復合翼無人機不同傳感器探測大氣溫濕度對比

常 越 陳洪濱 施紅蓉 黃曉松朱偉鋒 朱彥良2） 王普才2） 劉 潔

1）（中國科學院中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室，北京 100029）

2）（中國科學院大學，北京 100049）

3）（成都信息工程大學，成都 610225）

4）（中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

引 言

無人機作為搭載多種低空及高空大氣探測設備的飛行平臺，具有多方面的氣象探測優(yōu)勢，能彌補其他探測手段在時空分辨率和覆蓋率上的不足。高空大型無人機（如全球鷹）具有巡航距離遠、載荷量大和可靠性高等優(yōu)點，而微小型氣象探測無人飛行器具有作業(yè)低成本、低速和機動性強等特點，國內(nèi)外越來越多的科技人員利用無人機進行氣象與環(huán)境探測或業(yè)務化運行試驗［1-16］。用無人機替代有人駕駛飛機執(zhí)行高風險作業(yè)任務，已是當今氣象與環(huán)境探測領域的一個重要發(fā)展方向［17-21］。無人機在臺風監(jiān)測和氣象災害探測中發(fā)揮著重要作用［22-25］。同時，氣象要素空間分布不均勻和日變化大，利用新型探測設備開展精細探測對于改進天氣和空氣質(zhì)量預報至關重要［26-27］。因此，需要發(fā)展和充分利用各種新型氣象探測手段，以實現(xiàn)對大氣多要素高時空分辨率的探測［28］。目前利用無人機進行大氣探測存在數(shù)據(jù)比對驗證、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等諸多問題，包括機載傳感器的選型、安裝位置以及飛行過程對傳感器觀測造成的影響，產(chǎn)生的誤差均可能超過WMO 的高空觀測要求［29-32］，成為制約無人機進行科研和業(yè)務應用的主要因素。

在我國平坦開闊和天氣多變地區(qū)，如何充分發(fā)揮無人機機動靈活的優(yōu)勢構建高低空無人機組合的協(xié)同觀測系統(tǒng)，探索不同飛行方式對資料獲取的有效性、經(jīng)濟性，驗證其觀測資料的準確性、代表性、可用性及未來業(yè)務應用前景，仍是值得深入開展的研究課題。目前大氣探測采用固定翼和多旋翼兩種無人機平臺，固定翼無人機具有航程遠和載荷量大等優(yōu)點，但起降需要平坦開闊的場地；多旋翼無人機具有垂直起降和空中定點懸浮等功能［33］，缺點是巡航速度慢、續(xù)航時間短。為了綜合利用兩類無人機的優(yōu)點，克服其主要缺點，中國科學院大氣物理研究所自主研發(fā)了一款旋翼和固定翼組合的新型無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）（簡稱無人機）。

為驗證該無人機氣象探測能力，同時檢驗無人機加載自動氣象站（automatic weather station，AWS）（簡稱自動站）的探測可靠性，技術研發(fā)團隊在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗無人機綜合驗證基地，開展了不同傳感器大氣溫度和濕度探測的比對試驗。

1 儀器與試驗簡介

1.1 試驗儀器

在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗兩期綜合野外試驗中使用了GPS探空系統(tǒng)、自動站和維薩拉溫度、濕度探頭（維薩拉溫濕探頭），3種溫濕傳感器主要性能參數(shù)見表1。其中GPS探空系統(tǒng)由GPS探空儀及多通道接收機等組成，探測要素為氣壓、溫度、濕度和風向、風速。

表1 3種溫濕傳感器性能參數(shù)Table 1 Specifications of temperature and humidity of 3 sensors

GPS探空儀由航天科工集團23研究所研發(fā)提供，該型探空儀參加了2008年世界氣象組織（WMO）組織的廣東陽江探空比對試驗，各要素探測范圍和精度得到驗證［34］。

自主研發(fā)的無人機飛行速度為90～130 km·h-1，載荷為3 kg，航程可達400 km。該無人機結合了旋翼機和固定翼無人機的優(yōu)點：起飛和降落階段采用電動多旋翼機方式垂直起降，對起降場地條件要求低；在飛行作業(yè)階段采用固定翼方式由汽油發(fā)動機推進。比常規(guī)旋翼機航時長、速度快、飛行高度高，能獲得更長時間和更大空間范圍的探測資料。

為實現(xiàn)氣壓、溫度、相對濕度的同步飛行測量，在無人機前頂部裝載自動站，該型自動站已進行多次地面車載和船載探測試驗，驗證其在運動狀態(tài)下氣象要素的探測能力。無人機發(fā)動機和螺旋槳后置，避免了飛機飛行時對溫度、濕度和氣壓測量的影響。

2020年試驗期間，無人機前機身下部外掛1只GPS探空儀，地面接收機接收探空儀數(shù)據(jù)；2021年GPS探空儀溫濕傳感器和發(fā)射天線外置，而探空儀盒置于機身內(nèi)，以減小飛行阻力。2021年無人機還加掛1只維薩拉溫濕探頭。

由于受飛行空域管控的制約，飛行高度限制在距地面900 m 高度以下，因此，試驗中無人機僅能在近地面大氣層進行探測，雖然其最大飛行高度可達6000 m，航時可達4 h。

1.2 試驗概況

為了對無人機機載自動站和GPS探空儀探測近地面大氣層的性能進行檢驗與比對評估，2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日開展了兩期試驗。

試驗地點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗新河水庫庫邊，飛行試驗點的水庫中心有積水（面積約20 m×30 m）；北部和東部為緩坡草地，西部為堤壩，南部和西北部為小山丘，水庫底部距山丘頂高度小于40 m。GPS探空氣球釋放點位于水庫西北山丘的西南坡下，海拔高度為1280 m。無人機起降點位于四周開闊的水庫東北部草地上，海拔高度為1262 m。

2020年的飛行試驗中，飛機上同時搭載1個自動站和1只GPS探空儀，兩者所測的溫度和濕度可直接進行比較。2021年無人機同時搭載兩種儀器（即自動站和GPS探空儀、自動站和維薩拉溫濕探頭），可對3種儀器的測量兩兩進行比較。

1.3 無人機飛行情況及地基GPS探空數(shù)據(jù)分析

由于受空域管制制約，為獲取良好的試驗效果，飛行探測方案不斷調(diào)整。無人機先垂直上升至約30 m 地面高度懸停，然后爬升或平飛?？罩锌傦w行時間為1.0～2.5 h。通常在無人機飛行探測階段或前后，釋放1～2只GPS氣球探空。表2給出用于對比分析的無人機5次飛行信息（包括時間、時長和天氣狀況），文中時間均為北京時，下同。

表2 無人機飛行探測時間及時長Table 2 Time and duration of UAV-borne AWS and GPS radiosonde

圖1分別為2020年8月2，4，5日GPS探空儀探測的低對流層位溫、相對濕度和風速、風向廓線，對應施放氣球時間分別為8月2日10：10，8月4日13：55，8月5日12：08，雖然與無人機飛行時間并非完全一致，但可獲得飛行時段或前后的近地面大氣層氣象背景情況。由圖1可見，試驗期間中午前后近地面大氣層內(nèi)（距地面700 m 高度以下）位溫遞減率接近（0.6 K·（100 m）-1），但位溫差異顯著；近地面大氣層內(nèi)相對濕度隨高度增加，8月4日的相對濕度最高，對應當日溫度較低；2020 年8 月2日的風速較大，從地面的3 m·s-1增加到11 m·s-1（海拔高度1650 m，6級）；3 d中風向隨高度的變化范圍不大。

圖1 2020年8月2，4，5日地基GPS探空測得的位溫、相對濕度及風速、風向廓線Fig.1 Temperature，relative humidity，wind speed，and wind direction measured by ground-based GPS radiosonde on 2 Aug，4 Aug，5 Aug in 2020

圖2a和圖2b分別為2020年8月2日無人機飛行路線上測得的溫度和相對濕度。由于飛行時間歷時超過0.5 h，在無人機上升和下降段溫濕數(shù)據(jù)差異明顯，反映了氣象要素的時空變化。近地面大氣層內(nèi)上下溫度差異明顯，在同一層平飛段溫度變化較小；但從相對濕度看，即便在同一層歷時幾分鐘內(nèi)的飛行測量（水平長邊飛行距離為5 km）也表現(xiàn)出較顯著的變化。

圖2 2020年8月2日10：10—11：14無人機機載自動站飛行探測的溫度（a）和相對濕度（b）Fig.2 Temperature（a）and relative humidity（b）measured along the flight trajectory UAV-borne AWS during 1010 BT-1114 BT on 2 Aug 2020

圖3為2020年8月2日無人機機載自動站在1次飛行過程中飛行姿態(tài)的變化以及溫度、相對濕度的時間序列。由圖3 可見，此次飛行軌跡在約10：55 之前呈階梯式上升，從飛機俯仰角（pitch，即機體軸與地平面之間的夾角）上難以看出轉彎乃至上升過程；從滾轉角（roll，即無人機繞前后軸轉動的角度）和偏航角（yaw，即實際航向與計劃航向之間的夾角）可以清楚地分辨每個轉彎和平飛過程，視滾轉角的變化（大于20°）定義為“轉彎過程”。圖3顯示在無人機同一個高度上水平轉彎的飛行過程中溫度和相對濕度變化較小，溫度變化為0.1～0.2℃，相對濕度變化為0.1%～2%，溫度（相對濕度）僅隨飛行高度的增加（降低）而減?。ㄔ龃螅也浑S無人機姿態(tài)角的變化顯著變化。通過比較分析該次飛行過程中自動站和GPS探空儀所測數(shù)據(jù)，得到不同高度水平飛行的溫度相關系數(shù)為0.98，絕對偏差為1.83℃；相對濕度的相關系數(shù)為0.75，絕對偏差為4.77%；總飛行過程中溫度相關系數(shù)為0.97，絕對偏差為2.05℃，相對濕度相關系數(shù)為0.52，絕對偏差為4.93%?？梢?，無人機在上升和下降過程中兩種儀器所測的溫度和相對濕度差異稍大，因此以GPS探空儀的測量為參考，對平飛過程自動站的溫度絕對偏差進行訂正，結果與探空儀所測溫度的一致性更好。

由圖3可見，部分相對濕度絕對偏差較大的情況主要發(fā)生在相對濕度變化較大的時段，原因在于兩種濕度傳感器的響應時間不同；在相對濕度空間分布均勻處，兩者所測的相對濕度更為一致。10：55后兩種濕度測量絕對偏差反相，這是由于無人機快速下降時，濕度隨高度變化較大，兩種傳感器響應快慢不同所致。

圖3 2020年8月2日10：10—11：10無人機飛行海拔高度、姿態(tài)角、溫度、相對濕度的變化Fig.3 Time series of the UAV flight height，attitude angles as well as the measured temperature and relative humidity in the flight during 1010BT-1110BT on 2 Aug 2020

2021年夏季試驗中，無人機同時搭載1只GPS探空儀、自動站和維薩拉溫濕探頭，圖4 顯示2021年8月1日下午GPS探空儀和維薩拉溫濕探頭測量的時間序列結果。由圖4可見，兩者趨勢的一致性較好，溫度平均絕對偏差為1.44℃，相對濕度平均絕對偏差為5.73%。14：48后溫濕度均出現(xiàn)絕對偏差反相，原因是隨著飛機較快速的下降，溫度和濕度變化大，而維薩拉溫濕探頭的響應時間較長，測量相對滯后。因此，該型溫濕度傳感器適合低飛行速度 條件下（如旋翼機）的測量。

圖4 2021年8月1日飛行高度、維薩拉溫濕探頭及GPS探空儀的溫度和相對濕度時間序列Fig.4 Time series of flight height，temperature and relative humidity measured by UAV-borne Vaisala temperature and humidity probe and GPS radiosonde on 1 Aug 2021

續(xù)圖4

2 對比分析

2.1 無人機探空數(shù)據(jù)匹配與比較方法

2020年無人機搭載自動站和GPS 探空儀，2021年無人機同時搭載自動站、GPS探空儀、維薩拉溫濕探頭。以GPS探空儀的氣象要素測量值為參考（已通過WMO 比對試驗驗證），對觀測數(shù)據(jù)進行兩兩比對，統(tǒng)計分析前剔除個別異常數(shù)據(jù)。下面分別計算和分析溫度和相對濕度數(shù)據(jù)的相關系數(shù)（以下顯著性水平均為0.05）、絕對偏差和均方差。

2.2 溫度探測比較

圖5為兩次試驗期間無人機機載不同傳感器獲得的可比溫度散點圖，2020年有3組（圖5a）；2021年由于多雨，可飛行的試驗時間少，兩種傳感器同時觀測數(shù)據(jù)各僅有1組。

圖5 無人機機載不同傳感器溫度散點圖（a）2020年8月2，4，5日自動站與GPS探空儀，（b）2021年8月1日維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀，（c）2021年8月3日自動站與GPS探空儀，（d）2021年8月5日維薩拉溫濕探頭與自動站Fig.5 Scatter plots of the temperature measurements by UAV-borne sensors（a）AWS and GPS radiosonde on 2 Aug，4 Aug，5 Aug in 2020，（b）Vaisala temperature and humidity probe and GPS radiosonde on 1 Aug 2021，（c）AWS and GPS radiosonde on 3 Aug 2021，（d）AWS and Vaisala temperature and humidity probe on 5 Aug 2021

續(xù)圖5

圖5a為2020年夏季兩次無人機機載自動站與GPS探空儀所測溫度的對比，計算可得其相關系數(shù)為0.99，絕對偏差為1.74℃，均方差為1.76℃。平飛時段兩者相關系數(shù)為0.99，絕對偏差為1.78℃，均方差為1.81℃。由2020年與2021年溫度的比較結果可見，雖然自動站與GPS探空儀測得的溫度間有絕對偏差，但兩者具有較高相關性，且絕對偏差大小相對固定在2.00～2.35℃范圍內(nèi)。

2021年夏季，無人機機載自動站、GPS探空儀及維薩拉溫濕探頭測得的溫度比較分析結果如下：自動站與GPS 探空儀溫度的相關系數(shù)為0.98，絕對偏差為2.34℃，均方差為2.35℃，平飛過程的相關系數(shù)為0.99，絕對偏差為2.35℃，均方差為2.36℃；維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀平飛過程溫度的相關系數(shù)為0.96，絕對偏差為1.41℃，均方差為1.70℃；維薩拉溫濕探頭與自動站溫度的相關系數(shù)為0.98，絕對偏差為4.13℃，均方差為4.25℃，平飛過程的相關系數(shù)為0.99，絕對偏差為4.49℃，均方差為4.53℃。

從兩期試驗結果的絕對偏差看，自動站與GPS探空儀的溫度測量絕對偏差相對固定，如果以此絕對偏差對無人機機載自動站的溫度進行訂正，則無人機機載自動站探測可得到近地面大氣層水平方向與垂直方向的溫度變化信息。維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀所測溫度數(shù)據(jù)一致性，還需要更多試驗數(shù)據(jù)進一步驗證。

需要說明的是，GPS探空儀上溫度探測的珠狀熱敏電阻器在白天進行探測業(yè)務時會受到輻射加熱而升溫幾度（相對環(huán)境溫度）［35］，自動站可在地面進行測量試驗，而GPS探空儀因無附加的防輻射裝置且可能受電池發(fā)熱影響，故不能在地面進行兩者近距離的對比測試，相對濕度的測量也存在類似問題。

2.3 相對濕度探測比較

比較2020年夏季無人機機載自動站與GPS探空儀的相對濕度數(shù)據(jù)，可分析的數(shù)據(jù)組與溫度相同，并比較分析2021年夏季不同傳感器之間的相對濕度數(shù)據(jù)（圖6）。

圖6a是2021年夏季3 次自動站與GPS 探空儀所測相對濕度的對比，計算可得其相關系數(shù)為0.84，絕對偏差為4.28%，均方差為5.05%；平飛過程的相關系數(shù)為0.83，絕對偏差為4.94%，均方差為5.50%。

圖6 同圖5，但為相對濕度Fig.6 The same as in Fig.6，but for relative humidity

2021年夏季自動站與GPS 探空儀、維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀、維薩拉溫濕探頭與自動站測得的相對濕度比較分析結果如下：自動站與GPS探空儀濕度的相關系數(shù)為0.71，絕對偏差為3.83%，均方差為4.48%，平飛過程的相關系數(shù)為0.91，絕對偏差為4.85%，均方差為5.72%；維薩拉溫濕探頭與GPS 探空儀濕度的相關系數(shù)為0.82，絕對偏差為5.73%，均方差為7.00%，平飛過程的相關系數(shù)為0.92，絕對偏差為6.07%，均方差為7.43%；維薩拉溫濕探頭與自動站濕度的相關系數(shù)為0.78，絕對偏差為6.92%，均方差為8.82%，平飛過程的相關系數(shù)為0.84，絕對偏差為4.88%，均方差為5.75%。

總體上，自動站與探空儀所測相對濕度的絕對偏差小于5%（位于WMO［36］誤差范圍內(nèi)），而標稱精度相對較高的維薩拉溫濕探頭所測數(shù)據(jù)與其他兩種傳感器測值之間的絕對偏差相對較大，原因是其傳感器的響應時間較長，測量結果相對滯后，因此無人機搭載傳感器應盡量采用響應速度快的，才能滿足高時間和空間分辨率探測的要求。

2.4 無人機平飛探測數(shù)據(jù)分析

考察2020年8月2日10：17—10：22無人機平飛以及爬升過程中飛行姿態(tài)對氣象數(shù)據(jù)測量的影響，圖7顯示該時段無人機從海拔高度1525 m 爬升到1578 m 且在1578 m 平飛及轉彎時高度、3個姿態(tài)角、溫度、相對濕度的變化情況。

圖7顯示在1578 m 海拔高度有較長水平飛行，中間有3次轉彎（見圖7的滾轉角）。由平飛過程溫度的變化可見，自動站溫度最大偏差為0.5℃，一般變化幅度為±0.2℃，探空儀溫度的最大變化幅度為0.6℃，一般變化幅度為±0.2℃。兩種傳感器所測溫度均與無人機姿態(tài)角變化無對應關系。由平飛過程相對濕度的變化可知，自動站和探空儀所測相對濕度變化幅度均為3%，同樣不隨無人機的姿態(tài)角變化?？梢姕囟群拖鄬穸葴y量受飛行姿態(tài)影響很小，因此利用無人機進行溫濕度探測可以反映不同高度層的變化，均可保留使用。

無人機平飛過程中對應的飛行時間長度為4～5 mins（對應順風和逆風），水平距離為5000 m，溫度隨高度降低，且在各個高度層均有一定變化，變化幅度明顯大于因飛行高度變化引起的溫度遞減值（0.6℃·（100 m）-1），在距地面300 m 高度的平飛過程短時間（距離）內(nèi)出現(xiàn)了0.6℃的變化，考慮航跡下地形與覆蓋因素，此種現(xiàn)象應為對應山丘地形的熱泡現(xiàn)象，該現(xiàn)象尚需進一步探測驗證。

此外，由圖7可見，相對濕度在相同高度層起伏變化較大，該趨勢在圖2b也有反映，表明無人機能探測到各高度層相對濕度的水平分布不均勻量值，為了能更準確探測相對濕度在空間結構上的差異，采用具有能進行垂直和水平飛行觀測能力的復合翼無人機進行探測。

圖8為2020年8月2日飛行觀測溫度和相對濕度在多高度平飛段的均方差分布。由圖8a可見，自動站和GPS探空儀的溫度均方差均較小，大多分布在0～0.2℃，0.2～0.4℃各出現(xiàn)兩次，進一步說明無人機水平飛行過程溫度測量的一致性；由圖8b可見，自動站和GPS探空儀相對濕度的均方差大多分布在0～4%，4%～8% GPS探空儀出現(xiàn)兩次；相對濕度水平分布均方差隨高度有增大趨勢，可能對應增大的水平不均勻性。

圖8 2020年8月2日無人機在13個高度平飛過程中溫度（a）和相對濕度（b）均方差Fig.8 Mean square error of air temperature（a）and relative humidity（b）measured by the UAV during the constant level flights on 2 Aug 2020

3 結論與討論

為驗證長航時無人機的飛行能力及機載自動站的可用性，在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗開展了兩期綜合觀測試驗。該型無人機機載自動站、GPS探空儀和維薩拉溫濕探頭，進行多高度層往返水平飛行，獲得溫度和濕度的探測數(shù)據(jù)，對3種探測數(shù)據(jù)進行分析與比較，主要結論如下：

1）兩期無人機飛行探測試驗表明，該新型無人機上搭載自動站進行溫度和相對濕度的探測。2020年夏季試驗中，無人機同時搭載自動站與GPS探空儀，二者的測量一致性很好，雖然兩者所測溫度存在2.00℃～2.35℃的絕對偏差，但其變化趨勢一致，同時自動站所測溫度數(shù)據(jù)與GPS探空儀的絕對偏差與儀器的誤差范圍基本符合，且絕對偏差相對固定，偏差訂正后的測量數(shù)據(jù)可在業(yè)務上使用。

2）2020年試驗無人機搭載自動站和GPS探空儀測量的相對濕度絕對偏差范圍在4.5%以內(nèi)，能夠滿足WMO 對相對濕度測量比對要求；2021年夏季試驗無人機搭載GPS探空儀與維薩拉溫濕探頭所測的溫濕度數(shù)據(jù)也有良好的一致性，但維薩拉溫濕度傳感器表現(xiàn)出響應時間明顯滯后，而響應時間長的傳感器不適合應用于復合翼機上的探測。

3）無人機機載自動站在上升和下降階段可獲得近地面大氣層溫濕廓線資料，但過快的下降速度造成溫濕傳感器時滯效應明顯，不適合飛行速度較快的探測；無人機在平飛過程的飛行姿態(tài)變化及轉彎對溫度和濕度測量的影響可以忽略，平飛段溫濕變化反映邊界層大氣水平不均勻性，為了能更準確探測溫濕在空間結構上的差異性，采用具有在大氣近地面層中進行垂直和水平飛行觀測能力的無人機進行探測具有一定優(yōu)勢。

兩期飛行探測試驗初步表明，復合翼無人機是一種探測近地面大氣層的實用飛行平臺。但由于空域限制，飛行試驗獲取的數(shù)據(jù)量較少，同時溫濕傳感器的時滯效應對測量的準確性造成影響，目前還不足以對多種近地面大氣層結構特征和變化規(guī)律的研究提供支撐，今后將進行加密探測試驗，搭載更多類型適宜于復合翼無人機類型的氣象要素傳感器，尤其是搭載具備測風能力的微型自動站，解決無人機測風問題；通過觀測數(shù)據(jù)的比較，優(yōu)化確定機載傳感器和相應飛行方式（即不同上升、下降和水平飛行模式），以便更好地對近地面大氣層開展無人機探測，提升無人機大氣探測技術水平。此外，應增加部署其他地基大氣廓線探測設備，如風廓線雷達和激光測溫測風等，開展多源探測數(shù)據(jù)的比較與融合分析。