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(chuàng)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(chǎn)具有極大的破壞力[1-4]，中國每年僅由臺風造成的直接經(jīng)濟損失就高達295億元，造成死亡約403人。據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)安全[5-8]。

為實現(xiàn)對臺風這一自然現(xiàn)象更為本質的科學認知，核心科學問題是臺風內核區(qū)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(shù)據(jù)。目前，大部分探測手段僅能獲得臺風外圍的數(shù)據(jù)，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(fā)展趨勢的精確預測。因此，研究臺風內核區(qū)精細化探測技術對于進一步認識臺風、掌握臺風的生成發(fā)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(qū)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(tǒng)[12]，但探空火箭只能探測發(fā)射路徑中的氣象參數(shù)，獲取數(shù)據(jù)量較少，不具備在大范圍內布撒探測組件、實現(xiàn)臺風內核區(qū)廣域協(xié)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(jīng)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(xiàn)18 km高度指定區(qū)域下投探測，獲取了原位大氣數(shù)據(jù)，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(shù)原位探測系統(tǒng)，并在臨空飛艇平臺搭載，完成20 km高度指定區(qū)域多節(jié)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(shù)，并定量描述了下投式探空儀的圓錐擺運動規(guī)律。基于臨空飛艇的大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)經(jīng)試驗驗證，在精度、可靠性等方面都具有自己獨特的優(yōu)勢，為今后開展臺風內核區(qū)精細化原位探測奠定了良好的基礎。

1 大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)

大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)由下投式探空儀、自動下投裝置和地面無線數(shù)據(jù)接收機三部分組成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)框圖

下投式探空儀如圖2所示，主要用來測量大氣環(huán)境參數(shù)。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(qū)間寬、體積小、電阻值大、靈敏度高、傳熱快，適合在低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。為克服過冷水等惡劣環(huán)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(shù)字式電容測量方法，加快動態(tài)響應。探空儀同時還集成多種環(huán)境參數(shù)測量傳感器，不同類型傳感器同步對比測量，實現(xiàn)對環(huán)境溫度、濕度、壓力等參數(shù)的高精度、高動態(tài)原位測量。此外，自研探空儀在集成GPS實現(xiàn)高精度定位的同時，首次集成慣導系統(tǒng)，不僅可以通過測量數(shù)據(jù)定量描述出探空儀的下投運動姿態(tài)，還可以將測量數(shù)據(jù)解算，補償探測的大氣參數(shù)，解決因設備運動產(chǎn)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(tǒng)采用插銷式彈簧電極對探空儀供電及數(shù)據(jù)發(fā)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(tǒng)內部還伴有自動溫控模塊，可在高空低溫環(huán)境下加熱，保證系統(tǒng)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(shù)據(jù)接收機如圖5所示，主要用來接收并存儲探空儀探測發(fā)送的實時大氣參數(shù)。接收機在400～406 MHz氣象專用信道下實現(xiàn)雙通道無線數(shù)據(jù)高靈敏度接收，可實現(xiàn)超遠距離數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)接收上位機界面采用LabVIEW實現(xiàn)，可實時顯示探空儀探測到的環(huán)境參數(shù)信息與探空儀狀態(tài)信息。

圖5 地面無線數(shù)據(jù)接收機

參與試驗的下投式探空儀進行了第三方的靜態(tài)測試，獲得了各傳感器的探測精度，整套大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)進行了地面低溫(-60 ℃)低氣壓(50 mbar)綜合環(huán)境試驗驗證，確保探空系統(tǒng)能夠適應臨空工作環(huán)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(shù)原位探測系統(tǒng)性能，為今后開展臺風內核區(qū)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(shù)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(shù)原位探測系統(tǒng)，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(shù)據(jù)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(xù)發(fā)送探測數(shù)據(jù)，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(xù)發(fā)送探測數(shù)據(jù)外，剩余3個探空儀在下投前開始發(fā)送探測數(shù)據(jù)，載波頻率403 MHz，地面接收機負責接收探空儀發(fā)送的數(shù)據(jù)。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(fā)數(shù)，地面接收機開始接收探空儀數(shù)據(jù)。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(fā)送的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，4個探空儀依次按照約定時間成功下投，最多持續(xù)45 min停止發(fā)送數(shù)據(jù)。

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(fā)送探測數(shù)據(jù)，地面接收機接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)解算如圖7所示。由圖中的探測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

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(shù)據(jù)可以看出，放飛前因設備發(fā)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(tài)。輔助飛艇平臺進行飛艇狀態(tài)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(jīng)地面接收機數(shù)據(jù)解算分析，4枚探空儀均下投成功，實現(xiàn)了不同時間、不同空域的立體氣象探測，但由于環(huán)境存在一定的遮擋，回傳數(shù)據(jù)會有一段時間的誤碼現(xiàn)象。以4號、5號探空儀為例，其探測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 下投探空儀探測數(shù)據(jù)

4號、5號探空儀在下投前檢測到自動下投裝置發(fā)送的固定時長開關量后開始發(fā)數(shù)。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(shù)據(jù)。從探測數(shù)據(jù)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(guī)律同當天氣象部門反演數(shù)據(jù)一致。值得注意的是，探空儀在下落中經(jīng)歷了兩次穿云過程，濕度有兩次明顯的先增后減的現(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(shù)據(jù)定量描述探空儀的實時運動狀態(tài)，可以快速補償探空儀因運動導致的大氣參數(shù)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(shù)原位探測試驗數(shù)據(jù)分析，可以得出以下初步結論。

① 研制的大氣參數(shù)原位探測系統(tǒng)經(jīng)初步驗證具有較強的魯棒性，可在低溫、高遮擋等惡劣環(huán)境中正常完成下投、探測、傳輸?shù)裙ぷ鳌；陲w艇平臺的下投探測方式切實可行，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，未來可在指定區(qū)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(tǒng)，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(jīng)試驗驗證除了能高精度測量溫度、濕度、壓力等大氣環(huán)境參數(shù)外，還能定量描述出探空儀下投姿態(tài)。未來可結合空氣動力學對數(shù)據(jù)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(tǒng)精度。