無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王小蘭，郭 然，張雪芬，費(fèi)習(xí)坤，王志成

(中國氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081)

0 引言

機(jī)載觀測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)海洋及陸地上不易建站區(qū)域氣象觀測(cè)的重要手段[1]，已成為國際上公認(rèn)的性價(jià)比高并且數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的大氣垂直探測(cè)手段[2]，特別是對(duì)于海上臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)特征的直接觀測(cè)，研究表明使用飛機(jī)下投探空方式對(duì)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)所獲取的高精度探測(cè)資料對(duì)于剖析臺(tái)風(fēng)的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征有重要作用[3-5]，將同化技術(shù)應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報(bào)模式后能較明顯地改進(jìn)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)能力[6，7]。與有人飛機(jī)的臺(tái)風(fēng)探測(cè)不同，無人飛機(jī)(即無人機(jī))具有相對(duì)低的成本且無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)[8]，因此長航時(shí)高空無人機(jī)下投探空技術(shù)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(shí)無人機(jī)“全球鷹(GlobalHawk)”對(duì)大西洋5個(gè)颶風(fēng)進(jìn)行了成功地飛行探測(cè)之后，基于無人機(jī)平臺(tái)建立高空下投探空和近地、近水面飛行觀測(cè)相結(jié)合的臺(tái)風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)體系漸成趨勢(shì)[10]。為了實(shí)施國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“近海臺(tái)風(fēng)立體協(xié)同觀測(cè)科學(xué)試驗(yàn)”，加強(qiáng)目標(biāo)臺(tái)風(fēng)的直接觀測(cè)并據(jù)此研制和改進(jìn)臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式邊界層及云微物理過程參數(shù)化方案，進(jìn)一步提高中國臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力，中國氣象局氣象探測(cè)中心組織開展其子課題“新型觀測(cè)平臺(tái)的臺(tái)風(fēng)探測(cè)適應(yīng)性改進(jìn)”試驗(yàn)，配套設(shè)計(jì)開發(fā)了無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(v1.0)，用于大型高空長航時(shí)無人機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)的航路制作、飛行監(jiān)控和下投探空數(shù)據(jù)接收顯示，并在2020年8月中國氣象局“海燕計(jì)劃”南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)試驗(yàn)中獲得應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(v1.0)針對(duì)大型無人機(jī)及下投探空載荷觀測(cè)試驗(yàn)的需求，分為國家級(jí)指揮中心和無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)下探作業(yè)現(xiàn)場方艙兩級(jí)部署，滿足無人機(jī)下投探空作業(yè)的全國作業(yè)指揮和現(xiàn)場作業(yè)及氣象保障，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮氣象保障圖層、無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和下投探空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化處理，基于WebGIS技術(shù)通過空域、氣象、航路圖層的疊加實(shí)現(xiàn)航路規(guī)劃、實(shí)際飛行航路和下投點(diǎn)顯示等功能；基于MySQL數(shù)據(jù)庫，收集氣象保障數(shù)據(jù)、無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和下投探空試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，統(tǒng)一建庫和數(shù)據(jù)處理，支持各類氣象保障數(shù)據(jù)圖層、飛行狀態(tài)和下投探空試驗(yàn)數(shù)據(jù)的疊加和展示等功能。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.2 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由無人機(jī)下投探空試驗(yàn)作業(yè)的航路制作、飛行監(jiān)控和載荷數(shù)據(jù)顯示3個(gè)功能模塊組成，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息的收集、計(jì)算處理、統(tǒng)計(jì)分析和信息交互等功能，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控自動(dòng)化和信息顯示實(shí)時(shí)化[11]。

航路制作模塊根據(jù)飛行任務(wù)要求，在電子地圖上加載空域規(guī)劃(限制)圖和無人機(jī)指揮中心發(fā)布的飛機(jī)航路預(yù)報(bào)信息，結(jié)合無人機(jī)的航程、航時(shí)、飛行范圍等指標(biāo)，實(shí)時(shí)選擇、加載和刷新(可定頻次自動(dòng)刷新)氣象背景圖，包括臺(tái)風(fēng)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(dá)組網(wǎng)圖層、數(shù)值預(yù)報(bào)模式氣象要素圖層，同時(shí)人工經(jīng)驗(yàn)借鑒Micaps、Swan等模式產(chǎn)品，編輯目標(biāo)區(qū)航線和下投點(diǎn)設(shè)計(jì)。

飛行監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)接收無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)、各類氣象實(shí)況背景圖層數(shù)據(jù)、無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行視頻信息、飛行實(shí)際航線數(shù)據(jù)等，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，并在界面動(dòng)態(tài)顯示無人機(jī)飛行狀態(tài)(經(jīng)度、緯度、海高、航速、航向等)、實(shí)時(shí)氣象背景數(shù)據(jù)疊加顯示實(shí)況圖、飛行實(shí)時(shí)軌跡和預(yù)設(shè)航線對(duì)比疊加圖、飛行實(shí)時(shí)軌跡和危險(xiǎn)天氣區(qū)圖疊加自動(dòng)告警，以及無人機(jī)自帶攝像頭的視頻畫面顯示。

載荷數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)接收下投探空載荷的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)初步質(zhì)控和插值處理，展示下投探空實(shí)測(cè)的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)和垂直廓線圖形。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 信息鏈路設(shè)計(jì)

無人機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)作業(yè)要求保持探空儀—無人機(jī)平臺(tái)—地面控制站—無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(北京指揮中心)—?dú)庀髽I(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)鏈路暢通，文章設(shè)計(jì)了觀測(cè)試驗(yàn)整體鏈路，以多種通信和數(shù)據(jù)接口處理方式保障無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的輸入輸出。空地傳輸鏈路重點(diǎn)是空地?cái)?shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)定度[12]，結(jié)合大型無人機(jī)航程、作業(yè)區(qū)域和范圍的特點(diǎn)，使用衛(wèi)星通信方式保障空地鏈路傳輸[13]；無人機(jī)地面站、其他氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)(CIMISS、Micaps等)為無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)提供飛行數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)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(jié)合的通信方式為探空儀—接收機(jī)—無人機(jī)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)聯(lián)通；使用互聯(lián)網(wǎng)(云服務(wù)中轉(zhuǎn))通信傳輸保障無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)與北京指揮中心部署系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步和信息交互。通過此次觀測(cè)試驗(yàn)的鏈路設(shè)計(jì)和實(shí)踐，考慮現(xiàn)代移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)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(gòu)建無人機(jī)應(yīng)急觀測(cè)業(yè)務(wù)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)共識(shí)。

2.2 多源數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(v1.0)充分考慮試驗(yàn)過程中涉及的各類數(shù)據(jù)。輸入的數(shù)據(jù)主要是氣象實(shí)況和分析數(shù)據(jù)、飛機(jī)飛行實(shí)況數(shù)據(jù)、探空載荷觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和指揮中心的指令信息等，輸出的數(shù)據(jù)主要是經(jīng)過解析計(jì)算處理后的圖形化氣象條件分析數(shù)據(jù)、經(jīng)過初步判別和計(jì)算處理的載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)和圖形等。系統(tǒng)基于MySQL數(shù)據(jù)庫解析和API接口文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用，采取“縱向多級(jí)、橫向網(wǎng)格”的組網(wǎng)方案，基于GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)管理機(jī)制以實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的分布式管理，具備并行和實(shí)時(shí)處理能力，既可以保留數(shù)據(jù)異構(gòu)和分布性的優(yōu)勢(shì)，也可以為更多資源共享、處理協(xié)同與任務(wù)合作方面的用戶提供一致化的服務(wù)接口和方式。

3 應(yīng)用實(shí)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(jì)劃”2020年南海臺(tái)風(fēng)觀測(cè)試驗(yàn)中，在2020-08-02，中國首次基于大型高空長時(shí)航無人機(jī)并攜帶首創(chuàng)螺旋式氣象載荷結(jié)構(gòu)[15，16]對(duì)臺(tái)風(fēng)“森拉克”外圍云系的綜合探測(cè)試驗(yàn)的成功實(shí)施，填補(bǔ)了中國基于大型高空無人機(jī)[17]開展海洋綜合觀測(cè)的空白。該試驗(yàn)中，通過無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)v1.0實(shí)現(xiàn)了制定飛行航路、實(shí)時(shí)展示氣象實(shí)況條件、實(shí)時(shí)展示飛機(jī)和下投探空狀態(tài)、接收處理顯示下投探空數(shù)據(jù)等，為該試驗(yàn)的順利實(shí)施發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)束語

無人機(jī)移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)v1.0的初步設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)保障了中國首次大型無人機(jī)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)試驗(yàn)的順利開展，是無人機(jī)氣象探測(cè)觀測(cè)試驗(yàn)及未來無人機(jī)應(yīng)急觀測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分。通過實(shí)踐應(yīng)用，系統(tǒng)在以下4個(gè)方面還需進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化和擴(kuò)展功能：1)信息鏈路保障升級(jí)，為了此次試驗(yàn)的順利開展采取了多種鏈路結(jié)合的方式，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)或業(yè)務(wù)情況設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定、通適的信息鏈路；2)對(duì)于各類氣象數(shù)據(jù)收集和處理需要較為強(qiáng)大的服務(wù)器處理能力，以及開拓更多針對(duì)性的觀測(cè)產(chǎn)品和展示效果；3)此次試驗(yàn)的載荷包括了下投探空和機(jī)載毫米波云雷達(dá)，下投探空的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回系統(tǒng)，云雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)則先存儲(chǔ)后帶回處理，未來試驗(yàn)開展和應(yīng)急業(yè)務(wù)系統(tǒng)將增加和接入更多新型載荷設(shè)備，需要拓展和升級(jí)數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)處理和顯示功能；4)導(dǎo)航制作和實(shí)時(shí)顯示功能在實(shí)時(shí)預(yù)警、短臨保障、自動(dòng)智能規(guī)劃航線方面需要進(jìn)一步深入研究和實(shí)現(xiàn)。