多要素氣象觀測無人機系統的設計與應用

(廣州市氣象局，廣州 511430)

0 引言

我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一，尤其是氣象災害約占各類自然災害的70%以上，因此，必須加強氣象觀測及相關災害的預警體系建設，盡可能獲得更加全面和精確的氣象資料，為防御氣象災害和突發氣象事件應急預警提供有力支持。傳統的氣象觀測通常包括高空觀測和地面觀測。其中，高空觀測主要是指基于氣象衛星、探空氣球、氣象飛機、氣象火箭等平臺，利用觀測儀器對大氣中各個高度的氣象狀況進行探測；地面觀測則主要指基于地面氣象觀測站，利用觀測儀器，如氣溫計、雨量計、風廓線雷達、微波輻射計、激光雷達等，每日逐次不間斷的收集觀測資料。由于各種觀測方式的觀測范圍、精確度、時效性、連續性等均有不同，因此又具有不同的應用領域。

近年來，隨著計算機、無人駕駛、智能控制、傳感器和氣象觀測等技術的不斷創新發展和國內低空空域的開放，民用無人機在各領域的應用開始日益普及和成熟，使利用無人機服務于氣象觀測成為可能。由于其具有體積小、重量輕、易拆卸、使用靈活、精度高、成本低等各種優點[1]，如能搭載合適的氣象觀測設備，則有可能為我們開展大城市小尺度精細化氣象觀測提供一種有效的手段和平臺，彌補衛星觀測、高空觀測、地面觀測等傳統氣象觀測手段通常只適用于監測較大范圍時間和空間尺度天氣系統的不足，為開展低空氣象探測技術研究、大城市精細化氣象預報、應急救災[2-3]、大氣污染研究、城市規劃論證、交通旅游服務以及氣象科普宣傳等應用提供有效的技術支撐。

國外對于氣象觀測無人機的研究，主要集中在研究探索領域，起步較早的如澳大利亞Aerosonde公司在1997年就發布了固定翼氣象無人機并在該領域一直處于領先地位，美國、日本等國科學家先后利用該飛機成功進行過低空氣象[4]和臺風觀測試驗，如美國海洋大氣局大西洋氣象實驗室用該無人機對奧費利婭(Ophelia)颶風進行了長時間的觀測飛行[5]。我國自1997年起，在這方面也作了大量工作，并取得一定成效，如沈陽航天新光集團和裝備指揮學院就共同研制了代號“TF-1”的氣象探測無人機系統，可完成預定飛行區域內的大氣溫度、濕度、氣壓、風向、風速等要素的測量任務。2008年7月，中國大陸首次利用無人機探測方式對臺風“海鷗”進行了探測，飛行時間3小時，高度500 m，距風眼最小距離100 km，獲取了90%以上氣象要素資料。但是，目前已有的氣象觀測無人機研究主要集中于固定翼、長航時、遠距離中小型無人機平臺，這類無人機平臺在沙漠、高山、海洋、冰川等人員難以到達的偏遠和危險地區適用性較好，特別適用于臺風、洪澇等突發性自然災害的特殊環境中，但也存在著起降條件要求高、操控專業性強、難以進行垂直觀測等不利因素，影響了其適用范圍。而近年來，隨著微小型無人機技術的發展和成熟，特別是多旋翼無人機技術的迅速發展，為我們開展氣象觀測無人機技術研究開辟了一條新的途徑，利用搭載各類氣象載荷的多旋翼無人機起降靈活、操控簡單、自由懸停、成本較低等特點，可為我們開展大城市小尺度精細化垂直氣象觀測及其時空演變研究，建立城市冠層氣象觀測體系，提供一種全新高效的平臺[6-7]。

1 系統結構及原理

基于多旋翼無人機的多要素氣象觀測系統與其他類型的無人機系統相比，其外觀結構、應用領域、性能指標均有所不同，但從系統原理和系統結構上講，它同時也符合一個典型的無人機系統組成結構，如圖1，主要包括無人機平臺、氣象觀測載荷、地空通信模塊、地面站系統等部分[8]。

圖1 多要素氣象觀測無人機系統組成

其中，無人機平臺是整個氣象探測系統的工作平臺，采用GPS+慣性導航系統，具有自動導航、自動/手動駕駛功能，能在飛控系統控制下完成預定航線飛行，并實時傳送飛參和探測數據。氣象觀測載荷由各類氣象探測傳感器及定制開發的數據采集模塊組成，用于氣溫、相對濕度、風速風向、氣壓、顆粒物濃度等氣象要素數據的收集和解析。地空通信模塊主要負責通過2.4 GHz無線信道上傳地面控制指令和下傳飛機飛行狀態參數及氣象探測數據。地面站主要包括遙控設備、平板和狀態監控軟件、觀測數據展示系統。

2 系統硬件設計

2.1 無人機平臺

考慮到城市精細化小尺度氣象觀測的使用需求，多要素氣象觀測無人機系統選用可折疊六旋翼無人機平臺(圖2)，該平臺是一種十分成熟的機型，機械結構簡單、負載能力強、可靠性高、噪音小，具備一定抗風和抗惡劣環境能力，最大有效載荷可達16 kg，由6組電機提供動力冗余，在單個電機或旋翼故障時，飛控仍然可以通過調整各電機輸出維持飛機的平衡和控制。

其機身部分采用碳纖維材料，電機座連接件采用鋁合金制作，配合防滑螺帽鎖定，從而在降低機體重量的前提下，取得了較高的機械強度。動力系統則使用2組12 V鋰電池(16000 mah)并聯進行供電，通過六組外轉子無刷直流電機驅動螺旋槳獲得足夠升力。飛控系統則由飛行控制器、姿態傳感器和GPS定位系統組成，可支持預定航線自動飛行和完全手動控制飛行。

圖2 六旋翼無人機平臺

無人機平臺主要性能指標如表1所示。

表1 無人機主要技術指標

2.2 氣象載荷

氣象載荷是無人機上用來完成氣象觀測任務使用的各種設備，是整個氣象觀測無人機系統最核心的組成部分。主要由溫度、濕度、氣壓、風速、風向、顆粒物濃度傳感器和數據采集模塊構成，其工作原理如圖3，數據采集模塊采集到氣象傳感器數據后，通過飛控數據傳輸接口使用2.4 GHz無線信道回傳到地面遙控器中，經過初步處理后再通過Google的AOA技術，將數據字節傳輸到地面站APP軟件進行解析處理、校正糾偏并封裝成Json指定格式的字符串通過Http協議以Post形式提交到數據庫服務器，最終通過觀測數據展示平臺實時顯示。

圖3 數據流圖

由于氣象傳感器性能好壞直接關系到觀測任務完成質量，通過調研論證，溫度、濕度、氣壓、風速、風向測量選用德國Lufft公司的WS800一體化氣象站完成，該組件結構輕巧緊湊，集成多種氣象要素傳感器，尤其是使用超聲波測風技術、MEMS電容測壓技術、NTC熱敏電阻測溫技術、電容式測濕技術，僅重1.5 kg，適于通過固定支架安裝于無人機上。通過基于Spalart-Allmaras模型對多旋翼無人機的流場仿真計算可得出，在無人機中心軸上氣體流動較為平緩，且上方氣流強度要遠小于下方，對傳感器測量干擾最小。因此，在保證無人機結構穩定性的前提下，將氣象傳感器安裝于旋翼無人機安裝于中心軸上方更適合傳感器測量，使其盡可能不會受到無人機飛行時螺旋槳擾動氣流影響[9]。顆粒物濃度測量則選用德國Grimm公司的11-E迷你激光粒徑譜儀完成，其基于散射光測量技術，可獲得空氣中粒徑0.25 μm到32 μm的顆粒物分布數據，僅重1.7 kg，適于安裝于所選無人機機身內部，并且為保證儀器測量準確性，將探頭引出至中心軸上部支架以采集空氣樣本。

整個氣象載荷主要技術指標見表2。

表2 氣象載荷主要技術指標

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊是整個氣象觀測無人機的重要模塊，負責完成讀取、解析、回傳機載氣象傳感設備和顆粒物濃度傳感設備的探測數據，同時還要為各傳感設備和其他器件供電，以及檢測實時電壓。因此，其主要由數據處理芯片、數據回傳接口、數據讀取接口、電源模塊和電壓檢測模塊幾個部分組成。由于氣象傳感器采集數據的讀取與解析需要進行大量的運算，故數據處理芯片選用了運算性能較強的意法半導體公司生產的STM32F103RCT6低功耗嵌入式微控制器開發[10]，該處理器是針對低功耗和低成本應用而設計的高集成度32位嵌入式微控制器，采用了當前最為流行ARMCortex-M3內核，最高工作頻率在72 MHz，內部4個16位定時器，最多可產生16路獨立的PWM、2個12位精度A/D轉換器，集成有各種通信接口(UART，SPI，I2C，SDIO)，完全能夠滿足本設計的基本要求。數據回傳接口即使用該處理器自帶USART異步串口開發，配合外圍通訊接口芯片SP3485和MAX3232,通過RS-485接口和RS-232接口每隔6 s分別采集、解析一次WS800和11-E的傳感器數據。電源模塊使用TPS54560、TPS54260、AMS1117-3.3作為電源芯片，其中TPS54560電源芯片為氣象傳感設備和顆粒物濃度傳感設備提供12V直流電源，TPS54260電源芯片向LM358等IC提供5 V電源，而AMS1117-3.3為STM32F103RCT6處理器提供3.3 V電源。電壓檢測模塊則使用LM358運放芯片對電池電壓進行采樣，使處理器能夠實時讀取電池電壓。

由于處理器運行的是微型操作系統μC/OS-III，同時啟動了兩個任務分別處理氣象傳感器數據和顆粒物濃度儀數據，每個任務的處理類似且相對獨立，其整個采集程序流程如圖4所示。

圖4 數據傳輸模塊流程圖

3 系統軟件設計

3.1 地面站控制軟件

地面站是整個氣象觀測無人機系統的控制中心，由遙控設備、計算機、顯示設備、通信設備等組成。主要功能包括控制無人機飛行姿態、無人機狀態參數顯示、任務規劃、氣象載荷數據顯示及推送等[11]，如圖5所示。

圖5 地面站控制軟件界面

運行于Android平臺的地面站控制軟件基于高德SDK和DJI SDK開發，其中高德SDK用于衛星地圖顯示和無人機的實時位置標記，DJI SDK則用于向遙控器發送飛行控制指令，接收處理飛控回傳的飛機參數數據和氣象傳感設備數據。

當氣象數據通過遙控設備回傳到地面站Android設備之后，將按照不同的測量數據種類進行相應的解析(每種測量的數據均為4個字節單精度浮點數)，最終得到具體的數據，顯示到Android設備的屏幕上，并實時自動保存到本地目錄下的csv文件中，此外，還需將數據封裝成Json指定格式的字符串，通過Http協議將數據以Post形式推送到遠端數據庫服務器中供觀測數據實時監控軟件讀取顯示。

3.2 觀測數據實時監控軟件

無人機觀測數據實時監控軟件(圖6)是整個氣象觀測無人機系統的最終用戶界面[12]。其主要功能一方面是實時接收并以時間軸和儀表盤兩種方式動態顯示當前由地面站傳回的溫度、濕度、氣壓、風速、風向、全輻射、PM1、PM2.5、PM10、TSP等氣象觀測數據，同時在衛星地圖上給出無人機當前位置和飛行狀態參數，如高度、速度、俯仰角、航偏角；另一方面，軟件還可支持讀取后臺數據庫中存儲的飛行歷史數據，根據選擇的日期按時間序列進行完整的動態數據回放和歷史重演。

圖6 無人機觀測數據實時監控軟件

軟件采用WEB開發標準，基于B/S結構，使用ECMAScript 6.0、Html5、CSS3.0、Javascript等技術開發，其中，頁面采用前端MVC框架設計，通過合理優化頁面數據與視圖的加載流程，可使用戶輕松實現對無人機實時數據的滾動查看與監控，對于氣象探測要素儀表盤和無人機飛行狀態的展示則采用了SVG矢量圖形技術+衛星地圖的方式進行直觀的可視化呈現，達到無變形任意縮放效果，實時數據通信方面則采用了WebSocket技術。

2.4 實驗結果與分析

2016年9月～2018年7月，氣象觀測無人機系統進行了多次原理驗證飛行實驗及校對飛行實驗，不僅測試了無人機系統與氣象載荷設備的兼容性，還區分不同時間段不同高度層上進行了氣象要素數據采集、傳輸以及與實驗區域標準氣象自動站數據的比對測試，通過試驗驗證了無人機觀測數據的可信性和可靠性，獲得了較滿意的效果。圖7為2018年7月9日在廣州市黃埔區59287國家基本氣象站觀測場飛行試驗所獲取的氣象要素數據，試驗共分別飛行兩架次，每架次分別在地面、相對高度75 m和相對高度150 m懸停采集數據，共獲取數據738組；圖8為2016年9月28日在廣州市番禺區G1000區域氣象自動站觀測場飛行試驗所獲取的氣象要素數據，實驗飛行一架次，在地面、相對高度15 m、相對高度50 m和相對高度150 m共獲取數據68組。通過將以上實驗數據與相同時刻實驗場地中氣象觀測場自動站的觀測數據比對可得出：

圖7 2018年7月9日飛行試驗數據

圖8 2016年9月28日飛行試驗數據

從多次實驗數據的氣溫曲線上對比看，無人機在近地面(即相對高度為0 m)時，獲取的氣溫值與地面氣象自動站觀測數據基本一致，偏差不超過0.2 ℃，隨著無人機相對高度增加，氣溫呈略微下降趨勢，符合氣溫垂直遞減率，即標準大氣壓下，每上升100 m，氣溫下降0.6 ℃，體現出氣溫與高度變化的反相關性；從氣壓曲線的對比上看，無人機在近地面獲取的氣壓值同樣與地面氣象自動站觀測數據基本一致，偏差不超過1 hPa，隨著無人機高度的上升，氣壓出現了顯著的線性反相關性，相關系數達到了0.95，體現出了氣壓隨高度增加的遞減趨勢；從相對濕度曲線對比上看，無人機在近地面所獲取相對濕度值與地面氣象自動站觀測值基本一致，略微偏高5%，判斷為傳感器差異引

起，隨著無人機高度增加，相對濕度值在當時環境下呈現出隨高度增加的正相關性，同時，由于相對濕度的測量有一個時間過程，導致數據變化有一定遲滯性，所以反映在相對濕度變化曲線上有一定滯后；從風速曲線上，則可以看出空中風速相對于地面明顯增大，符合真實情況[13]。

此外，2018年7月9日氣象觀測無人機系統在廣州黃埔59287國家基本氣象站觀測場通過機載迷你激光粒徑譜儀所采集的兩個時段地面、80 m、150 m三個不同高度空氣顆粒物濃度及高度數據如圖9，從圖中可得出實驗地點在近地面三個不同高度范圍內，顆粒物質濃度數據分布較均勻，PM10均值為34.96 μg/m3，PM2.5均值為20.45 μg/m3，與附近的廣州市環保局科學城監測站實時數據基本一致，垂直方向上空氣顆粒物質濃度無明顯變化，空氣質量優。

圖9 2018年7月9日飛行實驗顆粒物濃度數據

5 結束語

通過多次飛行試驗的數據分析表明，本氣象觀測無人機系統設計方案科學合理，觀測數據真實可信，其系統投資少，使用靈活方便，工作效率高，可為小尺度精細化氣象觀測提供一種新的技術平臺和工具，有利于完善中小尺度、特別是小尺度天氣觀測系統，為大城市精細化氣象預報服務提供更好的支撐；為開展低空大氣污染物垂直結構及其時空演變的研究、城市熱島效應、城市內澇分析等方面提供第一手資料；還可應用于氣象應急救災、氣象科普、環保監測、農業生產等領域，具有廣泛的應用前景。下一步，還可就多架無人機組網協同觀測、自主控制、抗干擾及續航等方面問題繼續做進一步深入研究。