淺談應用無人機進行L波段探空雷達標定

（長沙市氣象局大氣探測中心，湖南長沙 410000）

0.引言

要使天氣預報做到精準，高空氣象數據獲取上就必須做到高精準、高品質。作為高空氣象的觀測平臺L波段探空雷達，其工作狀態是否正常和規范，直接影響到高空氣象數據的精準度。因此，雷達觀測精度標校是雷達機務人員日常維護的重要工作之一。

1.按照中國氣象局的規范要求，雷達在使用一定時間后必須進行精度檢查標校

1.1 雷達標校的主要項目

雷達標校的主要項目：光軸與俯仰軸垂直標定、光軸與海平面平行標定、方位角標定、距離零點標定、光軸、機械軸與電軸一致的標定等。

1.2 《L波段高空氣象探測系統設備維護、維修手冊》要求

1.2.1 距離零點標定要求

（1）小發射機標定要求將探空儀放置在距離雷達100m～200m處；（2）大發射機標定要求將探空儀放置在距離雷達100m～450m以上處。

1.2.2 光軸、機械軸與電軸一致性要求

（1）檢查光軸與仰角軸垂直，利用固定目標物進行標定，要求固定目標物＞2km；（2）正點放球時間，使用經緯儀和瞄準鏡并觀察雷達顯示器四條亮線進行標定；要求操作人員業務熟練、配合默契；（3）系留氣球法，要求在靜風或微風的白天進行，且目標探空儀的仰角應＞15°，斜距應＞500m。

2.傳統標定方式的局限性

由于探空業務對周邊觀測環境的要求，許多探空站山頂或城市郊區制高點，建于山頂之上的雷達若按規范要求進行標定則很難達到要求。如：建在山頂上的雷達天線，其山頂平面一般都不到100m，探空儀與雷達的距離應在100m～200m處的要求。再如：光軸、機械軸與電軸一致性標定，要求固定目標物＞2km且高于雷達，也很難合乎要求。較為精確的系留氣球法，由于要求要求在靜風或微風的白天進行，且目標探空儀的仰角應＞15°，斜距應＞500m，無論人力物力都很難實現。

針對上述的難點，目前普遍采取主要采取人工計算理論參數對比訂正。比如雷達站周圍找不到2km外的目標，則采用人工自制設備作為近距離目標物，以理論計算為依據，調整和理論依據同遠距離目標物標定一致。雖然能夠達標，但精度會受到一定的影響。而應用白天或正點放球進行標定，因為氣球是快速移動的目標，且要多人配合，因此很難在短時間內一次性迅速精確調整到位。

3.應用無人機進行雷達標定可解決客觀條件的局限，有效提高標定精度

近年來，隨著科學技術的不斷發展，無人機技術愈加成熟，無人機也成了氣象服務的重要成員，能夠在氣象工作多領域，提供全方位、多元化輔助工作，使氣象工作從平面延伸到空間。（以使用的大疆精靈4為例）。

3.1 工作特性

無人機具有不受場地、距離限制，可多次往返作業，搭載目標物可在任意點懸停固定等特性。

（1）該型無人機的控制距離在3.5km～7km，因此，在雷達標定時，可迅速達到標定所要求的任意位置；

（2）載荷能力1kg以上，可掛載約500g的探空儀擔任目標物；

（3）一次飛行滯空可達30min，為工作人員檢查調整留有充裕的時間；

（4）可在任意高度和方位懸停，為標定提供較多的參考數據；

（5）可往返多次懸掛不同的探空儀進行平均值標定，避免因探空儀性能差異誤導而影響標定精度。

3.2 應用無人機進行雷達標定的方法

2017年長沙探空站嘗試使用無人機進行探空雷達標定，實踐證明，應用無人機進行雷達標定可達到技術規范要求。主要標定項目和方法：

3.2.1 大、小發射機距離標定

應用無人機可定點、定高、定距的特性，用無人機將探空儀飛至距離雷達天線直線距離約100m～200m的地方，因為不同的探空儀存在回答延時差異，一般選用2～3個探空儀，取平均值。

方法：無人機懸掛探空儀飛至距雷達200m處設置定高懸停，在“放球軟件”中調整距離按鈕的左、右鍵，使控制面板上測距顯示為200m，調整測距板11～3上的撥碼開關s1，其值分別為4、8、16、32……，使回波處于2km掃描基線上的“凹口”之間，將測距開關點擊至“自動”，觀查顯示距離與實際距離是否為200m，否則進行調整。再使無人機往返懸掛2～3個探空儀取平均值完成標定[1]。

大發射機距離標定，可將無人機飛至450m處定高懸停，標定方式與小發射機標定相同。撥碼開關為s2，其值為8、6、32、64 ……。

3.2.2 光軸、機械軸與電軸一致性標定

該項目標定要求要保證固定目標物離雷達距離大于2km。在理論分析中，因為距離足夠遠俯仰轉動的距離可忽略不計。若距離不夠遠，則會影響標定的精度[2]。而使用無人機則可將目標物搭載至標定的最佳位置。

方法：（1）光軸與俯仰軸垂直標定。使用無人機將目標物搭載至＞2km的位置固定懸停，調整瞄準鏡支架三角板，使得三角板平面與俯仰軸垂直，使光軸與俯仰軸垂直標定誤差應＜0.1°即可。（2）光軸與電軸一致性標定。無人機將目標物搭載至＞2km的位置，如果回答器在瞄準鏡內的位置與十字線中心的偏離＜ 0.1°，即光軸與電軸一致，則為合格。若偏離＞0.1°，需調整移相器的光軸與電軸至一致[3]。

3.2.3 方位角的標定

無人機將目標物搭載至＞2km的方位角為360°的位置，轉動天線，使瞄準鏡對準目標物，用經緯儀對準同一目標物并讀取目標物的方位角，可以將這個方位角作為天線的實際方位角，若與天線方位角讀數有差異，則轉動天線至實際方位角讀書位置，調整11～8方位板為0°，完成標定[4]。

此外，應用無人機還可以在實行系留氣球法進行雷達全方位標定時，按照目標探空儀對應探空雷達的仰角應＞15°，斜距應＞500m要求，飛至數百米的高空懸停，替代系留氣球完成標定工作作用。

4.結語

以無人機作為雷達標定的輔助工具，可以較大程度的滿足雷達標定的技術規范要求，提高雷達標定的精確度，從而保證了高空氣象觀測數據的精確性。同時還能縮短雷達維護時間，提高工作效率，節省人力物力，起到事半功倍的作用。