基于臨空飛艇的大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)

李大鵬, 鄭德智 , 郭 虓, 樊尚春, 胡 純

(1.北京航空航天大學(xué) 前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；3.北京理工大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院，北京 100081)

臺(tái)風(fēng)是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，臺(tái)風(fēng)在中國(guó)年均登陸7.6次，位居世界第1位。臺(tái)風(fēng)、雷暴等災(zāi)害性天氣對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)具有極大的破壞力[1-4]，中國(guó)每年僅由臺(tái)風(fēng)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)295億元，造成死亡約403人。據(jù)測(cè)算，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差減少1 km，可減少1億元損失；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差減少1 m/s，可減少4億元損失。利用各種氣象儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行建模分析，觀察臺(tái)風(fēng)不同生命時(shí)期的結(jié)構(gòu)特征，從而對(duì)臺(tái)風(fēng)未來(lái)的行動(dòng)路徑和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于加強(qiáng)人們對(duì)臺(tái)風(fēng)的預(yù)警和防護(hù)，最大程度保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全[5-8]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)這一自然現(xiàn)象更為本質(zhì)的科學(xué)認(rèn)知，核心科學(xué)問題是臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)的結(jié)構(gòu)演化機(jī)理[9-10]，關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行多要素、長(zhǎng)過程、精細(xì)化的直接探測(cè)，獲得從臺(tái)風(fēng)形成到增強(qiáng)、維持、減弱、登陸的全生命周期的數(shù)據(jù)。目前，大部分探測(cè)手段僅能獲得臺(tái)風(fēng)外圍的數(shù)據(jù)，探測(cè)深度、探測(cè)廣度、探測(cè)精細(xì)化程度均有限，制約了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和發(fā)展趨勢(shì)的精確預(yù)測(cè)。因此，研究臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)精細(xì)化探測(cè)技術(shù)對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)、掌握臺(tái)風(fēng)的生成發(fā)展機(jī)理具有極其重要的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)的空基探測(cè)手段以探空火箭和臨空飛艇為主。探空火箭方面，國(guó)外以美國(guó)為代表形成了高度覆蓋0～1600 km、載荷最大可達(dá)675 kg的探測(cè)能力[11]；國(guó)內(nèi)“子午工程”也包含以探空火箭為空基平臺(tái)的探測(cè)系統(tǒng)[12]，但探空火箭只能探測(cè)發(fā)射路徑中的氣象參數(shù)，獲取數(shù)據(jù)量較少，不具備在大范圍內(nèi)布撒探測(cè)組件、實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)廣域協(xié)同探測(cè)的能力。臨空飛艇方面，美國(guó)、歐洲、日本等都在投入大量經(jīng)費(fèi)研制臨近空間飛艇，并研制了以HAA(High Altitude Airship，高空飛艇)、ISIS(Integrated Sensor IsStructure，集成傳感器即是結(jié)構(gòu))飛艇、HiSentinel系列飛艇為代表的飛艇[13]；國(guó)內(nèi)研究單位包括北京航空航天大學(xué)、中電科集團(tuán)第38研究所、中科院光電院等[14]，其中北京航空航天大學(xué)先后4次完成20 km以上平流層高度飛行驗(yàn)證，并于2017年首次基于飛艇平臺(tái)實(shí)現(xiàn)18 km高度指定區(qū)域下投探測(cè)，獲取了原位大氣數(shù)據(jù)，其平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)在世界范圍內(nèi)暫時(shí)領(lǐng)先[15]。

通過介紹自主研制的大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)，并在臨空飛艇平臺(tái)搭載，完成20 km高度指定區(qū)域多節(jié)點(diǎn)下投試驗(yàn)，成功獲取0～20 km立體空間高精度溫度、濕度、氣壓等大氣參數(shù)，并定量描述了下投式探空儀的圓錐擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；谂R空飛艇的大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在精度、可靠性等方面都具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為今后開展臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)精細(xì)化原位探測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)

大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)由下投式探空儀、自動(dòng)下投裝置和地面無(wú)線數(shù)據(jù)接收機(jī)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)框圖

下投式探空儀如圖2所示，主要用來(lái)測(cè)量大氣環(huán)境參數(shù)。在探空儀的進(jìn)風(fēng)口處主要集成了NTC溫度傳感器與電容式濕度傳感器。NTC溫度傳感器工作溫度區(qū)間寬、體積小、電阻值大、靈敏度高、傳熱快，適合在低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。為克服過冷水等惡劣環(huán)境的影響，在濕度測(cè)量中，采用雙傳感器交替加熱測(cè)量方案以及高精度數(shù)字式電容測(cè)量方法，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。探空儀同時(shí)還集成多種環(huán)境參數(shù)測(cè)量傳感器，不同類型傳感器同步對(duì)比測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度、濕度、壓力等參數(shù)的高精度、高動(dòng)態(tài)原位測(cè)量。此外，自研探空儀在集成GPS實(shí)現(xiàn)高精度定位的同時(shí)，首次集成慣導(dǎo)系統(tǒng)，不僅可以通過測(cè)量數(shù)據(jù)定量描述出探空儀的下投運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，還可以將測(cè)量數(shù)據(jù)解算，補(bǔ)償探測(cè)的大氣參數(shù)，解決因設(shè)備運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，其安裝位置及三軸定義方向如圖3所示。

圖2 自研下投式探空儀

圖3 慣導(dǎo)模塊安裝位置及三軸定義

探空儀軸向?yàn)閄軸，向上為Y軸，垂直模塊向外為Z軸。旋轉(zhuǎn)的方向按右手法則定義，即右手大拇指指向軸向，四指彎曲的方向即為繞該軸旋轉(zhuǎn)的方向。

自動(dòng)下投裝置如圖4所示，主要用來(lái)為搭載的探空儀供電并完成儀器投放控制。系統(tǒng)采用插銷式彈簧電極對(duì)探空儀供電及數(shù)據(jù)發(fā)射控制，下投艙艙門由低溫電磁鐵控制，可實(shí)施倒計(jì)時(shí)下投或指令下投。系統(tǒng)內(nèi)部還伴有自動(dòng)溫控模塊，可在高空低溫環(huán)境下加熱，保證系統(tǒng)內(nèi)部不受低溫冷凝結(jié)露的影響而導(dǎo)致探空儀因降落傘凝結(jié)無(wú)法下投。

圖4 自動(dòng)下投裝置

地面無(wú)線數(shù)據(jù)接收機(jī)如圖5所示，主要用來(lái)接收并存儲(chǔ)探空儀探測(cè)發(fā)送的實(shí)時(shí)大氣參數(shù)。接收機(jī)在400～406 MHz氣象專用信道下實(shí)現(xiàn)雙通道無(wú)線數(shù)據(jù)高靈敏度接收，可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)接收上位機(jī)界面采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)，可實(shí)時(shí)顯示探空儀探測(cè)到的環(huán)境參數(shù)信息與探空儀狀態(tài)信息。

圖5 地面無(wú)線數(shù)據(jù)接收機(jī)

參與試驗(yàn)的下投式探空儀進(jìn)行了第三方的靜態(tài)測(cè)試，獲得了各傳感器的探測(cè)精度，整套大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了地面低溫(-60 ℃)低氣壓(50 mbar)綜合環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，確保探空系統(tǒng)能夠適應(yīng)臨空工作環(huán)境。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 基于飛艇平臺(tái)的探測(cè)試驗(yàn)

為了更好地驗(yàn)證研制的大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)性能，為今后開展臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)精細(xì)化原位探測(cè)奠定基礎(chǔ)，2021年8月2日至3日在新疆某基地開展了基于臨空飛艇的大氣參數(shù)原位探測(cè)試驗(yàn)。采用北京航空航天大學(xué)研制的單囊體飛艇作為平臺(tái)，搭載大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)，包括5枚探空儀、1套自動(dòng)下投裝置及1套地面雙通道無(wú)線數(shù)據(jù)接收機(jī)。其中，1號(hào)探空儀安裝于飛艇平臺(tái)吊艙中，隨飛艇移動(dòng)不下投，上電持續(xù)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)，載波頻率401.3 MHz。2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)探空儀安裝于自動(dòng)下投裝置中，提前設(shè)置下投時(shí)間依次下投。除1號(hào)探空儀上電持續(xù)發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)外，剩余3個(gè)探空儀在下投前開始發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)，載波頻率403 MHz，地面接收機(jī)負(fù)責(zé)接收探空儀發(fā)送的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備搭載情況如圖6所示。

圖6 飛艇載荷吊艙

2021年8月2日13:10時(shí)吊艙上電，1號(hào)、2號(hào)探空儀開始發(fā)數(shù)，地面接收機(jī)開始接收探空儀數(shù)據(jù)。23:27時(shí)通過串口向自動(dòng)下投裝置裝訂下投時(shí)間，2號(hào)探空儀下投時(shí)間為8月3日02:33時(shí)；4號(hào)探空儀下投時(shí)間為8月3日03:23時(shí)；5號(hào)探空儀下投時(shí)間為8月3日04:13時(shí)；6號(hào)探空儀下投時(shí)間為8月3日07:23時(shí)。8月3日01:08時(shí)，飛艇放飛。通過分析探空儀發(fā)送的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，4個(gè)探空儀依次按照約定時(shí)間成功下投，最多持續(xù)45 min停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1號(hào)探空儀置于飛艇平臺(tái)吊艙中，上電即發(fā)送探測(cè)數(shù)據(jù)，地面接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)解算如圖7所示。由圖中的探測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，飛艇平臺(tái)放飛前，GPS高度約為1035 m，放飛后高度一直上升，02:10時(shí)達(dá)到18.89 km，隨后緩慢上升，最高到19.49 km。飛艇整體飛行軌跡從探空儀GPS信息中可得出,飛行最遠(yuǎn)直線距離達(dá)到195.8 km。

圖7 1號(hào)探空儀探測(cè)數(shù)據(jù)

由于探空儀被安置在吊艙內(nèi)部，故其探測(cè)所得溫度、濕度、壓力信息均來(lái)源于吊艙內(nèi)，由傳回地面接收機(jī)的數(shù)據(jù)可以看出，放飛前因設(shè)備發(fā)熱，吊艙內(nèi)溫度由33 ℃升至49 ℃左右，隨著高度不斷上升，溫度逐步下降，到19 km高度，溫度降為11 ℃，最低為-14 ℃。濕度與壓力也均隨著高度的提升而降低，地面濕度為8%RH～14%RH，高空濕度為0%RH；地面壓力為890 mbar，高空時(shí)最小為66 mbar。

探空儀的三軸加速度有3次較大的變化，定量描述出了飛艇吊艙離開地面、因風(fēng)速過大下降等待再次放飛，以及飛艇垂直放飛的狀態(tài)。輔助飛艇平臺(tái)進(jìn)行飛艇狀態(tài)評(píng)價(jià)與分析。

2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)探空儀置于下投裝置中，依照裝訂時(shí)間依次打開電磁鐵進(jìn)行下投試驗(yàn)。經(jīng)地面接收機(jī)數(shù)據(jù)解算分析，4枚探空儀均下投成功，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間、不同空域的立體氣象探測(cè)，但由于環(huán)境存在一定的遮擋，回傳數(shù)據(jù)會(huì)有一段時(shí)間的誤碼現(xiàn)象。以4號(hào)、5號(hào)探空儀為例，其探測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 下投探空儀探測(cè)數(shù)據(jù)

4號(hào)、5號(hào)探空儀在下投前檢測(cè)到自動(dòng)下投裝置發(fā)送的固定時(shí)長(zhǎng)開關(guān)量后開始發(fā)數(shù)。8月3日03:23及04:13時(shí)，4號(hào)、5號(hào)探空儀分別下投出筒，地面接收機(jī)接收到探測(cè)數(shù)據(jù)。從探測(cè)數(shù)據(jù)可以清晰得到0～20 km立體空間的特定溫度層高度曲線、溫度分布圖、濕度分布圖以及風(fēng)層圖，氣象分布規(guī)律同當(dāng)天氣象部門反演數(shù)據(jù)一致。值得注意的是，探空儀在下落中經(jīng)歷了兩次穿云過程，濕度有兩次明顯的先增后減的現(xiàn)象。同時(shí)，通過解析探空儀傳遞的GPS信息，解算出探空儀所處位置的實(shí)時(shí)風(fēng)速，也同步得到0～20 km立體空間的最大風(fēng)速及方向。

此外，試驗(yàn)下投探空儀首次集成微慣導(dǎo)組件，由慣導(dǎo)加速度信息，可以明顯看到04:13時(shí)探空儀加速度的驟變現(xiàn)象，進(jìn)而推斷出此刻為5號(hào)探空儀的下投時(shí)刻；慣導(dǎo)三通道姿態(tài)角度信息顯示，探空儀沿三軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，沿X軸轉(zhuǎn)動(dòng)幅度可達(dá)150°，沿Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)幅度可達(dá)100°，沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)幅度達(dá)20°，可知探空儀在降落過程中做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，其擺動(dòng)頻率與探空儀牽引繩長(zhǎng)度相關(guān)，約為0.5 Hz。通過慣導(dǎo)數(shù)據(jù)定量描述探空儀的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以快速補(bǔ)償探空儀因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的大氣參數(shù)測(cè)量誤差，使測(cè)量結(jié)果更具可靠性。

3 初步結(jié)論與展望

通過基于臨空飛艇的大氣參數(shù)原位探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下初步結(jié)論。

① 研制的大氣參數(shù)原位探測(cè)系統(tǒng)經(jīng)初步驗(yàn)證具有較強(qiáng)的魯棒性，可在低溫、高遮擋等惡劣環(huán)境中正常完成下投、探測(cè)、傳輸?shù)裙ぷ??；陲w艇平臺(tái)的下投探測(cè)方式切實(shí)可行，觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，未來(lái)可在指定區(qū)域定點(diǎn)氣象觀測(cè)、臺(tái)風(fēng)等大尺度災(zāi)害性天氣觀測(cè)等場(chǎng)景應(yīng)用整套系統(tǒng)，定點(diǎn)投送探空儀完成氣象精細(xì)化原位測(cè)量。

② 研制的首個(gè)集成微慣導(dǎo)組件的下投式探空儀經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證除了能高精度測(cè)量溫度、濕度、壓力等大氣環(huán)境參數(shù)外，還能定量描述出探空儀下投姿態(tài)。未來(lái)可結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，解算出探空儀運(yùn)動(dòng)對(duì)傳感器測(cè)量帶來(lái)的影響，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。