无人机在气象监测中的应用

郭琪，童庆祥

（阳春市气象局，广东阳春 529600）

无人机在气象监测中的应用

郭琪，童庆祥

（阳春市气象局，广东阳春 529600）

简单介绍了无人机在气象监测中的应用前景，无人机具有技术先进、操作简单易学、成本低廉，且审批手续简单等优势。因此在气象监测中可以利用无人机的优势进行气象监测，无人机正好弥补传统气象监测手段的不足，以其成本低、机动灵活、反应快速的特点，为气象监测增加有效监测手段。用较少的成本，将现有成熟的无人机航拍技术应用于气象环境监测和雷电灾害影像收集，是气象监测无人机的设计目标，要根据设计目标选用合适的无人机载具。

应用气象；无人机；固定翼飞行器；气象监测

无人驾驶飞行器简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。从载具的类型可以分为多旋翼飞行器、固定翼飞行器、垂直起降飞行器、飞艇、伞翼机等。一架可执行任务的无人机应该至少包含飞行载具、地面控制系统、飞行自动控制系统（飞控）、飞行数据回传系统和任务功能模块系统等。操作员通过地面控制系统直接操纵飞行载具起飞降落和执行任务功能；飞行数据回传系统是操作员的眼睛和耳朵，机载摄像头和麦克风的图像声音信号通过图传发射回地面的显示屏，操作员根据显示屏实现超视距实时操纵飞行器；飞行自动控制系统（飞控）是无人机的大脑，通过三轴陀螺仪和GPS的反馈信号辅助控制飞行载具的自动平衡势态和失控自动返航功能；根据不同的任务需要，可以挂载不同的任务功能模块，如小型化的高清摄像机航拍气象环境，也可以是气温湿度等仪器测量指定空间的温湿度，还可以携带播云催化剂实现人工影响天气作业［1］。

随着民用无人机技术的日新月异，利用现有成熟的无人机技术，以较低成本实现无人机服务于气象应用已成为可能。利用无人机搭载小型化的气象应用模块，可实现多样的气象应用功能，如在高山阻隔、突发自然灾害等特殊环境中，常规气象监测手段无法实时监控时，如能利用航空遥控模型搭载小型化的气象监测仪器到达指定空域、完成常规监测手段无法完成的任务，这将是气象监测手段的有益补充［2］。

1 无人机在气象监测中的应用前景

1.1 无人机的技术优势

1）技术先进，机动灵活。无人机是个航空的搭载平台，可以灵活搭载各种小型化的气象监测模块到达指定空间进行气象监测。相对于传统的气象监测站，无人机搭载的气象监测系统更加灵活机动，适合应对突发气象应急灾害事件的气象要素监测。无人机上的高清摄像机还能实时拍摄灾害环境现场，监测人员坐在应急预警指挥中心就能实时监控灾害现场，就像长了一双千里眼。

2）操作简单易学。无人机首先是要操作员进行遥控，就像汽车驾驶员一样，要熟练掌握操控技术。但与真正的飞行员相比，无人机的操作员身体素质不需要像飞行员那样严格要求，就是十来岁的青少年都可熟练掌握无人机的操控技术。另外，无人机上还有飞行自动控制系统，就是“飞控”。当操控员开启“飞控”功能，飞控系统上自带的GPS、气压高度计、陀螺仪等等，可以实现空中保持飞行状态、飞行空间位置的记录，还可以实现失控自动沿原路径返航的功能。所以相对于有人驾驶飞行器，无人机操作技术要简单很多。

3）成本低。近几年，民用无人机技术突飞猛进，尤其是飞控的技术发展迅猛。飞控的种类和功能越来越多，而因为竞争的原因，价格又越来越低。其它的相关配件，如电调、电机、舵机等等也都越来越便宜。

1.2 无人机审批手续简单

中国民航局于2016年1月20日发布《轻小型无人机运行（试行）规定》，对于7 kg以下的无人机无需向空管部门申请空域审批程序，不需要接入民航局的无人机云系统，只需要在无人机机身标注型号、编号、所有者及联系方式即可，也不需要装上电子围栏，只需要提前了解禁飞区即可。这无疑要比有人飞行器的相关审批手续简单得多。

1.3 无人机在气象监测中的作用

航拍是现在民用无人机应用中最成熟的技术，小型运动高清摄像机航空拍摄到高清图传和麦克风录制的现场声音，通过图传系统回传给地面站操作员的监视器上，可以及时获取现场灾情的实时音频图像资料。这是无人机在气象监测中最成熟的应用。

无人机的另一个作用就是搭载功能，无人机虽小，但能搭载一定质量的负荷。一些小型化的气象要素仪器可以通过无人机送到指定空间，可以通过图传系统的回传功能把记录到的气象要素数据发送回地面监视器上，也可以是气象要素仪器自己记录好数据后和无人机一起返回回收［2-4］。

无人机还有操作功能，地面控制站只需要3～5个信号通道就能完成无人机飞行的各种姿态控制，多出的信号通道可以完成触发开关的功能。这就能通过遥控触发搭载的设备开关，使其完成相应的功能。如果无人机搭载的是播云催化剂的装置，通过无人机送到指定空间，然后触发开关释放，就能实现人工影响天气作业的任务。

常规的气象监测手段有天基、空基、地基方式。天基有卫星、空基有气象飞机、地基有地面气象站。卫星的监测范围很广，但成本很高；气象飞机可以灵活机动，但空管审批需要提前，从而失去应急的突发性要求；地面气象站数据准确，但却不够灵活机动。而无人机正好弥补这些缺点，以其成本低、机动灵活、反应快速的特点，可以为气象监测增加有效监测手段［5-10］。

2 初步设计气象监测无人机

用较少的成本，将现有成熟的无人机航拍技术应用于气象环境监测和雷电灾害影像收集，是气象监测无人机的设计目标。根据设计目标进行无人机设计。

1）无人机载具的确定。

载具要求：能够搭载101 g的GoPro 3高清运动摄像机；续航时间10 min以上；飞行姿态平衡性稳定、维护方便、成本低。

考虑各种无人机载具类型的优缺点和载具要求，最终确定：采用1.4 m上单翼双发动机固定翼机型做载机，命名为“双发动机微风”机型［3］。电子系统使用2.4 GHz天地飞7通道遥控器，3S25C2200 mAh聚合物锂电池供电，2个朗宇2 212～1 250 kV三相异步无刷外转子电机、1对皓业9047正反桨、2个好盈（天行者30 A）电调、4个银燕ES08A航机，如图1连接。

图1 电子器件接线示意图

2）首次飞行试验及验收。

2013年5月11日，阳春多云、气温31℃、东南风1级，试飞场地选在阳春市东湖公园广场内。首先做地面调试：打开天地飞7通遥控器，遥控器调到1频道，然后接通载机电源进行对频操作，检查各遥控按键是否正常，把各舵机微调到最佳角度，轻推油门检查电机是否正常。一切正常后载机逆风向进入跑道，打开GoPro 3高清运动摄像机，轻推油门缓缓升空，待载机爬升到安全高度后，跟据风对载机气动外型的实际影响再微调个舵机，使载机更好操控。空中调试好后把载机飞近监测目标，调整飞行姿态使高清摄像机更好拍摄目标地点。完成目标监测任务后，对准跑道，控制高度，轻收油门，完成降落。

通过地面拉距测试和空中实测：摇控距离＞800 m、留空时间12 min，初步实现了：“将现有成熟的无人机航拍技术应用于气象环境监测和雷电灾害影像收集”。气象监测图像清晰，如图2所示。

图2 双发微风首飞航拍图

随着民用无人机技术越来越成熟，成本越来越低，实现无人机广泛服务于气象应用必将成为现实。

［1］金凤岭，张晰莹，张云峰，等.新一代飞机人工增雨作业指挥系统研制与应用［J］.气象科技，2006，34（4）：470-473.

［2］杨熠，江鹏，邓建斌，等.浅谈固定翼航空模型在抚州气象应急监测系统中的应用［J］.地球，2015（7）：383.

［3］陈卫东，宁雷，刘淼群，等.小型固定翼飞机飞行动力学仿真［J］.飞行力学，2015，33（4）：301-305.

［4］左来明.遥控航模实现输电线路巡线［J］.东北电力技术，2010，31（5）：41-47.

［5］李年，吴振强.自动化转型后如何保持地面气象测报的高质量［J］.广东气象，2014，36（2）：74-77.

［6］卓贞容，欧阳细美，韦丽菊.自动气象站的使用维护技巧［J］.广东气象，2006，28（1）：63-65.

［7］姚雯，郑国光，郭亚田，等.气象探空测风软件系统的标准化研究［J］.应用气象学报，2004，15（1）：88-94.

［8］梁慎青，石小英，梁苑苑，等.广东省气象信息实时监视系统的开发及应用［J］.广东气象，2009，31（1）：57 -59.

［9］谭鉴荣，李建勇，黄飞龙，等.新一代天气雷达技术及发展趋势［J］.广东气象，2009，31（2）：19-20.

［10］林高斌，黎婉珊，梁钊扬.浅谈罗定市人工影响天气工作［J］.广东气象，2013，35（SⅡ）：48-49.

P49

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.06.015

2016-08-20

郭琪（1982年生），男，本科，助理工程师，主要从事雷电防御工作。E-mail：23854337@qq.com。

郭琪，童庆祥.无人机在气象监测中的应用［J］.广东气象，2016，38（6）：64-66.