基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究

基于微小型无人机的气象探测有效载荷研究

刘宝龙

中国 南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁局 广西南宁 邮编 530029

摘要：为更方便探测气象，提高效率，很多从事气象等方面的企业利用微小型无人机来探测气象，测量温度。微小型无人机可以长时间停留在空中探测天气、温度变化。本文探讨了微小型无人机的气象探测有效载荷工作原理，将会采取多种不同方法来检测最终检测结果，旨在证明该系统可以应用于多个不同气象探测当中，为日后更好的推广这一技术提供更多参考依据。

关键词：微小型；气象；载荷；研究

引言：近年来，随着我国社会技术不断进步使我国生产方式发生了翻天覆地变化，在这样的情况很多新型气象探测技术得到了广泛的运用，帮助了很多企业解决了气象探测管理问题，同时提高探测效率及所需成本。但是，由于多种不同技术影响，致使很多管理等问题出现，其中气象监测设计等问题。如果这些问题得不到很好解决，那么势必就会导致很多的管理等问题出现，则对企业测量与管理来说必然带来很多影响。为了更好的进行研究本文将采用运用多种监测技术来进行监测，以收集到更精准的气象测量结果；将主要采用卫星系统实现长距离数据监测与数据传输。在经过试验之后得出，高技术不但可以满足专业的气象探测需要，同时可以应用到民用气息探测当中。

一、无人机气象探测系统研究背景

为了更好的进行气象探测，无人机气象探测系统便应运而生，该系统的出现填补了自动气象探测空白，该系统最最终任务是为了解决不同区域之间的长时间气象探测问题，具有长时间作业能力，可以检测探测区域的气象数据，其中就包括有：温度、风力、湿度、风向等，当系统收集到了相关的气象数据之后，将会立即将数据传输回来，储存到数据库当中，可以作为航天研究、科研升空研究等提供实时气象监测依据。目前技术在除了航空领域之外，均有十分广泛的应用，具有较广阔的市场应用发展前景及。从二零零三年开始，我国科技人员就开始从事该系统的自主研发、生产，今已经取得了重大的技术突破与成果^[1]。

中国气象局早在“八五”期间，就大力的开展了无人驾驶气象探测研究与测试工作，运用了多种不同方法来研究气象探测问题。通常可以使用小区域与气象参数进行测量，然后根据相关的参数来测算无人机按圆形轨迹来进行飞行。从上个世纪九十年代开始，世界各国均十分广泛的参与到无人机的气象探测研究工作，其中澳美两国就进行了气象探测飞机研究工作，便在无人机的气象探测领域获得了巨大成功。后来，澳美两国共同的开展了首次了一次无人机横跨大西洋的研究，总共测试航程已经达到了三千两百七十千米。这种无人机的体积小巧，重量较轻，能耗量较低，具有较强的自主飞行能力，可广泛的应用于多个不同的技术测试当中，并且电池续航能力极强，气象监测能力强，当然除了受制于一些高精度技术结算方法限制之外，同时也受到其他不同的技术所影响。本文重在探讨气象探测有限载荷系统的应用和分析。

二、有效载荷功能与原理

无人机气象探测是一种具有高精度气温检测能力的设备，该系统虽然内部设计简单，但是各功能运行十分强大。包括有：通信系统组成、地面设备、无人机平台、有效载荷。其中，有效载荷部分通常包括有数据处理分析系统、气象测量传感器。无人机平台主要包括有动力、结构、电池、导航控制系统。地面设备主要就包括了发射装置及任务规划、数据接收发射系统^[2]。

（一）有效载荷系统的功能与设计

为了提高无人机的气象探测能力，研究人员在该系统中加入了有效载荷系统接受无人机工作过程中所接受到的各种数据，包括了无人机运行速度、飞行高度、状态，同时还结合了飞机上传感器直接测量的各种所需数据，包括总压力状态、静止压力、温度等数据，进行数据处理与显示，或的气象数据等。但是，由于运行环境比较的苛刻，因而，研究人员则将无人机体积上设计比较的小，载重小，可靠程度相对的比较高。总的测量精度指标要求比较苛刻，即温度小于1m/s等。

（二）有效载荷系统组成部分

有效载荷系统组成部分较复杂，这是为了更好的应对外界环境不同来进行设计的，比如：无人机在运行的过程中需要对外部气象温度、湿度、气压等进行检测，因而，这也就决定了无人机必须具备多种不同的功能。为了解决这一技术上的难题，技术人员在无人机系统中加入了多个不同的系统组成部分，如：温度、湿度、气压传感器等。

（三）有效载荷工作原理

有效载荷工作系统运行原理较复杂，但是各个不同功能部分分工明确，而其的组成部分就包括：湿度、湿度、气压测量主要采用不同型号的传感器来进行工作，这些不同部分集中设计在无人机内部当中。得益于技术不断提升，目前无人机尽管植入了不同的功能，但是重量依旧很轻，方便技术人员操作，日后检修、保养，监测精度比较高。这些不同的功能主要分布在左右两边机翼上，采集处理板可以重复性的使用。值得一提就是，该系统的三大核心技术主要包括：风向测量、风速、解算。其中，风速与风向测量由于比较的复杂，对技术精度要求较高，因而由内部的多个不同系统、传感器协同完成这两方面的测量。

首先，飞机姿势传感器与GPS接受机主要是由无人机平台系统提供，然后再将风速、风向测量所需使用到的信息通过RS232接口传递至数据采集计算机当中。

数据采集处理方式比较复杂，由多个不同的系统所组成，其中包括计算机、RSS911组建信息采集数据模块、通信接收模块等组成。具体如下：

（1）数据采集。实时负责采集不同功能模块所发回来的数据，其中，就包括有：GPS数据、惯导系统等。

（2）数据通信。当无人机采集到了不同的数据之后，就会由发射器将这些数据发送回地面，然后在经过解算之后显示出来。

（3）数据储存中心。当无人机将风速、温度等数据收集到之后，就会将这部分数据储存到无人机上，包括无人机飞行高度、所处位置、地理环境等。

（4）数据重发。当无人机将数据收集完毕之后，就会将这部分数据储存在无人机数据储存中心当中，然后在经过储存中心重新的发送至地面。

机载数据采集处理计算机通常分有多个不同核心系统，通常需要接受不同的数据信息，然后在经过不同的气象传感器来收集相关的数据，处理收集回来的数据，然后进行再次发送。

三、解决核心技术

在经过研究人员长期研究之后攻克了多谢技术问题，这为该系统在民用领域应用做好了准备。目前主要解决了如下几种技术：

（1）为了能够进一步满足对高精度温度、湿度测量的需要，研究人员在无人机左右机翼植入了高精度超轻型温度、湿度、传感器组建。这便大大的提高了无人机测量精度。

（2）为了完成高精度测量，减少数据误差，技术人员在经过长期不懈的研究之后采用了小型全压管分离安装、高精度自校正压力传感等技术，由此就实现了实时解算技术上的需要。

（3）我国技术人员早在二零零三年之际，就已经开始着重于技术方面的研究工作，后为了满足数据传输、飞行等的不同需要，而将卫星系统技术运用到无人机当中，由此解决了数据传输及飞行监控等问题，这样就极大的解决了微小型无人机实现长距离飞行、监测等诸多难题。

结论：

我国研究人员从着手微小型无人机的气象探测研究以来，就一直致力于有效载荷的研发、测试工作，经过了十多年的研究之后已经获得了极大的图片，在经过不断的试验与论证之后，已经证明了该系统能被运用到监测气象当中，可以提供高精度数据，最大限度的减少各种误差出现。得益于技术上的不断改进，目前这种无人飞行机总重量不超过1KG，飞行时间长，运行效率高，可靠性强，可以运用到多个不同的民营领域当中，如：防火救灾、区域气象测量等。目前，我国在微小型无人机气象探测研究方面已经达到世界顶尖水平，媲美欧美国家，极大的增强了民族自信，并提高了我国在科技领域中的地位。

参考文献：

[1]王帅. 一种作为微型无人机有效载荷的微型红外传感器[J]. 光机电信息, 2010(02):7-14.

[2]史静, 姜明, 姚巍,等. 基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统设计[J]. 气象水文海洋仪器, 2018.

作者信息：刘宝龙（1988.03）男，工程师，在职研究生，东北电力大学，南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁局，从事超（特）高压输电线路运维管理工作；广西省南宁市，邮编530029