多要素氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

(廣州市氣象局，廣州 511430)

0 引言

我國是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，尤其是氣象災(zāi)害約占各類自然災(zāi)害的70%以上，因此，必須加強(qiáng)氣象觀測及相關(guān)災(zāi)害的預(yù)警體系建設(shè)，盡可能獲得更加全面和精確的氣象資料，為防御氣象災(zāi)害和突發(fā)氣象事件應(yīng)急預(yù)警提供有力支持。傳統(tǒng)的氣象觀測通常包括高空觀測和地面觀測。其中，高空觀測主要是指基于氣象衛(wèi)星、探空氣球、氣象飛機(jī)、氣象火箭等平臺，利用觀測儀器對大氣中各個高度的氣象狀況進(jìn)行探測；地面觀測則主要指基于地面氣象觀測站，利用觀測儀器，如氣溫計、雨量計、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計、激光雷達(dá)等，每日逐次不間斷的收集觀測資料。由于各種觀測方式的觀測范圍、精確度、時效性、連續(xù)性等均有不同，因此又具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，隨著計算機(jī)、無人駕駛、智能控制、傳感器和氣象觀測等技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和國內(nèi)低空空域的開放，民用無人機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用開始日益普及和成熟，使利用無人機(jī)服務(wù)于氣象觀測成為可能。由于其具有體積小、重量輕、易拆卸、使用靈活、精度高、成本低等各種優(yōu)點[1]，如能搭載合適的氣象觀測設(shè)備，則有可能為我們開展大城市小尺度精細(xì)化氣象觀測提供一種有效的手段和平臺，彌補(bǔ)衛(wèi)星觀測、高空觀測、地面觀測等傳統(tǒng)氣象觀測手段通常只適用于監(jiān)測較大范圍時間和空間尺度天氣系統(tǒng)的不足，為開展低空氣象探測技術(shù)研究、大城市精細(xì)化氣象預(yù)報、應(yīng)急救災(zāi)[2-3]、大氣污染研究、城市規(guī)劃論證、交通旅游服務(wù)以及氣象科普宣傳等應(yīng)用提供有效的技術(shù)支撐。

國外對于氣象觀測無人機(jī)的研究，主要集中在研究探索領(lǐng)域，起步較早的如澳大利亞Aerosonde公司在1997年就發(fā)布了固定翼氣象無人機(jī)并在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，美國、日本等國科學(xué)家先后利用該飛機(jī)成功進(jìn)行過低空氣象[4]和臺風(fēng)觀測試驗，如美國海洋大氣局大西洋氣象實驗室用該無人機(jī)對奧費利婭(Ophelia)颶風(fēng)進(jìn)行了長時間的觀測飛行[5]。我國自1997年起，在這方面也作了大量工作，并取得一定成效，如沈陽航天新光集團(tuán)和裝備指揮學(xué)院就共同研制了代號“TF-1”的氣象探測無人機(jī)系統(tǒng)，可完成預(yù)定飛行區(qū)域內(nèi)的大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等要素的測量任務(wù)。2008年7月，中國大陸首次利用無人機(jī)探測方式對臺風(fēng)“海鷗”進(jìn)行了探測，飛行時間3小時，高度500 m，距風(fēng)眼最小距離100 km，獲取了90%以上氣象要素資料。但是，目前已有的氣象觀測無人機(jī)研究主要集中于固定翼、長航時、遠(yuǎn)距離中小型無人機(jī)平臺，這類無人機(jī)平臺在沙漠、高山、海洋、冰川等人員難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)和危險地區(qū)適用性較好，特別適用于臺風(fēng)、洪澇等突發(fā)性自然災(zāi)害的特殊環(huán)境中，但也存在著起降條件要求高、操控專業(yè)性強(qiáng)、難以進(jìn)行垂直觀測等不利因素，影響了其適用范圍。而近年來，隨著微小型無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，特別是多旋翼無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，為我們開展氣象觀測無人機(jī)技術(shù)研究開辟了一條新的途徑，利用搭載各類氣象載荷的多旋翼無人機(jī)起降靈活、操控簡單、自由懸停、成本較低等特點，可為我們開展大城市小尺度精細(xì)化垂直氣象觀測及其時空演變研究，建立城市冠層氣象觀測體系，提供一種全新高效的平臺[6-7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于多旋翼無人機(jī)的多要素氣象觀測系統(tǒng)與其他類型的無人機(jī)系統(tǒng)相比，其外觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域、性能指標(biāo)均有所不同，但從系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，它同時也符合一個典型的無人機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，如圖1，主要包括無人機(jī)平臺、氣象觀測載荷、地空通信模塊、地面站系統(tǒng)等部分[8]。

圖1 多要素氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)組成

其中，無人機(jī)平臺是整個氣象探測系統(tǒng)的工作平臺，采用GPS+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有自動導(dǎo)航、自動/手動駕駛功能，能在飛控系統(tǒng)控制下完成預(yù)定航線飛行，并實時傳送飛參和探測數(shù)據(jù)。氣象觀測載荷由各類氣象探測傳感器及定制開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊組成，用于氣溫、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向、氣壓、顆粒物濃度等氣象要素數(shù)據(jù)的收集和解析。地空通信模塊主要負(fù)責(zé)通過2.4 GHz無線信道上傳地面控制指令和下傳飛機(jī)飛行狀態(tài)參數(shù)及氣象探測數(shù)據(jù)。地面站主要包括遙控設(shè)備、平板和狀態(tài)監(jiān)控軟件、觀測數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 無人機(jī)平臺

考慮到城市精細(xì)化小尺度氣象觀測的使用需求，多要素氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)選用可折疊六旋翼無人機(jī)平臺(圖2)，該平臺是一種十分成熟的機(jī)型，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性高、噪音小，具備一定抗風(fēng)和抗惡劣環(huán)境能力，最大有效載荷可達(dá)16 kg，由6組電機(jī)提供動力冗余，在單個電機(jī)或旋翼故障時，飛控仍然可以通過調(diào)整各電機(jī)輸出維持飛機(jī)的平衡和控制。

其機(jī)身部分采用碳纖維材料，電機(jī)座連接件采用鋁合金制作，配合防滑螺帽鎖定，從而在降低機(jī)體重量的前提下，取得了較高的機(jī)械強(qiáng)度。動力系統(tǒng)則使用2組12 V鋰電池(16000 mah)并聯(lián)進(jìn)行供電，通過六組外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī)驅(qū)動螺旋槳獲得足夠升力。飛控系統(tǒng)則由飛行控制器、姿態(tài)傳感器和GPS定位系統(tǒng)組成，可支持預(yù)定航線自動飛行和完全手動控制飛行。

圖2 六旋翼無人機(jī)平臺

無人機(jī)平臺主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 無人機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 氣象載荷

氣象載荷是無人機(jī)上用來完成氣象觀測任務(wù)使用的各種設(shè)備，是整個氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)最核心的組成部分。主要由溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、顆粒物濃度傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，其工作原理如圖3，數(shù)據(jù)采集模塊采集到氣象傳感器數(shù)據(jù)后，通過飛控數(shù)據(jù)傳輸接口使用2.4 GHz無線信道回傳到地面遙控器中，經(jīng)過初步處理后再通過Google的AOA技術(shù)，將數(shù)據(jù)字節(jié)傳輸?shù)降孛嬲続PP軟件進(jìn)行解析處理、校正糾偏并封裝成Json指定格式的字符串通過Http協(xié)議以Post形式提交到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，最終通過觀測數(shù)據(jù)展示平臺實時顯示。

圖3 數(shù)據(jù)流圖

由于氣象傳感器性能好壞直接關(guān)系到觀測任務(wù)完成質(zhì)量，通過調(diào)研論證，溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向測量選用德國Lufft公司的WS800一體化氣象站完成，該組件結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，集成多種氣象要素傳感器，尤其是使用超聲波測風(fēng)技術(shù)、MEMS電容測壓技術(shù)、NTC熱敏電阻測溫技術(shù)、電容式測濕技術(shù)，僅重1.5 kg，適于通過固定支架安裝于無人機(jī)上。通過基于Spalart-Allmaras模型對多旋翼無人機(jī)的流場仿真計算可得出，在無人機(jī)中心軸上氣體流動較為平緩，且上方氣流強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于下方，對傳感器測量干擾最小。因此，在保證無人機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，將氣象傳感器安裝于旋翼無人機(jī)安裝于中心軸上方更適合傳感器測量，使其盡可能不會受到無人機(jī)飛行時螺旋槳擾動氣流影響[9]。顆粒物濃度測量則選用德國Grimm公司的11-E迷你激光粒徑譜儀完成，其基于散射光測量技術(shù)，可獲得空氣中粒徑0.25 μm到32 μm的顆粒物分布數(shù)據(jù)，僅重1.7 kg，適于安裝于所選無人機(jī)機(jī)身內(nèi)部，并且為保證儀器測量準(zhǔn)確性，將探頭引出至中心軸上部支架以采集空氣樣本。

整個氣象載荷主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 氣象載荷主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個氣象觀測無人機(jī)的重要模塊，負(fù)責(zé)完成讀取、解析、回傳機(jī)載氣象傳感設(shè)備和顆粒物濃度傳感設(shè)備的探測數(shù)據(jù)，同時還要為各傳感設(shè)備和其他器件供電，以及檢測實時電壓。因此，其主要由數(shù)據(jù)處理芯片、數(shù)據(jù)回傳接口、數(shù)據(jù)讀取接口、電源模塊和電壓檢測模塊幾個部分組成。由于氣象傳感器采集數(shù)據(jù)的讀取與解析需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，故數(shù)據(jù)處理芯片選用了運(yùn)算性能較強(qiáng)的意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6低功耗嵌入式微控制器開發(fā)[10]，該處理器是針對低功耗和低成本應(yīng)用而設(shè)計的高集成度32位嵌入式微控制器，采用了當(dāng)前最為流行ARMCortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率在72 MHz，內(nèi)部4個16位定時器，最多可產(chǎn)生16路獨立的PWM、2個12位精度A/D轉(zhuǎn)換器，集成有各種通信接口(UART，SPI，I2C，SDIO)，完全能夠滿足本設(shè)計的基本要求。數(shù)據(jù)回傳接口即使用該處理器自帶USART異步串口開發(fā)，配合外圍通訊接口芯片SP3485和MAX3232,通過RS-485接口和RS-232接口每隔6 s分別采集、解析一次WS800和11-E的傳感器數(shù)據(jù)。電源模塊使用TPS54560、TPS54260、AMS1117-3.3作為電源芯片，其中TPS54560電源芯片為氣象傳感設(shè)備和顆粒物濃度傳感設(shè)備提供12V直流電源，TPS54260電源芯片向LM358等IC提供5 V電源，而AMS1117-3.3為STM32F103RCT6處理器提供3.3 V電源。電壓檢測模塊則使用LM358運(yùn)放芯片對電池電壓進(jìn)行采樣，使處理器能夠?qū)崟r讀取電池電壓。

由于處理器運(yùn)行的是微型操作系統(tǒng)μC/OS-III，同時啟動了兩個任務(wù)分別處理氣象傳感器數(shù)據(jù)和顆粒物濃度儀數(shù)據(jù)，每個任務(wù)的處理類似且相對獨立，其整個采集程序流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 地面站控制軟件

地面站是整個氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)的控制中心，由遙控設(shè)備、計算機(jī)、顯示設(shè)備、通信設(shè)備等組成。主要功能包括控制無人機(jī)飛行姿態(tài)、無人機(jī)狀態(tài)參數(shù)顯示、任務(wù)規(guī)劃、氣象載荷數(shù)據(jù)顯示及推送等[11]，如圖5所示。

圖5 地面站控制軟件界面

運(yùn)行于Android平臺的地面站控制軟件基于高德SDK和DJI SDK開發(fā)，其中高德SDK用于衛(wèi)星地圖顯示和無人機(jī)的實時位置標(biāo)記，DJI SDK則用于向遙控器發(fā)送飛行控制指令，接收處理飛控回傳的飛機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)和氣象傳感設(shè)備數(shù)據(jù)。

當(dāng)氣象數(shù)據(jù)通過遙控設(shè)備回傳到地面站Android設(shè)備之后，將按照不同的測量數(shù)據(jù)種類進(jìn)行相應(yīng)的解析(每種測量的數(shù)據(jù)均為4個字節(jié)單精度浮點數(shù))，最終得到具體的數(shù)據(jù)，顯示到Android設(shè)備的屏幕上，并實時自動保存到本地目錄下的csv文件中，此外，還需將數(shù)據(jù)封裝成Json指定格式的字符串，通過Http協(xié)議將數(shù)據(jù)以Post形式推送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中供觀測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控軟件讀取顯示。

3.2 觀測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控軟件

無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控軟件(圖6)是整個氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)的最終用戶界面[12]。其主要功能一方面是實時接收并以時間軸和儀表盤兩種方式動態(tài)顯示當(dāng)前由地面站傳回的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、全輻射、PM1、PM2.5、PM10、TSP等氣象觀測數(shù)據(jù)，同時在衛(wèi)星地圖上給出無人機(jī)當(dāng)前位置和飛行狀態(tài)參數(shù)，如高度、速度、俯仰角、航偏角；另一方面，軟件還可支持讀取后臺數(shù)據(jù)庫中存儲的飛行歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的日期按時間序列進(jìn)行完整的動態(tài)數(shù)據(jù)回放和歷史重演。

圖6 無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)實時監(jiān)控軟件

軟件采用WEB開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，基于B/S結(jié)構(gòu)，使用ECMAScript 6.0、Html5、CSS3.0、Javascript等技術(shù)開發(fā)，其中，頁面采用前端MVC框架設(shè)計，通過合理優(yōu)化頁面數(shù)據(jù)與視圖的加載流程，可使用戶輕松實現(xiàn)對無人機(jī)實時數(shù)據(jù)的滾動查看與監(jiān)控，對于氣象探測要素儀表盤和無人機(jī)飛行狀態(tài)的展示則采用了SVG矢量圖形技術(shù)+衛(wèi)星地圖的方式進(jìn)行直觀的可視化呈現(xiàn)，達(dá)到無變形任意縮放效果，實時數(shù)據(jù)通信方面則采用了WebSocket技術(shù)。

2.4 實驗結(jié)果與分析

2016年9月～2018年7月，氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了多次原理驗證飛行實驗及校對飛行實驗，不僅測試了無人機(jī)系統(tǒng)與氣象載荷設(shè)備的兼容性，還區(qū)分不同時間段不同高度層上進(jìn)行了氣象要素數(shù)據(jù)采集、傳輸以及與實驗區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)氣象自動站數(shù)據(jù)的比對測試，通過試驗驗證了無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)的可信性和可靠性，獲得了較滿意的效果。圖7為2018年7月9日在廣州市黃埔區(qū)59287國家基本氣象站觀測場飛行試驗所獲取的氣象要素數(shù)據(jù)，試驗共分別飛行兩架次，每架次分別在地面、相對高度75 m和相對高度150 m懸停采集數(shù)據(jù)，共獲取數(shù)據(jù)738組；圖8為2016年9月28日在廣州市番禺區(qū)G1000區(qū)域氣象自動站觀測場飛行試驗所獲取的氣象要素數(shù)據(jù)，實驗飛行一架次，在地面、相對高度15 m、相對高度50 m和相對高度150 m共獲取數(shù)據(jù)68組。通過將以上實驗數(shù)據(jù)與相同時刻實驗場地中氣象觀測場自動站的觀測數(shù)據(jù)比對可得出：

圖7 2018年7月9日飛行試驗數(shù)據(jù)

圖8 2016年9月28日飛行試驗數(shù)據(jù)

從多次實驗數(shù)據(jù)的氣溫曲線上對比看，無人機(jī)在近地面(即相對高度為0 m)時，獲取的氣溫值與地面氣象自動站觀測數(shù)據(jù)基本一致，偏差不超過0.2 ℃，隨著無人機(jī)相對高度增加，氣溫呈略微下降趨勢，符合氣溫垂直遞減率，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，每上升100 m，氣溫下降0.6 ℃，體現(xiàn)出氣溫與高度變化的反相關(guān)性；從氣壓曲線的對比上看，無人機(jī)在近地面獲取的氣壓值同樣與地面氣象自動站觀測數(shù)據(jù)基本一致，偏差不超過1 hPa，隨著無人機(jī)高度的上升，氣壓出現(xiàn)了顯著的線性反相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.95，體現(xiàn)出了氣壓隨高度增加的遞減趨勢；從相對濕度曲線對比上看，無人機(jī)在近地面所獲取相對濕度值與地面氣象自動站觀測值基本一致，略微偏高5%，判斷為傳感器差異引

起，隨著無人機(jī)高度增加，相對濕度值在當(dāng)時環(huán)境下呈現(xiàn)出隨高度增加的正相關(guān)性，同時，由于相對濕度的測量有一個時間過程，導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化有一定遲滯性，所以反映在相對濕度變化曲線上有一定滯后；從風(fēng)速曲線上，則可以看出空中風(fēng)速相對于地面明顯增大，符合真實情況[13]。

此外，2018年7月9日氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)在廣州黃埔59287國家基本氣象站觀測場通過機(jī)載迷你激光粒徑譜儀所采集的兩個時段地面、80 m、150 m三個不同高度空氣顆粒物濃度及高度數(shù)據(jù)如圖9，從圖中可得出實驗地點在近地面三個不同高度范圍內(nèi)，顆粒物質(zhì)濃度數(shù)據(jù)分布較均勻，PM10均值為34.96 μg/m3，PM2.5均值為20.45 μg/m3，與附近的廣州市環(huán)保局科學(xué)城監(jiān)測站實時數(shù)據(jù)基本一致，垂直方向上空氣顆粒物質(zhì)濃度無明顯變化，空氣質(zhì)量優(yōu)。

圖9 2018年7月9日飛行實驗顆粒物濃度數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

通過多次飛行試驗的數(shù)據(jù)分析表明，本氣象觀測無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案科學(xué)合理，觀測數(shù)據(jù)真實可信，其系統(tǒng)投資少，使用靈活方便，工作效率高，可為小尺度精細(xì)化氣象觀測提供一種新的技術(shù)平臺和工具，有利于完善中小尺度、特別是小尺度天氣觀測系統(tǒng)，為大城市精細(xì)化氣象預(yù)報服務(wù)提供更好的支撐；為開展低空大氣污染物垂直結(jié)構(gòu)及其時空演變的研究、城市熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇分析等方面提供第一手資料；還可應(yīng)用于氣象應(yīng)急救災(zāi)、氣象科普、環(huán)保監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。下一步，還可就多架無人機(jī)組網(wǎng)協(xié)同觀測、自主控制、抗干擾及續(xù)航等方面問題繼續(xù)做進(jìn)一步深入研究。