基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究

２００６正　１０月　装备指挥技术学院学报　Ｊ　ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｍｍａｎｄ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２ＯＯ６　第１７卷　第５期　Ｖｏ１．１７　ＮＯ．５　基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究　沈怀荣　，　邵琼玲，　王盛军　（装备指挥技术学院航天装备系，北京１０１４１６）　摘　要：利用微小型无人机探测气象是一种新型气象测量技术，可以无损　耗（相对一次性测量装置）测量气象参数，可以在空中长时间、大区域连续监测天气变　化。讨论了一种先进的小型长航时无人机气象探测系统有效载荷组成、功能及工作　原理。采用温湿压组件传感器、皮托管及改进的卡尔曼滤波等方法得到高精度测量　结果，采用卫星系统实现长距离数据传输与测控。应用证明：系统达到了设计技术指　标。该系统可用于靶场试验气象保障，在民用领域也有推广应用价值。　关　键　词：无人机；气象探测；有效载荷；温湿压组件　中图分类号：Ｖ　２７１．３５；Ｖ　３２４．２４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—０１２７（２００６）０５—０１０２—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＭｅｔｅＯｒＯｌＯｇｉｃａｌ－ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　Ｐａｙｌｏａｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　Ｍｉｎ—ＵＡＶ　ＳＨＥＮ　Ｈ　ｕａｉｒｏｎｇ，　ＳＨＡＯ　Ｑｉｏｎｇｌｉｎｇ，　ＷＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇｊ　ｕｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｐａｃｅ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｍｍａｎｄ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｉｉｎｇ　１０１４１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ｍｉｎ—ａｉｒｃｒａｆｔ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｔｏ　ｏｂｓｅｒｖｅ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｗａｓｔａｇｅ（ｒｅｌ—　ａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｎｅ—ｏｆｆ　ｒａｄｉｏｓｏｎｄｅ　ｕｎｉｔ）．Ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｎａｖｉｇａｔｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｉｎ　ａ　ｂｒｏａｄ　ａｒｅａ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｆｌｉｇｈｔ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉ—ＵＡＶ　ｐａｙｌｏａｄ　ａｒｅ　ｄｉｓ—　ｃｕｓｓｅｄ．Ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ＰＴＵ　ｇｒｏｕｐ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，Ｐｉｔｏｔ—ｔｕｂｅ　ａｎｄ　ＥＫＦ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ａｃｃｕｒａｃｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｍｅａｓ—　ｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　ｗｅａｐｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｔｅｓｔ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｔｏ　ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｉｖｉｌ　ｕｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｐａｙｌｏａｄ；ＰＴＵ　ｇｒｏｕｐ　阔的前途。２００３年初，国内开始自主研制。　１　无人机气象探测系统研究背景　无人机气象探测系统的任务是利用微型长航　时无人机实现大区域、长时间、连续、高精度气象　在“八五”期间，中国气象局支持进行过微型　无人驾驶气象探空飞机解析测风方法研究。可用　于小区域气象参数测量，其参数解算需要无人机　按圆形轨迹飞行ｎ］。国外２０世纪９０年代初，在　世界气象组织大气探测委员会的支持下，澳大利　亚和美国开始发展微型无人驾驶气象探空飞机的　参数测量，包括温度、湿度、气压、风速、风向，测量　数据可实时传输和存储。可为重要武器试验和航　天发射任务提供气象保障依据，在民用领域有广　收稿日期：２００６—０７—１９　计划。１９９８年首次完成横跨大西洋无人驾驶飞　基金项目：部委级资助项目　作者简介：沈怀荣（１９５４一），男（汉族），安徽舒城人，教授，博士，博士生导师　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　沈怀荣，等：基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究　１０３　行，航程达到３　２７０　ｋｍ：。　，如图１所示。这种飞　行器体积小、重量轻、功耗低，自主飞行能力强，可　算方法等关键技术限制外，还受到微小型无人机　气动布局、可靠的飞行控制技术、电源技术及数据　通过卫星实现航线重建和实时数据传输。基于微　小型无人机的气象探测有效载荷，除了本身受体　积、重量、长时间工作可靠性及传感器、高精度解　传输技术等影响：　。本文重点研究气象探测有　效载荷系统。　一一～一　一种一～一跳一一一一一一ｔ《　：　≯－　ｊ　３　ｔ　女，　ｔ＝　’　图１　Ａｅｒｏｓｏｎｄｅ公司无人气象探测器跨大西洋飞行及操控界面　２有效载荷功能与原理　无人机气象探测系统由有效载荷、无人机平　台、地面设备和通信系统组成。有效载荷部分主　２。２有效载荷系统组成　有效载荷系统由温度、湿度、气压传感器，风　速、风向传感器，数据采集与处理及地面解算显示　４个部分组成，系统原理见图３。通过数据采集分　系统计算机的ＲＳ２３２接ＬＩ，与数据管理系统和数　要包括气象测量传感器和数据采集处理分系统；　无人机平台主要包括结构、动力、导航控制和供电　分系统；地面设备包括发射装置、任务规划以及数　据接收解算显示分系统。图２给出系统组成示　意图。　有效载荷　无　人　据存贮系统连接。　一　—夔　一　图３　气象无人机有效载衙分系统组成框图　２．３有效载荷工作原理　无人机平台　机　气　象　探　测　系　统　温度、湿度和气压测量采用温度、湿度和气压　集成传感器，体积小、重量轻、安装方便、精度较　高。在飞机左右机翼下各布置１套，采集处理板　可重复使用。　地面设备　通信系统　风速、风向测量与解算是无人机气象探测系　统的关键技术之一ｌ６］。风速、风向的测量要由空　图２尢人机气象探测系统组成不蒽图　速管、大气数据计算机、攻角传感器、侧滑角传感　器、飞机姿态传感器、ＧＰＳ接收机和数据采集处　理计算机等部件共同完成。测量原理见图４。　２．１　有效载荷系统的功能与设计　有效载荷系统接收无人机测量的飞行位置、　航速、姿态等数据，结合飞机上传感器直接测量的　总压、静压、湿度、温度等大气数据，进行数据处　理、传输、地面解算和显示，得到气象数据（指定位　置的气压、温度、湿度、风速、风向）及其变化的显　示。要求有效载荷整体体积小、重量轻、可靠性　感器　ｆ　大气数据　计算机　传感器ｌ氢卜　＿＿＋　登票巢囊　图４风速、风向测量与解算原理框图　高、测量精度高等。主要测量精度指标为：温度＜　０．１℃；气压＜０．２　ｈＰａ；湿度＜２　；风速＜　１　ｍ／ｓ等。　由图４可知，其中飞机姿态传感器和ＧＰＳ接　收机由无人机平台分系统提供，将风速、风向测量　所需要的信息通过ＲＳ２３２接口传递到数据采集　维普资讯 http://www.cqvip.com

１０４　装备指挥技术学院学报　２００６年　计算机。　数据采集与处理分系统包括机载数据采集计　技术攻关，主要解决了如下关键技术：　１）采用高精度超轻型温湿压传感器组件，通　过大量实验与仿真分析，解决了组件传感器信号　算机、ＲＳＳ９１１组件信息采集模块、大气数据计算　机、气象数据存储器和通信模块。该分系统实现　的功能为：　采集、传输与温湿压解算等问题，满足了高精度温　湿压测量要求；　‘　２）采用小型化静压和全压管分离安装、高精　①数据采集。实时采集气象传感器、惯导系　统和ＧＰＳ的数据。　度自校正压力传感器、高精度姿态测量和ＧＰＳ等　②数据通信。将测量数据实时向机载控制　计算机传输，数据包括无人机气象探测系统有效　载荷所测得的气象参数，测量时间，无人机平台测　技术，并使用ＵＫＦ滤波及综合误差校正、几何学　与动力学多参数多坐标系联合求解等方法实现了　风参数实时解算技术；　３）应用卫星系统实现了长航时数据传输与　飞行监控技术，填补了国内卫星在无人机长航时　得的位置、速度、航向、姿态等。这些参数的数据　信息由无人机平台系统的传输系统发送到地面，　供气象参数解算和显示。　③数据存储。无人机执行任务时，可将测量　数据存储在机上存储器中，数据率为０．１　Ｈｚ，存　飞行监控和数据传输的空白，解决了微小型无人　机实现长航时、远距离飞行的测控难题。　储时间大于３０　ｈ，存储内容为无人机探测的气象　参数，测量时间，无人机位置、速度、航向、姿态等。　④数据重发。可将存储的数据通过机载控　制计算机和数传电台快速向地面站重发。　机载数据采集处理计算机是数据采集处理分　系统的核心，需要完成ＧＰＳ接收机、测姿系统、多　种气象传感器数据的采集、处理、存储和发送。　４试验情况　系统初样机完成后，先后经过了数十次各种　地面匹配试验和飞行仿真试验，先后在沈阳和酒　泉卫星发射中心进行了全系统、长距离飞行考验　和试用，其中在达到１　５００　ｋｍ连续飞行试验中，　获得了有用的气象测量数据。有效载荷在戈壁恶　劣气候条件下连续可靠地工作３０　ｈ。　图５～图７给出典型的测试过程界面和测试　结果。　３解决的关键技术　经过近３年对无人机气象探测系统有效载荷　图５　飞行中气象参数实时测量界面图　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　沈怀荣，等：基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究　■　蠡蕊毫Ｅ　豳秘嘲瞄豳圈瞄援鞠嘲蕊疆疆瓣瓣蕊瓣嘲强糍爨鞴麓鼎嚣隳瓣戮　黧鞭露鲤麟黼鞲秘麓鞠黼醴鞭掰艘霹瞪鞲鞘骚黧暖秘鳃黼黥臻丽糖骶鼬爨露黼潮翻譬罄登嘲麟鞭黝鞋　糙　－嚣　－＿目＿－阻　，　一　州　西德　－太强嚣＝予簿　／　距离鼬　垡　一…　千采　’　新衣一、～／—　、塔最、　屯　、＼、一…　’　ｌ　一　占。博　１　麟匦　］徘　＾　，　表豳　ＧＰｓ已定位　。　主屯镇　一…”一一／，《　，－　照堡　日１４　。　一／１　／／　／　ｆ／　．言　黄囊　一　新舂确　、　饭量：　经度睡西　基１　端虞　亚二　蕊！］　ｔ　譬　。■　，新嚣县　鲫　蕊襄手　厂＿　／　大崔电　喇鲁镇襄　…撂一、、　．清水啻镇　‘争　高度　［二＝］采　速度：　航速陆　——］米彤　航向匦　二二二二］蹙　弱　友温　卫　。辫隧镇，　／　者　霉牛蟹　、　。并隆量　　－度潼　．－平罗镶　遇　・　…一　｜、　鞴扣１镇　辑　．　；　左压　．姿态：　照　矬　－偏靛匝三二二二二ｌ豫　：６．４　曼　右湿　盥　右压　避　东向飚　俯仰匿　二二　右温　氆　滚耪匝　二二二］受　ｔ●　＾＿——　　卫　８Ｓ０蜘ｉ§０８４　ｈＰ　她　３．９　ｍ／ｓ　苷　末　∞　卜ｌ　Ｉ　６２・　馘　《　Ｉ　呲　Ｉ　—＿　Ｉ　・。　懋　图６典型的飞行轨迹界面　图７　飞行路径、温度、湿度、气压、风速等参数显示　５　结　论　通过近３年的攻关，完成了小型高性能无人　该系统可安装在无人飞行器如靶机、侦察机上面，　可有效地提供大气参数，为飞行参数修正、试验结　果处理等提供气象支持。安装在地面专用装置或　移动设备上即可构成移动气象站。相关技术不仅　可推广应用于重要武器系统或航天试验气象测量　机气象探测系统有效载荷研制，实验和试用表明　该系统可满足连续实时测量温、湿、压、风参数。　系统总重量仅１　ｋｇ，测量精度高、性能稳定可靠。　保障任务，亦可用于民用气象测量领域，在常规气　维普资讯 http://www.cqvip.com

１０６　装备指挥技术学院学报　２００６年　象测量、救灾、防火等应用中都可发挥作用。目　［３］ＰＨＩＩ　ＬＩＰＳ　Ｗ　Ｆ，ＨＡＩＬＥＹ　Ｃ　Ｅ，ＧＥＢＥＲＴ　Ｇ　Ａ．Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　前，所研制的无人机气象探测技术、相应机型的长　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｒ，Ｊ］．Ｊｏｕｒ　航时飞行能力已达到或接近国外先进水平。　ｎａｌ　ｏｆ　Ａｉｒｃｒａｆｔ。２００ｌ（３８）：７ｌ８—７３７．　［４］ＮＩＣＵＬＥＳＣＵ　Ｍ．Ｌａｔｅｒａｌ　ｔｒａｃｋ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｗ　ｆｏｒ　ａｅｒｏｓｏｎｄｅ　ＵＡＶｒ，Ｒ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：Ｓｅａｔｔｌｅ，ＷＡ　９８１９５，　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　ＡＩＡＡ　２００１－００ｌ６．　Ｅ１］马舒庆，汪　改，潘　毅，等．微型探空飞机解析测风方法　ｒ－ｓ］江琼，陈怀民，吴佳楠．Ｈ　鲁棒控制与ＰＩＤ控制相结合的　［Ｊ］．大气科学，１９９９，２３（３）：３７７—３８４．　无人机飞行控制研究［Ｊ］．宇航学报，２００６，２７（２）：１９２—１９５．　［２］ＨＯＬＬＡＮＤ　Ｇ　Ｊ，ＷＥＢＳＴＥＲ　Ｐ】，ＣＵＲＲＹ】，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　［６］任金彬，沈怀荣．无人机皮托一静压管测风误差分析［Ｊ］．装备　ａｅｒｏｓｏｎｄｅ　ｒｏｂｏｔｉｃ　ａｉｒｃｒａｆｔ：ａ　ｎｅｗ　ｐａｒａｄｉｇｍ　ｆｏｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　指挥技术学院学报，２００４，１５（４）：４５—４８．　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０００—０７—１９）ｒ，２００６—０５—２０］．ｈｔｔｐ：／／　ＷＷＷ．ａｅｒｏｓｏｎｄｅ．ｃｏｍ．　（责任编校：张建军）　２５宙　臣已三一＿臣芒三己　自目５右五　已巨芒ｊ　三己ｌ二芭三Ｅ五＿＿Ｅ三　ｊ＿广ｌ五ｊ己旺　＿＿Ｅ　＝己显豇量百互ＥＥ三日　－巳罚臣　二三［＿巨百　芒三已五五夏＝ｉ芒　Ｅｉ数据库对文摘的要求　科技期刊文章中的文摘主要由４部分组成，即：研究的问题、过程和方法、结果、结论。文摘只有写　得正确，写得好，才能起到帮助读者了解原文献的作用。因此必须对原文献进行认真的主题分析，找出　原文献的主题概念，正确地组织好这些主题内容，简明准确完整地写出文摘来。　文摘长度一般不超过１５０　ｗｏｒｄｓ。少数情况下允许例外，视原文献而定。在不遗漏主题概念的前　提下，文摘应尽量简洁。　１）缩短文摘方法：①取消不必要的字句；②对物理单位及一些通用词可以适当进行简化；③取消　或减少背景信息（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）；④限制文摘只表示新情况、新内容，过去的研究细节可以取　消；⑤不说无用的话；⑥作者在文献中谈及的未来计划不纳入文摘；⑦尽量简化一些措辞和重复的单　元；⑧文摘第一句应避免与题目重复。　２）文体风格：①文摘叙述要完整、清楚、简明；②尽量用短句子并避免句行单调；③用过去时态叙　述作者工作，用现在时态叙述作者结论；④能用名词做定语不要用动名词做定语，能用形容词做定语就　不要用名词做定语；⑤可用动词的情况尽量避免用动词的名词形式；⑥注意冠词用法，不要误用、滥用　或随便省略冠词；⑦避免使用一长串形容词或名词来修饰名词，可以将这些词分成几个前置短语，用连　字符连接成名词组，作为单位形容词（一个形容词）；⑧尽量用主动语态代替被动语态；⑨尽量用简短、　词义清楚并为人熟知的词；⑩慎用行话和俗语；⑩语言要简练，但不得使用电报型语言；⑥文词要纯朴　无华，不用多姿多态的文学性描述手法；⑩组织好句子，使动词尽量靠近主语；⑩删繁从简；⑩文摘中　涉及其他人的工作或研究成果时，尽量列出他们的名字及文献出处；⑩文摘词语拼写，用英美拼写都可　以，但在每篇文章中必须保持一致；⑨文摘中不能出现“图××”、“方程××”和“参考文献××”等　句子。　３）文摘中的特殊字符：特殊字符主要指各种数学符号、上下脚标及希腊字母，无法直接输入计算　机，因此都需转成键盘上有的字母和符号，Ｅｉ对此有专门规定。希望在文摘中尽量少用特殊字符及由　特殊字符组成的数学表达式。因为它们的输入极为麻烦，而且极易出错，影响文摘本身的准确性和可读　性，应尽量不用，改用文字表达或文字叙述，更复杂的表达式几乎难以输入，应设法取消。　４）缩写字及首字母缩写词（ａｂｂｒｅｖｉａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ａｃｒｏｎｙｍｓ）：对那些已经为大众所熟悉的缩写词，如　ｒａｄａｒ、ｌａｓｅｒ、ＣＡＤ等，可以直接使用。对于那些仅为同行所熟悉的缩略语，应在题目、文摘或关键词中　至少出现一次全称。　《装备指挥技术学院学报》编辑部　２００６年１０月２８日