低空探测飞行器的改装及其在现代气象服务中的应用
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摘要 从飞行器参数的说明、具体改装措施、应用领域，以及注意事项等方面详细介绍了如何将气象探测设备与飞行器相结合并用于现代气象服务领域，以期为低空探测飞行器在现代气象服务中的应用提供参考。
关键词 气象探测设备；飞行器；改装；应用；注意事项
中图分类号 P412 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）09-0267-01
Modification of Low Altitude Detection Aircraft and Its Application in Modern Meteorological Service
CAI Heng ZHOU Min
（Wudang Meteorological Bureau of Guiyang City in Guizhou Province，Guiyang Guizhou 550018）
Abstract How to combine the weather detection equipment with aircraft and its application in modern meteorological service were introduced from flight parameters explanation，specific modification measures，application field，and precautions，etc，so as to provide reference for application of low altitude detection aircraft in modern meteorological service.
Key words meteorological detection equipment；aircraft；modification；application；precautions
目前，气象探测主要是地面观测和高空探测。地面气象探测基本成熟，主要有地面自动气象站和气象应急保障车，高空探测主要依据人造卫星影像和高空探测气球。而对1 500 m高度范围内的低空气象探测还处于发展阶段，观测时间和观测地点有限，需要学习和探索。2013年，在生态文明贵阳国际论坛外场保障服务的背景下，笔者与低空航拍团队参与了大疆DJI S1000八轴+WKM飞行控制器的改装。本文介绍将气象探测设备和飞行器改装后相结合，利用飞行器机动性强，不受地域限制和价格适中的优势，更好地应用于现代气象服务。
1 飞行器参数
1.1 系统参数
大疆S1000采用V型8旋翼设计，在提供充裕动力的同时做到了动力冗余，配合DJI飞行控制器，使用时即使某一轴被意外停止工作也能最大幅度保证飞机处于稳定状态。机身板内部集成了含DJI专利同轴接头的电源分布设计，高效、可靠，安装方便，用户不需要做任何焊接工作；主电源线选用AS150防火花插头与XT150的组合。大疆S1000整机自重约4 kg，最大起飞重量约10 kg，可轻松搭载气象电子探空仪、GPS全球定位系统和5D级航拍设备，在配合6S15000 mAh的电池时，可获得长达15 min的续航时间，有效作业时间约12 min。
1.2 系统优势
与固定的地面自动气象站相比，飞行器具有灵活机动的优势，不受时间和地域影响，能够适时适地的开展气象探测和保障服务工作；与气象应急保障车相比，飞行器不仅价格适中，而且弥补了气象应急保障车只能进行低空探测的弊端。飞行器加载气象电子设备后与其他气象观测仪器相比，一是科技含量高，在低空领域为气象工作开辟了新的途径；二是改装性强，可以根据工作需要，增减各类电子设备，有针对性地采集低空数据；三是延展性强，把气象专用设备与其他电子设备结合起来，扩展气象服务领域，开拓新的服务市场；四是观赏性好，飞行器在工作时，集声、光、电一身，加上线性的运动轨迹，观赏性极强[1-2]。
2 具体改装
2.1 气象电子探空仪
气象电子探空仪由中国华云技术开发公司生产，与国产GHD1型GPS自动跟踪接收系统配合，能完成从地面至2 000 m低空逐层温、压、湿、风综合气象要素的实时探测。其特点为：全固态数字化、应用全固态数字式高性能TPU传感器、载波频率温度稳定性高、发射频谱窄、抗扰能力强、探测精度高、体积小、重量轻。该仪器测量范围为温度：-80～50 ℃；湿度：1%～100% RH；气压：5～1 060 hPa。气象电子探空仪可以安装在飞行器的云台下方，由行器可以承载6 kg的重量，能完全负担重量不足1 kg的探空仪。气象电子探空仪有自己的供电系统，不需要外接电源，在地面控制端可以通过接收系统实时跟踪和获取低空气象数据[3-4]。
2.2 GPS全球定位系统
现阶段，市面上2 000元以上的智能手机，基本上都标配GPS全球定位系统模块。因此，可以用一部智能手机或购买一套GPS全球定位系统来加装到飞行器上。为了增强GPS全球定位系统接收到的卫星信号，天线应安装在飞行器比较开阔的中上方，主机则安装在飞行器云台下方。GPS全球定位系统的接收端可以安装在地面，直接和便携式电脑相连，实时采集数据。也可以利用仪器自带的存储模块，待飞行器降落后采集数据。GPS全球定位系统总量为1 kg左右，自带电源，能轻松加载，且无需对飞行器供电系统进行改装。
2.3 航拍设备
DJI Zenmuse系列云台是为专业影视摄影、高清航拍而定制的云台系统，稳定性极高[5]。S1000飞行器可以完美搭载禅思Z15-5D云台。航拍相机根据需要拍摄的影像或照片的质量要求，选用适合的单反相机即可。一般的单反相机重量小于6 kg，因此可以轻松加载在飞行器上[6-7]。
3 具体应用
3.1 气象数据采集
电子探空仪是对低空温度、压力、湿度、风等多种气象要素进行现场监测的仪器。搭载气象电子探空仪的飞行器，可以进行低空数据采集。一是能为大型外场活动提供精细化现代气象保障服务。二是能在灾害发生时，根据周围环境，开展立体式的数据采集与。
3.2 气象保障服务
利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统。搭载GPS全球定位系统的飞行器，能够更清晰地规划行驶路径和反映探测点的实际位置。这对于在大型商业活动和抢险救灾工作中开展气象保障服务十分重要。
3.3 气象影视宣传
航拍又称空中摄影，是指从空中拍摄地形地貌，获得俯视图，即空照图。搭载航拍设备的飞行器，一是能够将航拍素材用于气象影视制作、气象文化宣传、气象科普教育等领域。二是在灾害事件发生时，能实时拍摄现场情况。
4 注意事项
一是改装尽量采用自带电源的设备，以免破坏飞行器的原装线路。如果确实需要涉及线路改装，必须选用符合标准的材料，按照规范的技术标准进行改装，以确保飞行器和搭载仪器的安全。二是气象电子探空仪尽量选取有资质的公司生产的仪器，以免低空采集的数据出现较大的误差，影响后续工作。三是加载的设备尽量安装在云台上方或下方。由于云台安装架下移设计，能使各类仪器正常工作，无障碍地捕捉数据。
5 结语
据实际飞行数据和实例来看，飞行器是国内外很多城市处理公共安全突发事件的“杀手锏”，包括在汶川大地震现场都发挥了重要的作用。其目的是通过既定线路的飞行，加载特定电子设备，将在空中监控到的信息反馈给位于地面的指挥机构。飞行器的特点是飞行成本低廉，运行稳定可靠，能在复杂的地形和危险地带中作业。针对我国气象工作领域，改装后的飞行器不仅可以运用于气象资料采集、气象保障服务，还能运用于气象影视节目的制作。如果飞行器在气象工作中得到普及，将大大提升气象现代化水平。
6 参考文献
[1] 李杨，马舒庆，王国荣，等.利用无人机探测台风海鸥的气象要素特征[J].应用气象学报，2009（5）：69-75.
[2] 马轮基，马瑞升，林宗桂，等.微型无人机遥感应用初探[J].广西气象，2005（S1）：183-184.
[3] 沈怀荣，邵琼玲，王盛军.基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究[J].装备指挥技术学院学报，2006（5）：106-110.
[4] 李怡勇.沈怀荣无人机气象探测数据接收与处理系统软件研究[J].系统仿真学报，2006（8）：72-75.
[5] 浅谈航拍[J].数码影像时代，2014（1）：112.
[6] 付丙岛，王广彪，丁文锐，等.用行器视觉导航的地平线检测算法[J].北京航空航天大学学报，2011（7）：849-854.
[7] 王文龙，唐炉亮，李清泉，等.一种利用飞艇航拍视频的运动车辆检测方法[J].武汉大学学报：信息科学版，2010（7）：786-789.