無人機飛行氣象保障研究

徐陳磊，劉博

95894部隊

無人機飛行需要多方面的綜合保障，氣象保障是無人機安全飛行的先決條件之一。本文聚焦無人機飛行氣象保障研究，分析無人機氣象保障的特點，通過對比無人機與有人機氣象保障的差異，提出有效可行的氣象保障方法，從而提高無人機使用效能，為無人機安全飛行奠定基礎。

近年來，無人機在軍用和民用領域表現(xiàn)卓越，引起世界各國高度重視。無人機憑借多樣化任務載荷、低成本、高機動性等特點，可在航拍、測繪、物流、農(nóng)林種植、偵察監(jiān)視、邊境巡邏等多個領域執(zhí)行各種任務。然而，如果天氣不能滿足無人機飛行的最低氣象要求，將會給飛行安全造成威脅。無人機飛行需要多方面綜合保障，氣象保障是無人機安全飛行的先決條件之一，探索無人機飛行氣象保障特點，研究氣象保障方法和措施，能有效提升無人機使用效能，保證飛行安全。

無人機飛行最低氣象條件

無人機飛行最低氣象條件是無人機安全起降、飛行的天氣標準，是為保證無人機起降和執(zhí)行任務而規(guī)定的最低限度天氣條件。

無人機飛行氣象條件可分為起降場天氣條件和航線天氣條件。一般小型近程無人機如多旋翼無人機，由于續(xù)航時間小和航程短，僅在起降場附近使用，所以只需要根據(jù)起降場天氣條件實施飛行氣象保障，天氣要素包括云、能見度、風等；很多大型遠程長航時無人機如軍用戰(zhàn)略無人機，由于使用半徑大，航程可達幾百或上千千米，必須在起降場天氣條件基礎上，結(jié)合航線天氣條件加以保障，周全考慮空中風、雷暴、無人機積冰、無人機顛簸等要素。

無人機氣象保障特點

最低氣象條件要求苛刻

無人機起降過程中，對風速的要求較為苛刻。可能滿足大型飛機起降的風速，卻不能滿足無人機起降要求，因此需要更準確地掌握風速變化。

在無人機飛行過程中，操控人員和保障人員要把握云、無人機積冰、無人機顛簸和空中風等情況。很多無人機搭載了較多精密電子設備，對空氣濕度要求很高，無法長時間在云中飛行，因此層積云、層云、高積云等都對無人機飛行產(chǎn)生較大影響，無人機只能短暫地穿過較薄的云層。有些無人機沒有配備除冰裝置，且航速較慢，因此積冰會嚴重影響它們的飛行安全。無人機與地面控制站之間通過視距和超視距衛(wèi)通等鏈路傳輸遙控和遙測信息，一旦空中發(fā)生顛簸，會導致無人機飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，很容易影響鏈路信號傳輸，所以對空中氣流的預判也很重要。

預報精度要求高，協(xié)調(diào)難度大

圖1 起降場自動氣象站實時獲取氣象觀測數(shù)據(jù)。

大型無人機通?？鐓^(qū)域跨晝夜飛行，其飛行空域更廣、續(xù)航時間更長、精度更高，對氣象保障的預報精度要求更高。而且，不同區(qū)域的氣象保障，涉及保障部門多，各部門之間組織協(xié)調(diào)、資源共享、信息傳遞等需要建立良好的協(xié)調(diào)溝通機制，確保完成飛行保障任務。

相比于有人機，很多無人機無法實施備降場備降。因此，大大增加了氣象保障難度。無人機起飛后，一定要精確預報返航時間段的天氣，確保其安全降落。

協(xié)同溝通難度大

有人機飛行過程中，當航線上有濃積云或積雨云時，飛行員可以通過機載雷達或者加強觀察，及時繞過濃積云和積雨云。但無人機操控員難以像飛行員一樣，實時、準確觀察和判斷航線中的天氣，特別是無人機空中顛簸、氣流等情況，很難有直觀感受。而且無人機繞過濃積云和積雨云的能力較弱。此外，若天氣影響到無人機飛行安全，需要重新調(diào)整航線、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)處理等一系列過程，臨機處置會有延遲，可能會錯過最佳調(diào)整時機。

因此，實施氣象保障時要加強對無人機任務區(qū)及航線天氣的掌握，盡可能不在復雜天氣的區(qū)域飛行。

任務區(qū)氣象站點少，氣象資料獲取少

無人機經(jīng)常在人員稀少、交通不暢的高原、戈壁、草原等地區(qū)執(zhí)行邊境巡邏、管線檢查等任務，這些地區(qū)幾乎無氣象站點，氣象觀探測數(shù)據(jù)非常少，很難獲取飛行空域的氣象資料，對任務區(qū)氣象要素的監(jiān)測缺乏有效手段，保障中只能依靠衛(wèi)星云圖、天氣圖、雷達回波圖等資料進行判斷。

新裝備要求高，保障經(jīng)驗少

無人機攜帶的精密儀器多，對運行環(huán)境要求高，同時很多新型無人機剛投入使用，故障率較高。然而很多無人機操控員或保障人員掌握的氣象理論知識比較匱乏，對氣象保障了解較少，在實際飛行中很容易錯失飛行窗口期，影響了飛行計劃，或者忽視天氣復雜性，盲目蠻干危及無人機飛行安全。

無人機氣象保障措施

掌握無人機性能，深入研究氣候特點

氣象保障人員及無人機操控人員需全面掌握無人機性能，充分了解最低天氣條件，根據(jù)任務要求，收集、整理任務區(qū)域歷史氣象資料，對季節(jié)性氣候特點進行分析，深入研究任務區(qū)氣象要素特點，準確把握任務區(qū)天氣變化規(guī)律。

充分掌握起降場及航線天氣

無人機飛行可以由操控員操控飛行，也可以按照預設航線自主飛行，無論哪種飛行，操控人員和保障人員都要提前掌握飛行任務、航線、高度等情況，明確各航點方位、高度及與起降場的距離，無人機到各航點所需的時間，做好起降場及航線天氣預報，并結(jié)合最低天氣條件和任務具體要求，嚴格把好飛行天氣條件關(guān)。

實時監(jiān)視天氣情況，提出氣象保障建議

任務臨近和實施飛行時，應充分利用實時觀探測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖、雷達回波圖等氣象信息，進行要素特點分析和規(guī)律總結(jié)，嚴密監(jiān)視重點地域的天氣變化。隨時了解無人機方位和無人機回傳的視頻影像，借助實時視頻影像掌握周圍云的情況，適時規(guī)避不利天氣的影響。

密切協(xié)同配合，擴大信息來源

圖2 衛(wèi)星云圖。

圖3 空中風場數(shù)值預報截圖。

圖4 便攜式氣象儀。

無人機經(jīng)常在偏遠地區(qū)開展工作，任務保障前，可以從各類氣象APP、中央氣象臺官網(wǎng)等渠道獲取強對流天氣預報、降水量預報等氣象信息；也可以與當?shù)貧庀笳竞秃骄€區(qū)域的氣象站建立廣泛的溝通聯(lián)絡機制，充分利用現(xiàn)有資源，確保飛行全域氣象保障無縫銜接，提高天氣預報準確性，為航線設置、任務規(guī)劃、飛行操控提供可靠依據(jù)。

深入研究難點，準確把握飛行窗口期和區(qū)域

由于無人機起降對風速要求非常嚴格，保障時可以在起降區(qū)域架設便攜式氣象儀，實時掌握風向風速情況，避開大風時間段起降；利用中央氣象臺發(fā)布的衛(wèi)星云圖、雷達回波圖等信息分析航線天氣，選擇可以飛行的區(qū)域，規(guī)避強對流、云量較多的區(qū)域。

對于航速慢且沒有除冰裝置的無人機，在北方秋冬季飛行時，其積冰問題比較突出，所以要提前了解零度層高度以及空中各云層濕度。在保障過程中要重點研究鋒區(qū)、空中槽、切變線、低渦附近地區(qū)的溫濕度分布，掌握飛行高度的云層溫度，特別要注意氣溫在0 ～-10℃的云層，結(jié)合濕度判斷是否有積冰風險的云層。

制定嚴密預案，加強預防及特情處置

針對無人機對天氣條件要求高的特點，氣象保障要有針對性地制定切實可行的特情處置預案。如果無人機按預設航線飛行，為防止突發(fā)情況發(fā)生，需時刻掌握無人機所處的航線點，并做好安全區(qū)待機、返航、復飛及終止任務的準備。

針對飛行中可能出現(xiàn)的、危及飛行安全的天氣，應確定需重點監(jiān)測的氣象要素及其方位和持續(xù)時間，一旦出現(xiàn)復雜天氣或極端天氣，及時進行處置。比如，無人機不能在強對流云團中飛行，而本身又無法快速改變航線規(guī)避強對流云團。因此需要借助雷達回波圖，重點關(guān)注航線上是否有正在以及將要發(fā)展的強對流區(qū)域。

總結(jié)

圖5 雷達回波圖。

總體而言，無人機氣象保障面臨以下難點。

一是機體尺寸小、最大起飛重量輕、巡航速度慢的無人機，易受大風、空中顛簸等因素影響；

二是部分大型無人機航程遠、續(xù)航時間長、實用升限不高，易受天氣影響；

三是一些無人機使用半徑長、指令響應慢、機動性差，規(guī)避危險天氣的能力有限；

四是一些無人機續(xù)航速度慢，無除冰裝置，不抗積冰，不能長時間在云中飛行；

五是在一些特殊情況下，操控人員無法及時感知、識別和判斷外界天氣變化，應急處置能力較弱。

因此，保障飛行時，要加強預想、預判和特情處置，準確掌握起降地及航線的各個氣象要素，時刻做好天氣監(jiān)視，充分利用可以飛行時段，促使飛行計劃順利實施，確保飛行安全。■