李大鹏, 郑德智 , 郭 虓, 樊尚春, 胡 纯
(1.北京航空航天大学 前沿科学技术创新研究院，北京 100191；
2.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191；
3.北京理工大学 前沿交叉科学研究院，北京 100081)
台风是世界上最严重的自然灾害之一，台风在中国年均登陆7.6次，位居世界第1位。台风、雷暴等灾害性天气对人民生命财产具有极大的破坏力[1-4]，中国每年仅由台风造成的直接经济损失就高达295亿元，造成死亡约403人。据测算，台风路径预报误差减少1 km，可减少1亿元损失；
台风强度预报误差减少1 m/s，可减少4亿元损失。利用各种气象仪器的观测数据对台风进行建模分析，观察台风不同生命时期的结构特征，从而对台风未来的行动路径和结构变化进行预测，有助于加强人们对台风的预警和防护，最大程度保护人民生命财产安全[5-8]。
为实现对台风这一自然现象更为本质的科学认知，核心科学问题是台风内核区的结构演化机理[9-10]，关键技术瓶颈是对台风进行多要素、长过程、精细化的直接探测，获得从台风形成到增强、维持、减弱、登陆的全生命周期的数据。目前，大部分探测手段仅能获得台风外围的数据，探测深度、探测广度、探测精细化程度均有限，制约了台风强度和发展趋势的精确预测。因此，研究台风内核区精细化探测技术对于进一步认识台风、掌握台风的生成发展机理具有极其重要的意义。
近年来，国内外针对台风内核区的空基探测手段以探空火箭和临空飞艇为主。探空火箭方面，国外以美国为代表形成了高度覆盖0～1600 km、载荷最大可达675 kg的探测能力[11]；
国内“子午工程”也包含以探空火箭为空基平台的探测系统[12]，但探空火箭只能探测发射路径中的气象参数，获取数据量较少，不具备在大范围内布撒探测组件、实现台风内核区广域协同探测的能力。临空飞艇方面，美国、欧洲、日本等都在投入大量经费研制临近空间飞艇，并研制了以HAA(High Altitude Airship，高空飞艇)、ISIS(Integrated Sensor IsStructure，集成传感器即是结构)飞艇、HiSentinel系列飞艇为代表的飞艇[13]；
国内研究单位包括北京航空航天大学、中电科集团第38研究所、中科院光电院等[14]，其中北京航空航天大学先后4次完成20 km以上平流层高度飞行验证，并于2017年首次基于飞艇平台实现18 km高度指定区域下投探测，获取了原位大气数据，其平台技术指标在世界范围内暂时领先[15]。
通过介绍自主研制的大气参数原位探测系统，并在临空飞艇平台搭载，完成20 km高度指定区域多节点下投试验，成功获取0～20 km立体空间高精度温度、湿度、气压等大气参数，并定量描述了下投式探空仪的圆锥摆运动规律。基于临空飞艇的大气参数原位探测系统经试验验证，在精度、可靠性等方面都具有自己独特的优势，为今后开展台风内核区精细化原位探测奠定了良好的基础。
大气参数原位探测系统由下投式探空仪、自动下投装置和地面无线数据接收机三部分组成，系统结构框图如图1所示。
图1 大气参数原位探测系统框图
下投式探空仪如图2所示，主要用来测量大气环境参数。在探空仪的进风口处主要集成了NTC温度传感器与电容式湿度传感器。NTC温度传感器工作温度区间宽、体积小、电阻值大、灵敏度高、传热快，适合在低温环境中稳定工作。为克服过冷水等恶劣环境的影响，在湿度测量中，采用双传感器交替加热测量方案以及高精度数字式电容测量方法，加快动态响应。探空仪同时还集成多种环境参数测量传感器，不同类型传感器同步对比测量，实现对环境温度、湿度、压力等参数的高精度、高动态原位测量。此外，自研探空仪在集成GPS实现高精度定位的同时，首次集成惯导系统，不仅可以通过测量数据定量描述出探空仪的下投运动姿态，还可以将测量数据解算，补偿探测的大气参数，解决因设备运动产生的测量误差，其安装位置及三轴定义方向如图3所示。
图2 自研下投式探空仪
图3 惯导模块安装位置及三轴定义
探空仪轴向为X轴，向上为Y轴，垂直模块向外为Z轴。旋转的方向按右手法则定义，即右手大拇指指向轴向，四指弯曲的方向即为绕该轴旋转的方向。
自动下投装置如图4所示，主要用来为搭载的探空仪供电并完成仪器投放控制。系统采用插销式弹簧电极对探空仪供电及数据发射控制，下投舱舱门由低温电磁铁控制，可实施倒计时下投或指令下投。系统内部还伴有自动温控模块，可在高空低温环境下加热，保证系统内部不受低温冷凝结露的影响而导致探空仪因降落伞凝结无法下投。
图4 自动下投装置
地面无线数据接收机如图5所示，主要用来接收并存储探空仪探测发送的实时大气参数。接收机在400～406 MHz气象专用信道下实现双通道无线数据高灵敏度接收，可实现超远距离数据传输。数据接收上位机界面采用LabVIEW实现，可实时显示探空仪探测到的环境参数信息与探空仪状态信息。
图5 地面无线数据接收机
参与试验的下投式探空仪进行了第三方的静态测试，获得了各传感器的探测精度，整套大气参数原位探测系统进行了地面低温(-60 ℃)低气压(50 mbar)综合环境试验验证，确保探空系统能够适应临空工作环境。
2.1 基于飞艇平台的探测试验
为了更好地验证研制的大气参数原位探测系统性能，为今后开展台风内核区精细化原位探测奠定基础，2021年8月2日至3日在新疆某基地开展了基于临空飞艇的大气参数原位探测试验。采用北京航空航天大学研制的单囊体飞艇作为平台，搭载大气参数原位探测系统，包括5枚探空仪、1套自动下投装置及1套地面双通道无线数据接收机。其中，1号探空仪安装于飞艇平台吊舱中，随飞艇移动不下投，上电持续发送探测数据，载波频率401.3 MHz。2号、4号、5号、6号探空仪安装于自动下投装置中，提前设置下投时间依次下投。除1号探空仪上电持续发送探测数据外，剩余3个探空仪在下投前开始发送探测数据，载波频率403 MHz，地面接收机负责接收探空仪发送的数据。试验设备搭载情况如图6所示。
图6 飞艇载荷吊舱
2021年8月2日13:10时吊舱上电，1号、2号探空仪开始发数，地面接收机开始接收探空仪数据。23:27时通过串口向自动下投装置装订下投时间，2号探空仪下投时间为8月3日02:33时；
4号探空仪下投时间为8月3日03:23时；
5号探空仪下投时间为8月3日04:13时；
6号探空仪下投时间为8月3日07:23时。8月3日01:08时，飞艇放飞。通过分析探空仪发送的各项参数数据，4个探空仪依次按照约定时间成功下投，最多持续45 min停止发送数据。
2.2 试验结果分析
1号探空仪置于飞艇平台吊舱中，上电即发送探测数据，地面接收机接收到的数据经解算如图7所示。由图中的探测数据可以看出，飞艇平台放飞前，GPS高度约为1035 m，放飞后高度一直上升，02:10时达到18.89 km，随后缓慢上升，最高到19.49 km。飞艇整体飞行轨迹从探空仪GPS信息中可得出,飞行最远直线距离达到195.8 km。
图7 1号探空仪探测数据
由于探空仪被安置在吊舱内部，故其探测所得温度、湿度、压力信息均来源于吊舱内，由传回地面接收机的数据可以看出，放飞前因设备发热，吊舱内温度由33 ℃升至49 ℃左右，随着高度不断上升，温度逐步下降，到19 km高度，温度降为11 ℃，最低为-14 ℃。湿度与压力也均随着高度的提升而降低，地面湿度为8%RH～14%RH，高空湿度为0%RH；
地面压力为890 mbar，高空时最小为66 mbar。
探空仪的三轴加速度有3次较大的变化，定量描述出了飞艇吊舱离开地面、因风速过大下降等待再次放飞，以及飞艇垂直放飞的状态。辅助飞艇平台进行飞艇状态评价与分析。
2号、4号、5号、6号探空仪置于下投装置中，依照装订时间依次打开电磁铁进行下投试验。经地面接收机数据解算分析，4枚探空仪均下投成功，实现了不同时间、不同空域的立体气象探测，但由于环境存在一定的遮挡，回传数据会有一段时间的误码现象。以4号、5号探空仪为例，其探测数据如图8所示。
图8 下投探空仪探测数据
4号、5号探空仪在下投前检测到自动下投装置发送的固定时长开关量后开始发数。8月3日03:23及04:13时，4号、5号探空仪分别下投出筒，地面接收机接收到探测数据。从探测数据可以清晰得到0～20 km立体空间的特定温度层高度曲线、温度分布图、湿度分布图以及风层图，气象分布规律同当天气象部门反演数据一致。值得注意的是，探空仪在下落中经历了两次穿云过程，湿度有两次明显的先增后减的现象。同时，通过解析探空仪传递的GPS信息，解算出探空仪所处位置的实时风速，也同步得到0～20 km立体空间的最大风速及方向。
此外，试验下投探空仪首次集成微惯导组件，由惯导加速度信息，可以明显看到04:13时探空仪加速度的骤变现象，进而推断出此刻为5号探空仪的下投时刻；
惯导三通道姿态角度信息显示，探空仪沿三轴方向转动，沿X轴转动幅度可达150°，沿Y轴转动幅度可达100°，沿Z轴转动幅度达20°，可知探空仪在降落过程中做圆锥摆运动，其摆动频率与探空仪牵引绳长度相关，约为0.5 Hz。通过惯导数据定量描述探空仪的实时运动状态，可以快速补偿探空仪因运动导致的大气参数测量误差，使测量结果更具可靠性。
通过基于临空飞艇的大气参数原位探测试验数据分析，可以得出以下初步结论。
① 研制的大气参数原位探测系统经初步验证具有较强的鲁棒性，可在低温、高遮挡等恶劣环境中正常完成下投、探测、传输等工作。基于飞艇平台的下投探测方式切实可行，观测数据稳定、可靠，未来可在指定区域定点气象观测、台风等大尺度灾害性天气观测等场景应用整套系统，定点投送探空仪完成气象精细化原位测量。
② 研制的首个集成微惯导组件的下投式探空仪经试验验证除了能高精度测量温度、湿度、压力等大气环境参数外，还能定量描述出探空仪下投姿态。未来可结合空气动力学对数据进行进一步的分析，解算出探空仪运动对传感器测量带来的影响，进一步提高系统精度。
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