無人機移動觀測系統設計與實現

王小蘭，郭 然，張雪芬，費習坤，王志成

(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

0 引言

機載觀測具有機動靈活的特點，是實現海洋及陸地上不易建站區(qū)域氣象觀測的重要手段[1]，已成為國際上公認的性價比高并且數據質量可靠的大氣垂直探測手段[2]，特別是對于海上臺風結構特征的直接觀測，研究表明使用飛機下投探空方式對臺風觀測所獲取的高精度探測資料對于剖析臺風的熱力和動力結構特征有重要作用[3-5]，將同化技術應用于數值預報模式后能較明顯地改進臺風路徑的預報能力[6，7]。與有人飛機的臺風探測不同，無人飛機(即無人機)具有相對低的成本且無人員傷亡風險等優(yōu)勢[8]，因此長航時高空無人機下投探空技術值得大力發(fā)展[9]。尤其是在2010年美國NASA首次使用高空長航時無人機“全球鷹(GlobalHawk)”對大西洋5個颶風進行了成功地飛行探測之后，基于無人機平臺建立高空下投探空和近地、近水面飛行觀測相結合的臺風精細結構探測體系漸成趨勢[10]。為了實施國家重點研發(fā)計劃項目“近海臺風立體協同觀測科學試驗”，加強目標臺風的直接觀測并據此研制和改進臺風數值模式邊界層及云微物理過程參數化方案，進一步提高中國臺風預報能力，中國氣象局氣象探測中心組織開展其子課題“新型觀測平臺的臺風探測適應性改進”試驗，配套設計開發(fā)了無人機移動觀測系統(v1.0)，用于大型高空長航時無人機觀測試驗的航路制作、飛行監(jiān)控和下投探空數據接收顯示，并在2020年8月中國氣象局“海燕計劃”南海臺風觀測試驗中獲得應用。

1 系統設計

1.1 總體設計

無人機移動觀測系統(v1.0)針對大型無人機及下投探空載荷觀測試驗的需求，分為國家級指揮中心和無人機移動觀測下探作業(yè)現場方艙兩級部署，滿足無人機下投探空作業(yè)的全國作業(yè)指揮和現場作業(yè)及氣象保障，系統功能結構如圖1所示。系統設計充分考慮氣象保障圖層、無人機飛行數據和下投探空數據的實時可視化處理，基于WebGIS技術通過空域、氣象、航路圖層的疊加實現航路規(guī)劃、實際飛行航路和下投點顯示等功能；基于MySQL數據庫，收集氣象保障數據、無人機飛行數據和下投探空試驗數據等，統一建庫和數據處理，支持各類氣象保障數據圖層、飛行狀態(tài)和下投探空試驗數據的疊加和展示等功能。

圖1 系統功能結構

1.2 功能實現

系統主要由無人機下投探空試驗作業(yè)的航路制作、飛行監(jiān)控和載荷數據顯示3個功能模塊組成，同時具備結構化和非結構化數據信息的收集、計算處理、統計分析和信息交互等功能，可實現監(jiān)控自動化和信息顯示實時化[11]。

航路制作模塊根據飛行任務要求，在電子地圖上加載空域規(guī)劃(限制)圖和無人機指揮中心發(fā)布的飛機航路預報信息，結合無人機的航程、航時、飛行范圍等指標，實時選擇、加載和刷新(可定頻次自動刷新)氣象背景圖，包括臺風24/48 h警戒線、氣象衛(wèi)星的可見光和紅外水汽圖層、地面站氣象要素圖層和高空500 hPa、700 hPa、850 hPa氣象要素圖層、天氣雷達組網圖層、數值預報模式氣象要素圖層，同時人工經驗借鑒Micaps、Swan等模式產品，編輯目標區(qū)航線和下投點設計。

飛行監(jiān)控模塊實時接收無人機飛行數據、各類氣象實況背景圖層數據、無人機實時飛行視頻信息、飛行實際航線數據等，實時處理數據，并在界面動態(tài)顯示無人機飛行狀態(tài)(經度、緯度、海高、航速、航向等)、實時氣象背景數據疊加顯示實況圖、飛行實時軌跡和預設航線對比疊加圖、飛行實時軌跡和危險天氣區(qū)圖疊加自動告警，以及無人機自帶攝像頭的視頻畫面顯示。

載荷數據顯示模塊實時接收下投探空載荷的氣象觀測數據，經初步質控和插值處理，展示下投探空實測的溫度、濕度、氣壓、風向、風速等氣象數據和垂直廓線圖形。

2 技術特點

2.1 信息鏈路設計

無人機觀測試驗作業(yè)要求保持探空儀—無人機平臺—地面控制站—無人機移動觀測系統(北京指揮中心)—氣象業(yè)務系統之間的數據鏈路暢通，文章設計了觀測試驗整體鏈路，以多種通信和數據接口處理方式保障無人機移動觀測系統數據信息的輸入輸出。空地傳輸鏈路重點是空地數據傳輸數據鏈的穩(wěn)定度[12]，結合大型無人機航程、作業(yè)區(qū)域和范圍的特點，使用衛(wèi)星通信方式保障空地鏈路傳輸[13]；無人機地面站、其他氣象業(yè)務系統(CIMISS、Micaps等)為無人機移動觀測系統提供飛行數據和氣象數據支撐，使用專線方式保證相互的鏈路暢通；使用有線與無線結合的通信方式為探空儀—接收機—無人機平臺提供數據聯通；使用互聯網(云服務中轉)通信傳輸保障無人機移動觀測系統與北京指揮中心部署系統的數據同步和信息交互。通過此次觀測試驗的鏈路設計和實踐，考慮現代移動互聯技術的更新和可用，建立多種傳輸方式的集成和互備份的多樣通信方式[14]成為構建無人機應急觀測業(yè)務中的數據傳輸的技術共識。

2.2 多源數據處理

無人機移動觀測系統(v1.0)充分考慮試驗過程中涉及的各類數據。輸入的數據主要是氣象實況和分析數據、飛機飛行實況數據、探空載荷觀測試驗數據和指揮中心的指令信息等，輸出的數據主要是經過解析計算處理后的圖形化氣象條件分析數據、經過初步判別和計算處理的載荷觀測數據和圖形等。系統基于MySQL數據庫解析和API接口文件實現數據調用，采取“縱向多級、橫向網格”的組網方案，基于GIS平臺數據管理機制以實現氣象數據的分布式管理，具備并行和實時處理能力，既可以保留數據異構和分布性的優(yōu)勢，也可以為更多資源共享、處理協同與任務合作方面的用戶提供一致化的服務接口和方式。

3 應用實例

由中國氣象局海洋氣象綜合保障一期工程支持開展的“海燕計劃”2020年南海臺風觀測試驗中，在2020-08-02，中國首次基于大型高空長時航無人機并攜帶首創(chuàng)螺旋式氣象載荷結構[15，16]對臺風“森拉克”外圍云系的綜合探測試驗的成功實施，填補了中國基于大型高空無人機[17]開展海洋綜合觀測的空白。該試驗中，通過無人機移動觀測系統v1.0實現了制定飛行航路、實時展示氣象實況條件、實時展示飛機和下投探空狀態(tài)、接收處理顯示下投探空數據等，為該試驗的順利實施發(fā)揮了重要作用。

4 結束語

無人機移動觀測系統v1.0的初步設計和實現保障了中國首次大型無人機臺風觀測試驗的順利開展，是無人機氣象探測觀測試驗及未來無人機應急觀測業(yè)務系統的重要組成部分。通過實踐應用，系統在以下4個方面還需進一步升級優(yōu)化和擴展功能：1)信息鏈路保障升級，為了此次試驗的順利開展采取了多種鏈路結合的方式，還應根據實際試驗或業(yè)務情況設計更加穩(wěn)定、通適的信息鏈路；2)對于各類氣象數據收集和處理需要較為強大的服務器處理能力，以及開拓更多針對性的觀測產品和展示效果；3)此次試驗的載荷包括了下投探空和機載毫米波云雷達，下投探空的觀測數據實時傳回系統，云雷達的觀測數據則先存儲后帶回處理，未來試驗開展和應急業(yè)務系統將增加和接入更多新型載荷設備，需要拓展和升級數據傳輸、實時處理和顯示功能；4)導航制作和實時顯示功能在實時預警、短臨保障、自動智能規(guī)劃航線方面需要進一步深入研究和實現。