基于臨空飛艇的大氣參數原位探測系統及試驗

李大鵬, 鄭德智 , 郭 虓, 樊尚春, 胡 純

(1.北京航空航天大學 前沿科學技術創新研究院，北京 100191；2.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；3.北京理工大學 前沿交叉科學研究院，北京 100081)

臺風是世界上最嚴重的自然災害之一，臺風在中國年均登陸7.6次，位居世界第1位。臺風、雷暴等災害性天氣對人民生命財產具有極大的破壞力[1-4]，中國每年僅由臺風造成的直接經濟損失就高達295億元，造成死亡約403人。據測算，臺風路徑預報誤差減少1 km，可減少1億元損失；臺風強度預報誤差減少1 m/s，可減少4億元損失。利用各種氣象儀器的觀測數據對臺風進行建模分析，觀察臺風不同生命時期的結構特征，從而對臺風未來的行動路徑和結構變化進行預測，有助于加強人們對臺風的預警和防護，最大程度保護人民生命財產安全[5-8]。

為實現對臺風這一自然現象更為本質的科學認知，核心科學問題是臺風內核區的結構演化機理[9-10]，關鍵技術瓶頸是對臺風進行多要素、長過程、精細化的直接探測，獲得從臺風形成到增強、維持、減弱、登陸的全生命周期的數據。目前，大部分探測手段僅能獲得臺風外圍的數據，探測深度、探測廣度、探測精細化程度均有限，制約了臺風強度和發展趨勢的精確預測。因此，研究臺風內核區精細化探測技術對于進一步認識臺風、掌握臺風的生成發展機理具有極其重要的意義。

近年來，國內外針對臺風內核區的空基探測手段以探空火箭和臨空飛艇為主。探空火箭方面，國外以美國為代表形成了高度覆蓋0～1600 km、載荷最大可達675 kg的探測能力[11]；國內“子午工程”也包含以探空火箭為空基平臺的探測系統[12]，但探空火箭只能探測發射路徑中的氣象參數，獲取數據量較少，不具備在大范圍內布撒探測組件、實現臺風內核區廣域協同探測的能力。臨空飛艇方面，美國、歐洲、日本等都在投入大量經費研制臨近空間飛艇，并研制了以HAA(High Altitude Airship，高空飛艇)、ISIS(Integrated Sensor IsStructure，集成傳感器即是結構)飛艇、HiSentinel系列飛艇為代表的飛艇[13]；國內研究單位包括北京航空航天大學、中電科集團第38研究所、中科院光電院等[14]，其中北京航空航天大學先后4次完成20 km以上平流層高度飛行驗證，并于2017年首次基于飛艇平臺實現18 km高度指定區域下投探測，獲取了原位大氣數據，其平臺技術指標在世界范圍內暫時領先[15]。

通過介紹自主研制的大氣參數原位探測系統，并在臨空飛艇平臺搭載，完成20 km高度指定區域多節點下投試驗，成功獲取0～20 km立體空間高精度溫度、濕度、氣壓等大氣參數，并定量描述了下投式探空儀的圓錐擺運動規律。基于臨空飛艇的大氣參數原位探測系統經試驗驗證，在精度、可靠性等方面都具有自己獨特的優勢，為今后開展臺風內核區精細化原位探測奠定了良好的基礎。

1 大氣參數原位探測系統

大氣參數原位探測系統由下投式探空儀、自動下投裝置和地面無線數據接收機三部分組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 大氣參數原位探測系統框圖

下投式探空儀如圖2所示，主要用來測量大氣環境參數。在探空儀的進風口處主要集成了NTC溫度傳感器與電容式濕度傳感器。NTC溫度傳感器工作溫度區間寬、體積小、電阻值大、靈敏度高、傳熱快，適合在低溫環境中穩定工作。為克服過冷水等惡劣環境的影響，在濕度測量中，采用雙傳感器交替加熱測量方案以及高精度數字式電容測量方法，加快動態響應。探空儀同時還集成多種環境參數測量傳感器，不同類型傳感器同步對比測量，實現對環境溫度、濕度、壓力等參數的高精度、高動態原位測量。此外，自研探空儀在集成GPS實現高精度定位的同時，首次集成慣導系統，不僅可以通過測量數據定量描述出探空儀的下投運動姿態，還可以將測量數據解算，補償探測的大氣參數，解決因設備運動產生的測量誤差，其安裝位置及三軸定義方向如圖3所示。

圖2 自研下投式探空儀

圖3 慣導模塊安裝位置及三軸定義

探空儀軸向為X軸，向上為Y軸，垂直模塊向外為Z軸。旋轉的方向按右手法則定義，即右手大拇指指向軸向，四指彎曲的方向即為繞該軸旋轉的方向。

自動下投裝置如圖4所示，主要用來為搭載的探空儀供電并完成儀器投放控制。系統采用插銷式彈簧電極對探空儀供電及數據發射控制，下投艙艙門由低溫電磁鐵控制，可實施倒計時下投或指令下投。系統內部還伴有自動溫控模塊，可在高空低溫環境下加熱，保證系統內部不受低溫冷凝結露的影響而導致探空儀因降落傘凝結無法下投。

圖4 自動下投裝置

地面無線數據接收機如圖5所示，主要用來接收并存儲探空儀探測發送的實時大氣參數。接收機在400～406 MHz氣象專用信道下實現雙通道無線數據高靈敏度接收，可實現超遠距離數據傳輸。數據接收上位機界面采用LabVIEW實現，可實時顯示探空儀探測到的環境參數信息與探空儀狀態信息。

圖5 地面無線數據接收機

參與試驗的下投式探空儀進行了第三方的靜態測試，獲得了各傳感器的探測精度，整套大氣參數原位探測系統進行了地面低溫(-60 ℃)低氣壓(50 mbar)綜合環境試驗驗證，確保探空系統能夠適應臨空工作環境。

2 試驗過程及結果分析

2.1 基于飛艇平臺的探測試驗

為了更好地驗證研制的大氣參數原位探測系統性能，為今后開展臺風內核區精細化原位探測奠定基礎，2021年8月2日至3日在新疆某基地開展了基于臨空飛艇的大氣參數原位探測試驗。采用北京航空航天大學研制的單囊體飛艇作為平臺，搭載大氣參數原位探測系統，包括5枚探空儀、1套自動下投裝置及1套地面雙通道無線數據接收機。其中，1號探空儀安裝于飛艇平臺吊艙中，隨飛艇移動不下投，上電持續發送探測數據，載波頻率401.3 MHz。2號、4號、5號、6號探空儀安裝于自動下投裝置中，提前設置下投時間依次下投。除1號探空儀上電持續發送探測數據外，剩余3個探空儀在下投前開始發送探測數據，載波頻率403 MHz，地面接收機負責接收探空儀發送的數據。試驗設備搭載情況如圖6所示。

圖6 飛艇載荷吊艙

2021年8月2日13:10時吊艙上電，1號、2號探空儀開始發數，地面接收機開始接收探空儀數據。23:27時通過串口向自動下投裝置裝訂下投時間，2號探空儀下投時間為8月3日02:33時；4號探空儀下投時間為8月3日03:23時；5號探空儀下投時間為8月3日04:13時；6號探空儀下投時間為8月3日07:23時。8月3日01:08時，飛艇放飛。通過分析探空儀發送的各項參數數據，4個探空儀依次按照約定時間成功下投，最多持續45 min停止發送數據。

2.2 試驗結果分析

1號探空儀置于飛艇平臺吊艙中，上電即發送探測數據，地面接收機接收到的數據經解算如圖7所示。由圖中的探測數據可以看出，飛艇平臺放飛前，GPS高度約為1035 m，放飛后高度一直上升，02:10時達到18.89 km，隨后緩慢上升，最高到19.49 km。飛艇整體飛行軌跡從探空儀GPS信息中可得出,飛行最遠直線距離達到195.8 km。

圖7 1號探空儀探測數據

由于探空儀被安置在吊艙內部，故其探測所得溫度、濕度、壓力信息均來源于吊艙內，由傳回地面接收機的數據可以看出，放飛前因設備發熱，吊艙內溫度由33 ℃升至49 ℃左右，隨著高度不斷上升，溫度逐步下降，到19 km高度，溫度降為11 ℃，最低為-14 ℃。濕度與壓力也均隨著高度的提升而降低，地面濕度為8%RH～14%RH，高空濕度為0%RH；地面壓力為890 mbar，高空時最小為66 mbar。

探空儀的三軸加速度有3次較大的變化，定量描述出了飛艇吊艙離開地面、因風速過大下降等待再次放飛，以及飛艇垂直放飛的狀態。輔助飛艇平臺進行飛艇狀態評價與分析。

2號、4號、5號、6號探空儀置于下投裝置中，依照裝訂時間依次打開電磁鐵進行下投試驗。經地面接收機數據解算分析，4枚探空儀均下投成功，實現了不同時間、不同空域的立體氣象探測，但由于環境存在一定的遮擋，回傳數據會有一段時間的誤碼現象。以4號、5號探空儀為例，其探測數據如圖8所示。

圖8 下投探空儀探測數據

4號、5號探空儀在下投前檢測到自動下投裝置發送的固定時長開關量后開始發數。8月3日03:23及04:13時，4號、5號探空儀分別下投出筒，地面接收機接收到探測數據。從探測數據可以清晰得到0～20 km立體空間的特定溫度層高度曲線、溫度分布圖、濕度分布圖以及風層圖，氣象分布規律同當天氣象部門反演數據一致。值得注意的是，探空儀在下落中經歷了兩次穿云過程，濕度有兩次明顯的先增后減的現象。同時，通過解析探空儀傳遞的GPS信息，解算出探空儀所處位置的實時風速，也同步得到0～20 km立體空間的最大風速及方向。

此外，試驗下投探空儀首次集成微慣導組件，由慣導加速度信息，可以明顯看到04:13時探空儀加速度的驟變現象，進而推斷出此刻為5號探空儀的下投時刻；慣導三通道姿態角度信息顯示，探空儀沿三軸方向轉動，沿X軸轉動幅度可達150°，沿Y軸轉動幅度可達100°，沿Z軸轉動幅度達20°，可知探空儀在降落過程中做圓錐擺運動，其擺動頻率與探空儀牽引繩長度相關，約為0.5 Hz。通過慣導數據定量描述探空儀的實時運動狀態，可以快速補償探空儀因運動導致的大氣參數測量誤差，使測量結果更具可靠性。

3 初步結論與展望

通過基于臨空飛艇的大氣參數原位探測試驗數據分析，可以得出以下初步結論。

① 研制的大氣參數原位探測系統經初步驗證具有較強的魯棒性，可在低溫、高遮擋等惡劣環境中正常完成下投、探測、傳輸等工作。基于飛艇平臺的下投探測方式切實可行，觀測數據穩定、可靠，未來可在指定區域定點氣象觀測、臺風等大尺度災害性天氣觀測等場景應用整套系統，定點投送探空儀完成氣象精細化原位測量。

② 研制的首個集成微慣導組件的下投式探空儀經試驗驗證除了能高精度測量溫度、濕度、壓力等大氣環境參數外，還能定量描述出探空儀下投姿態。未來可結合空氣動力學對數據進行進一步的分析，解算出探空儀運動對傳感器測量帶來的影響，進一步提高系統精度。