還可以攜帶播云催化劑實(shí)現(xiàn)人工影響天氣作業(yè)［1］。

隨著民用無(wú)人機(jī)技術(shù)的日新月異，利用現(xiàn)有成熟的無(wú)人機(jī)技術(shù)，以較低成本實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)服務(wù)于氣象應(yīng)用已成為可能。利用無(wú)人機(jī)搭載小型化的氣象應(yīng)用模塊，可實(shí)現(xiàn)多樣的氣象應(yīng)用功能，如在高山阻隔、突發(fā)自然災(zāi)害等特殊環(huán)境中，常規(guī)氣象監(jiān)測(cè)手段無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，如能利用航空遙控模型搭載小型化的氣象監(jiān)測(cè)儀器到達(dá)指定空域、完成常規(guī)監(jiān)測(cè)手段無(wú)法完成的任務(wù)，這將是氣象監(jiān)測(cè)手段的有益補(bǔ)充［2］。

1 無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景

1.1 無(wú)人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）技術(shù)先進(jìn)，機(jī)動(dòng)靈活。無(wú)人機(jī)是個(gè)航空的搭載平臺(tái)，可以靈活搭載各種小型化的氣象監(jiān)測(cè)模塊到達(dá)指定空間進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)站，無(wú)人機(jī)搭載的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加靈活機(jī)動(dòng)，適合應(yīng)對(duì)突發(fā)氣象應(yīng)急災(zāi)害事件的氣象要素監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)上的高清攝像機(jī)還能實(shí)時(shí)拍攝災(zāi)害環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)人員坐在應(yīng)急預(yù)警指揮中心就能實(shí)時(shí)監(jiān)控災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，就像長(zhǎng)了一雙千里眼。

2）操作簡(jiǎn)單易學(xué)。無(wú)人機(jī)首先是要操作員進(jìn)行遙控，就像汽車(chē)駕駛員一樣，要熟練掌握操控技術(shù)。但與真正的飛行員相比，無(wú)人機(jī)的操作員身體素質(zhì)不需要像飛行員那樣嚴(yán)格要求，就是十來(lái)歲的青少年都可熟練掌握無(wú)人機(jī)的操控技術(shù)。另外，無(wú)人機(jī)上還有飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是“飛控”。當(dāng)操控員開(kāi)啟“飛控”功能，飛控系統(tǒng)上自帶的GPS、氣壓高度計(jì)、陀螺儀等等，可以實(shí)現(xiàn)空中保持飛行狀態(tài)、飛行空間位置的記錄，還可以實(shí)現(xiàn)失控自動(dòng)沿原路徑返航的功能。所以相對(duì)于有人駕駛飛行器，無(wú)人機(jī)操作技術(shù)要簡(jiǎn)單很多。

3）成本低。近幾年，民用無(wú)人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，尤其是飛控的技術(shù)發(fā)展迅猛。飛控的種類(lèi)和功能越來(lái)越多，而因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)的原因，價(jià)格又越來(lái)越低。其它的相關(guān)配件，如電調(diào)、電機(jī)、舵機(jī)等等也都越來(lái)越便宜。

1.2 無(wú)人機(jī)審批手續(xù)簡(jiǎn)單

中國(guó)民航局于2016年1月20日發(fā)布《輕小型無(wú)人機(jī)運(yùn)行（試行）規(guī)定》，對(duì)于7 kg以下的無(wú)人機(jī)無(wú)需向空管部門(mén)申請(qǐng)空域?qū)徟绦?，不需要接入民航局的無(wú)人機(jī)云系統(tǒng)，只需要在無(wú)人機(jī)機(jī)身標(biāo)注型號(hào)、編號(hào)、所有者及聯(lián)系方式即可，也不需要裝上電子圍欄，只需要提前了解禁飛區(qū)即可。這無(wú)疑要比有人飛行器的相關(guān)審批手續(xù)簡(jiǎn)單得多。

1.3 無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的作用

航拍是現(xiàn)在民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用中最成熟的技術(shù)，小型運(yùn)動(dòng)高清攝像機(jī)航空拍攝到高清圖傳和麥克風(fēng)錄制的現(xiàn)場(chǎng)聲音，通過(guò)圖傳系統(tǒng)回傳給地面站操作員的監(jiān)視器上，可以及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情的實(shí)時(shí)音頻圖像資料。這是無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中最成熟的應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)的另一個(gè)作用就是搭載功能，無(wú)人機(jī)雖小，但能搭載一定質(zhì)量的負(fù)荷。一些小型化的氣象要素儀器可以通過(guò)無(wú)人機(jī)送到指定空間，可以通過(guò)圖傳系統(tǒng)的回傳功能把記錄到的氣象要素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送回地面監(jiān)視器上，也可以是氣象要素儀器自己記錄好數(shù)據(jù)后和無(wú)人機(jī)一起返回回收［2-4］。

無(wú)人機(jī)還有操作功能，地面控制站只需要3～5個(gè)信號(hào)通道就能完成無(wú)人機(jī)飛行的各種姿態(tài)控制，多出的信號(hào)通道可以完成觸發(fā)開(kāi)關(guān)的功能。這就能通過(guò)遙控觸發(fā)搭載的設(shè)備開(kāi)關(guān)，使其完成相應(yīng)的功能。如果無(wú)人機(jī)搭載的是播云催化劑的裝置，通過(guò)無(wú)人機(jī)送到指定空間，然后觸發(fā)開(kāi)關(guān)釋放，就能實(shí)現(xiàn)人工影響天氣作業(yè)的任務(wù)。

常規(guī)的氣象監(jiān)測(cè)手段有天基、空基、地基方式。天基有衛(wèi)星、空基有氣象飛機(jī)、地基有地面氣象站。衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)范圍很廣，但成本很高；氣象飛機(jī)可以靈活機(jī)動(dòng)，但空管審批需要提前，從而失去應(yīng)急的突發(fā)性要求；地面氣象站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但卻不夠靈活機(jī)動(dòng)。而無(wú)人機(jī)正好彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，以其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)快速的特點(diǎn)，可以為氣象監(jiān)測(cè)增加有效監(jiān)測(cè)手段［5-10］。

2 初步設(shè)計(jì)氣象監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)

用較少的成本，將現(xiàn)有成熟的無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集，是氣象監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)。

1）無(wú)人機(jī)載具的確定。

載具要求：能夠搭載101 g的GoPro 3高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)；續(xù)航時(shí)間10 min以上；飛行姿態(tài)平衡性穩(wěn)定、維護(hù)方便、成本低。

考慮各種無(wú)人機(jī)載具類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)和載具要求，最終確定：采用1.4 m上單翼雙發(fā)動(dòng)機(jī)固定翼機(jī)型做載機(jī)，命名為“雙發(fā)動(dòng)機(jī)微風(fēng)”機(jī)型［3］。電子系統(tǒng)使用2.4 GHz天地飛7通道遙控器，3S25C2200 mAh聚合物鋰電池供電，2個(gè)朗宇2 212～1 250 kV三相異步無(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)、1對(duì)皓業(yè)9047正反槳、2個(gè)好盈（天行者30 A）電調(diào)、4個(gè)銀燕ES08A航機(jī)，如圖1連接。

圖1 電子器件接線示意圖

2）首次飛行試驗(yàn)及驗(yàn)收。

2013年5月11日，陽(yáng)春多云、氣溫31℃、東南風(fēng)1級(jí)，試飛場(chǎng)地選在陽(yáng)春市東湖公園廣場(chǎng)內(nèi)。首先做地面調(diào)試：打開(kāi)天地飛7通遙控器，遙控器調(diào)到1頻道，然后接通載機(jī)電源進(jìn)行對(duì)頻操作，檢查各遙控按鍵是否正常，把各舵機(jī)微調(diào)到最佳角度，輕推油門(mén)檢查電機(jī)是否正常。一切正常后載機(jī)逆風(fēng)向進(jìn)入跑道，打開(kāi)GoPro 3高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)，輕推油門(mén)緩緩升空，待載機(jī)爬升到安全高度后，跟據(jù)風(fēng)對(duì)載機(jī)氣動(dòng)外型的實(shí)際影響再微調(diào)個(gè)舵機(jī)，使載機(jī)更好操控?？罩姓{(diào)試好后把載機(jī)飛近監(jiān)測(cè)目標(biāo)，調(diào)整飛行姿態(tài)使高清攝像機(jī)更好拍攝目標(biāo)地點(diǎn)。完成目標(biāo)監(jiān)測(cè)任務(wù)后，對(duì)準(zhǔn)跑道，控制高度，輕收油門(mén)，完成降落。

通過(guò)地面拉距測(cè)試和空中實(shí)測(cè)：搖控距離＞800 m、留空時(shí)間12 min，初步實(shí)現(xiàn)了：“將現(xiàn)有成熟的無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集”。氣象監(jiān)測(cè)圖像清晰，如圖2所示。

圖2 雙發(fā)微風(fēng)首飛航拍圖

隨著民用無(wú)人機(jī)技術(shù)越來(lái)越成熟，成本越來(lái)越低，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)廣泛服務(wù)于氣象應(yīng)用必將成為現(xiàn)實(shí)。

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A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.06.015

2016-08-20

郭琪（1982年生），男，本科，助理工程師，主要從事雷電防御工作。E-mail：23854337@qq.com。

郭琪，童慶祥.無(wú)人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.廣東氣象，2016，38（6）：64-66.