陳昌，何松蔚，鐘建洪，游積平，李鑄杰，趙博，林俊君

（1.廣東省人工影響天氣中心，廣東 廣州 5 1 0 6 4 0；2.韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512028）

人工影響天氣是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及氣象、農(nóng)業(yè)、水利、航空、軍工、火工、空中管制、通訊等多學(xué)科、多部門、多行業(yè)，需要周密計劃和科學(xué)組織［1］。飛機人工增雨具有覆蓋面廣、見效快、機動靈活等特點，是目前我國開展較為普遍的抗旱減災(zāi)措施之一［2］，并在人工影響天氣工作中得到了廣泛應(yīng)用。目前飛機增雨的空地數(shù)據(jù)傳輸主要有衛(wèi)星和電臺兩種方式［3-8］，其中電臺傳輸受空地距離和障礙物的影響［9］，傳輸距離受限，需要在地面建立多個中繼電臺。目前我國飛機增雨的衛(wèi)星傳輸方式分為海事衛(wèi)星和北斗通信［10］，海事衛(wèi)星通信方式需要對飛機進行改裝，安裝和后續(xù)費用高，對于租用通航公司飛機開展增雨作業(yè)的省份不易做到，而北斗衛(wèi)星局限于短消息傳輸，一分鐘只能傳輸幾十個字節(jié)，不能滿足實時傳輸DMT探測數(shù)據(jù)的需要。2016年8月6日，中國第一顆移動通信衛(wèi)星成功發(fā)射升空，被譽為“中國版的海事衛(wèi)星”［11］。中國電信通過天通衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航通信技術(shù)，北斗衛(wèi)星負責(zé)飛機定位，天通衛(wèi)星負責(zé)空地通訊，包括數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星通話等功能［12］，于2020年1月正式面向社會各界提供天通衛(wèi)星通信服務(wù)［13］。通過天通衛(wèi)星通信功能，將增雨飛機的航跡、常規(guī)氣象信息和DMT探測信息實時傳輸?shù)饺擞爸笓]中心。地面上的人影業(yè)務(wù)人員可以結(jié)合雷達實時探測數(shù)據(jù)進行綜合研判，利用天通衛(wèi)星的通訊鏈路指揮增雨飛機上的工作人員作業(yè)或直接遠程遙控操作催化設(shè)備，對于降低飛機進云后引起劇烈顛簸造成飛機上人員的不適、減少上機作業(yè)人數(shù)、降低機上業(yè)務(wù)人員的工作壓力具有一定意義。

1 平臺架構(gòu)及信息流程

1.1 平臺架構(gòu)

機載衛(wèi)星通信終端是基于天通衛(wèi)星、公網(wǎng)通信的應(yīng)用而研發(fā)，以飛機艙內(nèi)的通信盒+艙外通信天線為基礎(chǔ)，集成北斗定位+GPS、藍牙、WIFI等模塊，實現(xiàn)天通衛(wèi)星語音通信、文字交流、信息傳輸?shù)裙δ?。目前中國電信的天通衛(wèi)星對外業(yè)務(wù)主要分為窄帶（9.6 kbs）和寬帶（384 kbs）2種規(guī)格。窄帶的天線與原北斗天線直徑大小、外形相同，均為半球形，升級原來北斗天線即可，缺點是傳輸數(shù)據(jù)的帶寬偏小，不能傳輸大文件；寬帶的天線比較大，傳輸數(shù)據(jù)量較大，但需要專門對飛機進行改造，對于租用飛機開展增雨作業(yè)的省份來說難于實現(xiàn)?？紤]廣東省目前的現(xiàn)實情況，采用簡單、易行的且?guī)в性囼炐再|(zhì)的窄帶衛(wèi)星通訊傳輸方式比較合適。同時，為了不影響衛(wèi)星信關(guān)站、廣東省氣象局兩地的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)傳輸安全，以公有云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)傳輸中繼，設(shè)定一個固定IP地址和端口用于信關(guān)站和廣東省氣象局兩地服務(wù)器的各自登錄與互送數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖見圖1。在增雨飛機里構(gòu)建一個由天通衛(wèi)星終端、筆記本電腦、手機以及DMT數(shù)據(jù)采集服務(wù)器組成的局域網(wǎng)。發(fā)控器和DMT探頭分別與筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接，手機、筆記本電腦等設(shè)備通過衛(wèi)星終端的Wifi與地面的信關(guān)站相連，從而打通了空-地之間的通信鏈路?；谛l(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖1。

圖1 基于衛(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

廣東省氣象局內(nèi)網(wǎng)有一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器專門負責(zé)登錄公網(wǎng)云服務(wù)器，等待增雨飛機信息的下傳和地面作業(yè)指令的上傳，Web服務(wù)器用于給局域網(wǎng)的其它電腦操作使用。

1.2 信息流程

利用機載探測設(shè)備實時獲取增雨飛機飛行的航跡、溫、壓、濕常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和DMT探測云微物理特征數(shù)據(jù)并傳輸?shù)绞∪擞爸笓]中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，讓地面業(yè)務(wù)值班人員及時了解作業(yè)云系的含水量、云滴譜、雨滴譜和冰晶等微物理結(jié)構(gòu)特征情況，并結(jié)合地面雷達探測數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)云的宏、微變化決定是否催化作業(yè)。一方面可以通過平臺的文字通信，向增雨飛機上作業(yè)人員發(fā)出催化或不催化的指令；另一方面，也可以直接對增雨飛機上的煙條發(fā)控器進行遠程遙控操作或授權(quán)某一個地面的用戶對熖筒進行檢測、催化作業(yè)等?；谔焱ㄐl(wèi)星架構(gòu)的飛機增雨遠程催化作業(yè)平臺的信息流程示意圖見圖2。

圖2 飛機增雨遠程催化作業(yè)平臺的信息流程示意圖

2 設(shè)計思路

遠程遙控催化作業(yè)平臺的開發(fā)全部采用C＃編程語言，是基于Microsoft.NET平臺的應(yīng)用程序。利用微服務(wù)進行開發(fā)，把整個系統(tǒng)平臺拆分成多個獨立的模塊，各模塊間通過松耦合的形式交互。平臺分為飛機端、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進庫以及Web顯示等3部分建設(shè)，其中飛機上平臺和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進庫平臺采用C／S架構(gòu)，具有集數(shù)據(jù)采集、催化、空-地通信、數(shù)據(jù)傳輸銜接以及進庫等功能，遠程作業(yè)飛機端平臺界面見圖3。

圖3 遠程作業(yè)平臺飛機端平臺界面

平臺上半部份是催化功能，主要操控機載熖條發(fā)控器，對掛在機倉外邊上的冷、暖熖條進行檢測和點火催化。平臺右上角為功能按鈕，既可以讓機載人員操作，也可以授權(quán)指定地面某個用戶操作。地面人員通過全省雷達結(jié)合作業(yè)飛機實時航跡、DMT探測數(shù)據(jù)等進行綜合研判，向機上人員發(fā)出作業(yè)指令，指導(dǎo)催化作業(yè)。機上人員可以授權(quán)地面用戶在其監(jiān)控下直接遠程遙控操作催化設(shè)備。催化平臺的下半部分為顯示登錄用戶、DMT數(shù)據(jù)發(fā)送、系統(tǒng)日志以及空-地文字通信等窗口，其中登錄用戶窗口可以顯示地面登錄上來的用戶名稱。DMT數(shù)據(jù)發(fā)送窗口顯示飛機向地面發(fā)送的探測數(shù)據(jù)，從左至右分為取樣時間、經(jīng)度、緯度、高度、航向、航速、溫度、氣壓、濕度、液態(tài)水含量、云凝結(jié)核數(shù)濃度、氣溶膠濃度、液態(tài)水滴數(shù)濃度以及冰晶數(shù)濃度等。系統(tǒng)日志窗口負責(zé)記錄空-地之間的所有操作，以便平臺查錯?？?地通信窗口顯示增雨飛機與地面所有用戶文字記錄。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進庫平臺是一個很重要的中間傳輸環(huán)節(jié)，涉及增雨飛機與地面之間的安全通信聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送作用。在公共云服務(wù)器中運行一個程序，負責(zé)監(jiān)控某個端口，對登陸的用戶信息進行鑒別以及核對數(shù)據(jù)格式。為了安全，該程序不主動連接其它服務(wù)器，當(dāng)增雨飛機發(fā)出連接信號時，天通衛(wèi)星信關(guān)站向公有云服務(wù)器的這個端口以一定的格式發(fā)出連接請求，得到允許后與公有云服務(wù)器連接。同理，廣東省氣象局內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器也是如此連接，負責(zé)飛機的探測數(shù)據(jù)、實時航跡以及空地文字通信等進庫。

Web顯示平臺通過調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，地面業(yè)務(wù)人員使用瀏覽器即可實時看到飛機的航跡、作業(yè)云的云滴、雨滴、冰晶以及CCN等微物理探測數(shù)據(jù)圖表，見圖4。

圖4 飛機增雨遠程遙控作業(yè)平臺

圖4中作業(yè)平臺界面的上半部為遙控催化作業(yè)功能和系統(tǒng)日志，業(yè)務(wù)人員可以通過點擊右上角的按扭，對增雨飛機的熖條進行檢測和催化。左上方顯示作業(yè)熖條的狀態(tài)，包括通過檢測、未通過檢測、熖條燃燒進度等，用不同的顏色表示。系統(tǒng)日志顯示每一步操作步驟后系統(tǒng)的回復(fù)，用于對系統(tǒng)故障的排查。右下方為登錄用戶、地空通信顯示和文字發(fā)送。平臺左下方功能分布顯示常規(guī)實時氣象數(shù)據(jù)、隨時間變化的雷達航跡剖面和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)動態(tài)圖，其中常規(guī)氣象數(shù)據(jù)實時顯示圖包括增雨飛機實時航向、航速以及溫度、氣壓、濕度等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)實時顯示。雷達與航跡剖面圖顯示航跡與地面雷達剖面疊加隨時間的變化，圖中可以清楚知道增雨飛機所處高度位置的上下方雷達回波變化情況。常規(guī)氣象數(shù)據(jù)動態(tài)圖顯示溫度、濕度和氣壓隨時間的變化。由于平臺界面布局限制，在平臺界面中增加了2個功能按鈕：一個是實時航跡與雷達疊加的平面圖；另一個是4分屏顯示按鈕，以不同的組合展示增雨飛機探測數(shù)據(jù)，考慮顯示數(shù)據(jù)比較多，分為4個小圖展示，分別為溫度與氣壓、濕度與液態(tài)含水量、氣溶膠濃度與云凝結(jié)核以及二維降水粒子濃度與二維冰晶濃度等隨時間變化曲線圖，顯示分布見圖5。

圖5 飛機增雨不同物理量的組合展示圖

3 業(yè)務(wù)測試

2022年2月28日，在梅州機場開展基于天通衛(wèi)星架構(gòu)的飛機增雨遠程催化作業(yè)平臺的功能性測試。增雨飛機于早上09：03（北京時，下同）起飛，10：30降落，總共飛行約87 min。其中1人在飛機上監(jiān)控和操作，地面2人通過VPN調(diào)用遠程催化作業(yè)平臺。該次測試飛行一共攜帶12根熖條，左右煙筒隨機各放6根冷、暖云熖條。飛行測試高度約3 200 m，航速300 km／h。飛機一直向西飛行，最遠飛離梅州機場約113 km到達河源市和平縣上空后，沿原來飛行路線返回，測試航跡見圖6。

圖6 基于天通衛(wèi)星空地通信及遙控測試航跡

試驗測試結(jié)果顯示衛(wèi)星的空-地通信正常，用手機通過天通衛(wèi)星APP打電話正常，遙控催化作業(yè)除了有1根暖云熖條由于接觸不良沒點燃外，其余均遙控催化成功。

基于衛(wèi)星架構(gòu)的飛機增雨遠程催化作業(yè)平臺的建立，利用中國天通衛(wèi)星的通信技術(shù)，結(jié)合增雨飛機的作業(yè)航跡、DMT探測數(shù)據(jù)以及地面雷達，實現(xiàn)對增雨飛機在作業(yè)云中的動態(tài)實時監(jiān)控，通過分析云中的微物理特征變化和宏觀變化，指導(dǎo)機上人員開展作業(yè)或通過該平臺直接進行操作，減輕了機上作業(yè)人員的工作壓力，對指揮廣東省開展飛機增雨業(yè)務(wù)工作發(fā)揮了重要作用。