面向海上發射任務的氣象海洋無人觀測系統設計與實現

牛向華, 朱文會, 孫秀軍, 張鵬飛, 余江林, 桑宏強, 周 瑩, 李 燦

面向海上發射任務的氣象海洋無人觀測系統設計與實現

牛向華1, 2, 朱文會2, 孫秀軍3, 張鵬飛2, 余江林4, 桑宏強5, 周 瑩3, 李 燦3

(1. 北京應用氣象研究所, 北京, 100029; 2. 地理信息工程國家重點實驗室, 陜西 西安, 710054; 3. 中國海洋大學 物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島, 266100; 4. 太原衛星發射中心, 山西 太原, 030045; 5. 天津工業大學 機械工程學院, 天津, 300387)

2020年9月中旬, 我國在黃海海域成功實施了運載火箭海上發射任務。受限于遠海海域氣象海洋資料獲取難度大, 實時性、分辨率低, 文章創新性地利用新型無人走航式監測平臺搭載多種傳感器, 為海上發射任務提供精細化氣象海洋實況觀測保障。首先通過實際應用需求分析, 設計了針對此次保障的海上觀測實施技術方案, 選擇波浪滑翔器作為觀測平臺, 搭載氣象、水溫和波浪等多種傳感器, 采用定點運行觀測模式, 使用北斗通信并設計相應數據傳輸和處理機制, 以滿足氣象海洋預報對實時觀測數據的實際需求。其次通過數據綜合分析驗證了此次任務中該系統在實施氣象海洋保障工作中的穩定性和可靠性。最后提出了針對海上氣象海洋觀測的幾點思考, 為后續海上發射氣象海洋保障任務提供參考。

波浪滑翔器; 氣象海洋觀測; 海上發射

0 引言

2020年9月15日09時23分, 我國在黃海海域用長征十一號海射運載火箭, 采取“一箭九星”方式將“吉林一號”高分03-1組衛星送入預定軌道, 發射獲得圓滿成功。運載火箭海上發射具有靈活性強、任務適應性好、發射經濟性優等特點, 可滿足各種軌道有效載荷發射需求[1-3]。此次發射是我國第2次海上發射, 在進一步驗證海上發射可靠性的同時, 還優化了發射流程和管理流程。

由于火箭發射的位置和軌跡都是精確計算后提前確定的, 所以要保證火箭順利進入預定軌道, 發射平臺必須準確停泊在預定位置, 在可用發射窗口內實施。但發射平臺由陸地轉移到茫茫大海上, 首先要應對的就是海洋高鹽度、高濕度、海況變化帶來的影響以及各種復雜天氣[4], 因此, 有效的氣象海洋保障對于運載火箭海上發射實施具有重要意義。通過準確高效的氣象海洋實況數據采集, 可為氣象海洋精確預報提供有效的訂正參考[5], 進而保障火箭發射窗口選擇等關鍵任務環節順利實施。

相關海域的實時觀測資料是精細化氣象海洋預報的基礎[6], 相應的觀測數據在我國目前的數據體系中獲取難度較大[7]。常用海上觀測手段有衛星遙感、艦船觀測和浮標觀測等。其中, 衛星遙感數據只能針對覆蓋區域的某瞬時情況進行非接觸式測量, 其連續性、準確性和實效性均難以保證; 艦船觀測是人為獲取數據, 樣本點少, 成本昂貴; 浮標觀測時浮標分布呈現“近多遠少”的特征, 而發射任務首區一般處于遠?；蚬：Ｓ? 相關區域由于現實觀測需求迫切程度不高, 加之浮標管理難度大, 浮標布設較少, 觀測手段比較缺乏。因此, 對于海上發射這種非固定期非固定點任務, 實施局部海域氣象海洋精細化觀測, 其承擔觀測任務的平臺需要具備較好的自主性、機動性以及長時序海上觀測等能力, 才能更好地適應氣象海洋保障的要求[8]。

近年來, 無人走航式監測平臺技術發展迅速, 在海洋環境監測領域的應用日益廣泛[9], 其集成化程度高, 可搭載各種傳感器實現實時數據遠距離傳輸; 功能多樣化, 具體應用包括無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機以及自主水下航行器等。其中, 波浪滑翔器是一種新型走航式海洋觀測平臺, 其研究技術已經十分成熟, 具有巨大的應用前景。美國Liquid Robotics公司研發的波浪滑翔器已在海洋科學、海洋工程甚至軍事領域都得到了廣泛的應用[10-11]。國內在波浪滑翔器技術領域取得了一定的研究成果[12-13]。但在氣象海洋保障方面的應用仍處于空白狀態。文章創新性地利用新型無人走航式平臺搭載多種傳感器作為觀測平臺, 為海上發射任務獲取精細化氣象海洋保障提供了一種新的途徑。

1 方法與過程

海上發射氣象水文觀測涉及陸地、海洋等多個作業域, 包括海上設備布放、岸基部署、數據采集、數據處理推送及設備回收等多項工作。

1.1 能力需求分析

此次任務位于遠海海域, 發射過程中除隨船人工觀測外, 最近的浮標站距離發射點也有幾十公里。海上發射保障任務除陸上常規要素需求外, 還加入了海況條件要求, 尤其對有效波高提出了明確限制。發射過程中預報員需制作短臨和中期預報, 保障方需提供發射海域實時觀測數據, 要求時間分辨率為1 h, 且需根據實際情況隨時提供加密數據。

針對此次任務特點, 通過多方考察和綜合比較, 任務團隊提出利用新型無人走航式平臺—波浪滑翔器搭載多種傳感器開展發射海域氣象海洋實況觀測的方案。波浪滑翔器是一型由水面母船和水下牽引機構成的新型無人自主航行器, 其結構如圖1所示。

圖1 波浪滑翔器結構

相較于其他觀測平臺, 波浪滑翔器具有長期連續性、機動性和經濟性等特點。首先, 設備不受搭載能源供給的限制, 可通過波浪能實現前向驅動, 通過太陽能實現數據采集與通信, 從而實現長期連續有效在位觀測; 其次, 自主導航功能使其具有較強的機動性, 可實現不同陣列的變換, 以應對不同任務需求或緊急突發事件[14-15];第三, 設備自身質量較輕, 成本較低, 其便利性和經濟性相較于浮標等其他海上設備優勢明顯[16]。

此外, 波浪滑翔器還具備極端海況下的可靠工作能力和綜合集成多類型科學傳感器的搭載能力, 適合在廣闊的外海大洋進行布設, 支撐區域性海氣界面陣列觀測[17-18]。因此, 對于海上發射氣象海洋要素觀測, 通過波浪滑翔器搭載各類科學傳感器是一個較為理想的選擇。

1.2 海上觀測系統設計

海上觀測系統主要以波浪滑翔器為前端觀測主體, 采取定點運行觀測模式, 通過岸基監控中心、數據傳輸處理推送系統等協同工作, 實現海上氣象海洋觀測自動化運行,其構成如圖2所示。

1.2.1 波浪滑翔器平臺參數

在綜合考慮各方面能力要求后, 選擇了某中一型波浪滑翔器作為任務實施平臺, 代號“海哨兵”, 表1為該設備的相關指標參數。

選擇“海哨兵”是因為該型設備在前期已開展了大量應用[19-20], 其測量的風速、風向、氣溫、氣壓和波浪等精細化觀測要素也曾分別與國際權威的中緯度黑潮延伸體大型浮標觀測系統浮標、Datawell公司的波浪騎士和美國國家海洋和大氣管理局的AVHRR探路者衛星系統數據進行了比對分析, 相關性均在90%以上[21]。

圖2 海上觀測系統

表1 中型波浪滑翔器主要指標參數

1.2.2 氣象海洋要素傳感器搭載

傳感器的選擇主要與氣象海洋預報對海上觀測要素產品種類、時空分辨率等的具體需求相關。綜合多方考慮后, 選擇在波浪滑翔器上搭載氣象傳感器、水溫傳感器和波浪傳感器, 可測量風速、風向、氣溫、氣壓、濕度、浪高、浪向、浪周期和水面溫度等多種要素實況, 表2給出了搭載傳感器的主要性能指標。

1.2.3 觀測模式設計

因海洋常規觀測資料分辨率較低, 考慮到數據有效性、平臺經濟性以及任務實施過程的安全性, 此次任務選用3臺波浪滑翔器(編號分別為WG_F1、WG_F3和WG_F5)進行任務保障, 以實時獲取各設備錨泊區域的氣象海洋信息。觀測選用定點運行模式, 將3臺波浪滑翔器等間距定點布放在以發射點為圓心半徑為5 km的圓上。該觀測模式一方面符合發射總體對安全距離和布控范圍的要求, 另一方面可有效確保海洋觀測數據的有效性和一致性。波浪滑翔器的布放位置如圖3所示。

表2 波浪滑翔器搭載傳感器主要性能參數

圖3 海上觀測設備布放位置示意圖

1.2.4 岸基監控中心架構

波浪滑翔器通過衛星通信將平臺狀態信息和傳感器感知信息回傳到岸基監控中心, 通過監控軟件可以實時查看海上平臺的運行狀態和傳感器實時采集的原始數據。

岸基監控軟件架構如圖4所示, 軟件主要功能模塊包括導航任務規劃、海洋移動平臺狀態監控與配置管理、航跡跟蹤顯示、傳感器數據可視化、衛星通信、數據管理與歷史數據備份等功能。

岸基監控軟件主監控界面如圖5所示, 包括軌跡顯示區、工具欄、地圖狀態欄和平臺查詢欄, 軌跡顯示區顯示有地圖、目標點、平臺位置點和平臺運動軌跡。

圖4 岸基監控軟件架構

圖5 岸基監控中心監控主界面(非此次任務)

1.2.5 衛星通信及數據處理推送系統

衛星通信可實現海上移動平臺與地面岸站間的遠程數據和自身信息的傳送。為滿足發射任務安全性要求, 設備平臺選用TM8650北斗模塊, 接收通道頻段為2 491.75±4.08 MHz, 發送通道頻段為1 615.68±4.08 MHz, 配合SIM卡及無源天線可實現北斗新一代短報文通信功能及定位功能。

北斗通信受短報文最大字節數和模塊通信間隔限制、全部觀測數據需分2組進行回傳, 每組間隔5 min, 將回傳時間間隔設為10 min, 既保證了數據的準確性又滿足了保障任務對數據分辨率的需求。更高采集頻率的觀測數據也被保存至設備的SD卡中, 方便設備回收后進行數據讀取分析(每2 s進行1次數據采樣)。

為更好地服務氣象海洋預報, 以預報所需實況數據及其衍生產品種類、時空分辨率等需求為基礎, 研制開發了數據處理及推送系統。數據處理主要包括接收終端觀測數據編碼解算、質量控制和發射中心點計算等, 并通過航速補償機制和經驗公式, 將實況數據轉換為氣象海洋預報常用變量。傳輸推送主要包括數據格式轉換和實時傳輸等功能, 可實時匯聚氣象海洋觀測要素, 準確快速地在整點時刻將數據推送至保障方數據接收平臺(推送數據格式如表3所示), 供預報人員分析研判使用。

表3 數據推送內容列表

系統采用了嚴格的質量控制措施以保證數據準確有效。其中包括對于因海上突發情況而產生的錯誤數據采集和離群點, 采用四維檢驗法[22]對其進行有效篩查和剔除

同時, 由于采用3臺波浪滑翔器將同心圓和定點陣觀測模式相結合, 為獲取發射點處的氣象海洋要素值, 此次任務采用了線性插值的方法近似擬合, 在實際觀測中取得了較好的效果。具體算法如下

式中,=1,…, 3。

1.3 海上觀測部署與執行

為提前獲取發射海域實況信息, 綜合考慮氣象海洋要素特點和設備安全性后, 科學制定了設備布放和回收方案。此次布放選用了民用漁船, 船長31 m, 甲板寬5.75 m, 航速9 kn, 馬力480kW, 噸位大于100 t, 且配備有船載定位設備(見圖6)。經晝夜航行, 3臺波浪滑翔器順利到達指定海域, 在通過測試確保數據及其傳輸無異常后, 設備正式進入工作狀態。

圖6 海上觀測設備

氣象海洋預報的精準度直接關系到發射窗口選擇等關鍵問題。任務期間, 該海上觀測系統密切監控發射海域氣象海洋要素, 將實時觀測數據進行24 h不間斷推送。前期發射海域由于缺乏精細化實況資料, 在利用數值模式制作氣象海洋預報結論時, 無法對歐洲中心模式預報的10 min風速風向、2 min溫濕度, GRAPES_WW3模式預報的有效波長、波向等變量預報精度進行測算, 無法對模式預報產品進行訂正, 難以對制作生成的氣象海洋預報結論準確率進行客觀評價。波浪滑翔器進入工作狀態后, 其實時資料填補了觀測數據空白, 一方面檢驗了預報模式在發射海域的預報產品精度情況, 并利用觀測數據進行了合理訂正; 另一方面通過對每日制作的氣象海洋預報結論進行檢驗, 進一步提高了發射海域氣象海洋預報的準確率。

此次海上發射, 任務窗口氣象海洋預報結論與發射當日窗口實際天氣海況基本一致, 完全滿足發射條件, 任務也得以順利實施。

2 獲取數據分析

此次保障過程中, 整個觀測系統工作穩定, 運行順暢, 任務圓滿完成, 同時也驗證了波浪滑翔器平臺作為海射區域氣象海洋實況觀測節點的工作穩定性和可靠性。任務期間, 3套“海哨兵”中型波浪滑翔器自身狀態穩定, 累積航程338.3 km, 連續開機282 h, 實時觀測數據3696組, 其中危險概況觀測數據98組(9月6日12時～7日14時, 最大波高超過2.5 m), 成功規避危害海況1次。

2.1 波浪滑翔器平臺性能分析

儀器各參數顯示波浪滑翔器的總體性能良好, 可作為穩定的海氣界面觀測平臺。3套設備在工作過程中姿態平穩, 俯仰和橫滾的均值及波動均較小, 電壓呈現預期的周期性起伏, 穩定可靠。在三角形陣列保障過程中, 1號設備(WG_F1)總航程152.7 km, 平均速度0.1941 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差324 m, 路徑精度CEP50為7 m, 路徑精度CEP80為610 m(見圖7(a)); 2號設備(WG-_F3)總航程76.6 km, 平均速度0.1404 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差220 m, 路徑精度CEP50為12 m, 路徑精度CEP80為248 m(見圖7(b)); 3號設備(WG-_F5)總航程109 km, 平均速度0.1919 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差285 m, 路徑精度CEP50為9 m, 路徑精度CEP80為268 m(見圖7(c)); 保障設備整體錨定效果較好。

圖7 波浪滑翔器設備錨定軌跡圖

2.2 傳感器數據采集對比情況分析

圖8給出了2020年9月6日～9日3套設備各測量要素的對比分析。任務前3套設備利用相同方法進行了標定, 任務期間搭載在波浪滑翔器上的傳感器狀態穩定。圖8(a)是2 min平均風速、最大風速折線圖, 該時段內不同設備測得的風速數據變化趨勢基本一致, 數值集中在2～15 m/s。圖8(b)是海面溫度變化情況, 觀測過程中, 水溫在17～28℃之間波動, 考慮到晝夜溫差以及天氣狀況等因素, 10℃的氣溫波動處于合理范圍內。對比水溫和氣溫(見圖8(d))來看, 兩者變化趨勢大體一致, 水溫較氣溫高, 9月為一年中的中溫階段, 由于大氣與海洋的比熱容不同, 水溫與氣溫的這種關系是合理的。3套設備的觀測數據變化趨勢基本一致, 因經緯度坐標差異而略有不同, 觀測數據合理可信。

2.3 任務期間發射海域實況分析

自2020年9月6日起, 布設在發射海域的波浪滑翔器就開始密切監測氣象海洋各要素值的實時變化情況, 主要特征如圖9所示。發射區域氣溫總體在19～27℃之間(見圖9(a)), 有效波高為0.4～2.5 m (見圖9(b)); 9月6日～9月9日, 因臺風“海神”經過觀測區域, 晝夜溫差較大, 海上有效波高和風速均達到了觀測期間的最大值; 隨著臺風北上, 天氣狀況轉好, 各觀測要素均滿足發射條件要求。圖9(c)是發射區域平均風速與最大風速觀測實況, 風速主要集中在2～15 m/s之間。圖9(d)為同一時段內的風向玫瑰圖, 任務期間以北風為主。

3 結論與思考

在海上發射任務過程中, 氣象海洋保障是發射保障體系的重要一環, 尤其是氣象海洋預報的準確率將直接影響發射窗口實施的指揮決策。通過采用無人觀測平臺對發射海域實況進行連續觀測, 在一定程度上為氣象海洋預報有效訂正提供了切實的參考依據。

圖8 3套設備測量要素對比

圖9 任務期間觀測值

圍繞此次任務, 提出以下幾點思考與建議。

1) 部分海域觀測空白亟待補充。我國雖已初步建成氣象海洋觀測系統, 但在73個預報責任海區中, 大部分海域仍屬于觀測空白區[6]。任務過程中, 發射海域實時觀測資料獲取難度較大, 僅依靠隨船觀測無法滿足數據對高時空分辨率的要求, 波浪滑翔器具備靈活機動性和長時序走航的觀測能力, 具有較好的穩定性和可靠性, 是滿足海上實時觀測的一種有效手段, 其一方面填補了相關海域的觀測空白, 積累了豐富的觀測數據, 另一方面可通過實時觀測數據對預報系統準確率加以驗證和訂正。

2) 實施方案設計中應加強風險預案。此次發射海域雖布設了3臺波浪滑翔器, 但各設備運行期間相互獨立, 獲取的數據通過相關算法用于擬合發射點處的各要素值。任務末期1臺設備被漁民打撈致其無法正常工作, 雖及時調整了數據算法以保障任務不受影響, 卻暴露了方案中缺少應對突發風險的考慮。后續任務保障應進一步分析預判風險點, 采用多平臺組網及智能調整觀測模式等手段, 對相關風險進行有效規避, 同時可將觀測范圍由點擴大到面, 實現更大范圍的海氣界面要素數據獲取, 以滿足對多種任務類型的保障需求。

3) 探索建立高效的海上觀測作業實施保障機制。海上作業風險點較陸地更多, 此次任務采用波浪滑翔器進行海上觀測保障, 提前對設備進行投放布設, 通過科學合理搭載多種傳感器以滿足實際保障需求。但無人觀測系統的設計與實現, 常常受限于現實條件, 設計與實施效率較低, 尤其是設備布放回收等環節缺乏有效工作機制。后續應從管理層面盡早探索建立相對完善的實施和保障機制, 合理配置各類資源, 以應對運載火箭海上發射常態化時代的到來。

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Design and Implementation of Meteorological and Marine Unmanned Observation System for Sea-based Launching Missions

NIU Xiang-hua1, 2, ZHU Wen-hui2, SUN Xiu-jun3, ZHANG Peng-fei2, YU Jiang-lin4, SANG Hong-qiang5, ZHOU Ying3, LI Can3

(1. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China; 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China; 3. MOE Key Laboratory of Physical Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 030045, China; 5. School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

In mid-September 2020, China successfully completed a sea-based launching mission on the Yellow Sea. Considering the difficulty of obtaining high-resolution meteorological and marine data in real time on the open sea, this study describes a method using a new unmanned mobile platform equipped with various sensors to provide refined meteorological and marine observations in the launch area. The optimal technical scheme was designed and implemented to ensure a smooth mission through the analysis of actual needs. Wave gliders equipped with weather, water temperature, and wave sensors were selected as the observation platform, and the fixed-point operation observation mode and Beidou communication module were used. The corresponding data transmission and processing system was designed to meet the needs of real-time observations for meteorological and marine forecasting. The stability and reliability of using the wave glider as an observation platform in the process of providing refined meteorological and marine support services were verified. Finally, this paper puts forward some thoughts on the mode and operation mechanism of meteorological observation support and provides a reference for follow-up tasks.

wave glider; meteorological and marine observation; sea-based launch

牛向華, 朱文會, 孫秀軍, 等. 面向海上發射任務的氣象海洋無人觀測系統設計與實現[J]. 水下無人系統學報, 2022, 30(2): 245-253.

TJ630.1; U666.16

A

2096-3920(2022)02-0245-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.016

2021-06-01;

2021-07-08.

牛向華(1978-), 女, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為氣象海洋信息工程技術.

(責任編輯: 吳 攀)