基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统设计

第１期　

,MeteoroloicalHdroloicalandMarineInstrumentsgyg

气象水文海洋仪器

　　Mar．２０１８

　　No．１

基于微型多旋翼无人机的

气象及环境监测系统设计

()天津市气象探测中心,天津３天津市滨海新区气象局,天津３１．０００６１;２．００４５７

史　静１,姜　明１,姚　巍２,庄　庭２,陈　涛２

摘　要:文章针对我国综合气象观测业务应对重大灾害应急、大型活动气象服务、重污染等灾根据微型多旋翼无人机的特点,提出了以多旋翼无人机为载体,搭载微型气象和环境探测设备,开展定点、定时的低空气象和环境监测.文章主要从微型气象及环境探测子系统研发、基

害性天气监测等方面的应用需求,解决近地面低空探测手段缺乏、灵活性差、成本高等问题.

于“云”服务的数据传输及应用子系统设计,以及基于小型无人机气象观测业务规范制定等方面,详细阐述了系统的整体设计方案.

关键词:微型多旋翼无人机;气象监测;环境监测;系统设计

)中图分类号:P４１４．２　　文献标识码:A　　文章编号:１００６Ｇ００９X(２０１８０１Ｇ００４７Ｇ０５

Desinofmeteoroloicalandenvironmentalmonitorinstemgggsy

basedonmicromultirotorUAV

(１．TianinMeteoroloicalObservationCentre,Tianin３０００６１;２．BinhaiNewAreaMeteoroloicalBureauoianin,jgjgfTj１１２２２

,ShiJinJianinYaoWeiZhuaninChenTaog,gMg,gTg,

)Tianin３００４５７j:AbstractAccordintothealicationofourcomrehensivemeteoroloicalobservationservicetodealwithgpppg

,,maordisasterresonsemeteoroloicalservicesoflareＧscaleactivitiesheavollutionandotherseverejpggyp

forwardcarrinicrometeoroloicalandenvironmentaldetectinensors．ThewholedesinschemeoftheygmggsgdesinandthesmallUAVbusinessrulesofmeteoroloicalobservationetc．gg

:;;KeordsmicromultirotorUAV;meteoroloicalmonitorinenvironmentalmonitorinsstemdesingggygyw

vectorofmultirotorUAV,afixedtimelowaltitudeweatherandenvironmentmonitorinstemisputgsy

,weathermonitorinetcthisaersolvestheroblemsofthenearsurfacelowaltitudedetectionsuchaslackofgppp

,measurinethodsflexibilitndhihcostetc．BasedonthefeaturesofmicromultirotorUAV,beingmyagga

sstemisexoundedindetailfromtheasectsoftheresearchanddevelomentforthemicrometeoroloicalypppg

,andenvironmentaldetectionsubsstem,datatransmissionbasedontheCloudservicesaliedsubsstemyppy

０　引　言

布局日趋完善,观测质量效益稳步提升,气象观测业务的综合实力已位于世界先进行列.在综合气象观测业务站网飞速发展、成果显著的同时,人们也清楚地看到,国内综合气象观测业务在应对重大

近年来,我国综合气象观测业务取得了快速的

进步和发展,观测自动化水平显著增强,观测站网

收稿日期:２０１７Ｇ０９Ｇ１３．

,作者简介:史静(女,硕士,高级工程师．主要从事气象探测技术应用研究及相关管理工作．１９８０)

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灾害应急、大型活动气象服务、重污染等灾害性天气监测等方面,近地面低空气象条件探测能力的不足成为制约现场应急气象保障服务的短板.

针对重大气象灾害多发、频发,各类大型活动、会展对气象保障服务要求逐渐提高,重污染天气受社会关注程度明显增强等问题,综合气象观测业务要在高分辨率、精准化和机动灵活性方面不断尝试和突破,才能满足精细化气象保障服务的需求.气象事业现代化任务也明确提出了要建２０１６年,

系统设计以打造一套一体化程度高、业务应用强、服务定位精准的基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统为功能目标,以建设“一套设备＋一个系统＋一组规范”的“三个一”体系为整体设计思路,最终实现以微型化气象观测设备研发解决机载气象观测核心问题、以观测数据云存储(公有/专有)实现数据传输智能化、以标准化工作推进观测业务规范化和流程化发展.

“:一套设备”研发１套集气象观测要素与环立以信息化为基础的无缝隙、精准化、智慧型的现代气象监测预报、预警体系.这就要求综合气象观测业务未来的发展,必须要与“云”技术、移动互联网、物联网、大数据、人工智能等先进的技术方法紧密结合,不断拓展气象观测的手段和方法,不断提升气象观测的自动化、精细化程度,全面提升适应现代气象业务发展的综合气象观测能力.

随着多旋翼无人机技术的迅速发展、商用成本不断降低,微型多旋翼无人机在航空拍摄、地质地貌测绘、森林防火、地震调查、边境巡逻、应急救灾、环境监测、城市规划等多个民用领域的应用越来越广泛,具有成本相对较低、反应速度快、覆盖范围广、不受地面条件限制、无人员伤亡风险、机动性能好、使用方便等优势,为实现灵活机动的近地面低空气象和环境监测提供了良好的搭载环境

支撑[１,２]

象灾害、.环境监测和相关服务的应用尚处于尝试

目前,国内通过多旋翼无人机开展气

阶段[

３Ｇ５]

方面的应用还有诸多技术亟待解决.微型多旋翼无人机在气象,及如轻便传感环境监测器的研发和优化集成、探测系统轻量化设计、机载探测数据最佳传输流程及应用方案等.

针对上述问题,文章从机载探测系统开发、数据传输及应用系统设计,以及基于小型无人机气象观测业务规范制定等方面,设计并提出了微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统,从理论和总体架构方面为微型多旋翼无人机在气象领域的应用提供参考依据.

　系统总体设计

．１　功能目标

系统利用微型多旋翼无人机响应快速、机动性能好、操控简便、可垂直飞行等优势,以无人机作为气象及环境探测的载体,实现对近地面低空气象和环境要素的定点、定时观测;借助物联网通信和“云”服务应用,实现观测数据的实时收集、共享和应用.

境观测要素于一体的微型机载探测设备.

享、质控多功能为一体的地面接收传输系统“一个系统”:打造１个集数据接收、传送、共.

业务流程“一组规范、微型气象探测设备功能需求”:完成１组涵盖无人机气象观测

、运维手册等方面的标准化类文件.

．２　系统结构

在充分考虑“三个一”体系的基础上,定位常规观测、应急气象服务观测和重污染天气观测的场景应用,完整规范的体现由原始气象要素采集到数据加工处理、由各类探测信息传输到数据存储、由观测数据应用到业务服务的系统流程结构,文章对微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统进行了整体结构设计.如图１所示.

图１　基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统结构

系统提供标准化的基础数据中心,在业务流程、同步机制、应用集成等业务逻辑支撑下,提供无人机机载气象和环境探测、地面数据接收、云端产品共享等终端应用,以及相应的后台处理和管理应用.支持１

,)按照微型无人机机载气象及环境观测数据标准化基础数据中心为系统提供数据访问传输、存储相关规范,建立机载观测设备基本信

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息、飞行探测实时数据和历史数据等基本数据库,以及用户管理、系统日志等管理数据库,并为业务逻辑层、应用表示层提供数据服务.

)业务逻辑层是系统逻辑处理的核心,位于数２

据访问层和表示层中间,在数据交换过程中起着承上启下的作用.系统中,业务逻辑层的价值主要集中在无人机气象及环境观测业务规则的制定,以及该业务流程的实现,并通过对标准化基础数据的处理、加工,实现对终端业务和后台应用的支持.)系统的应用表示层分为终端业务功能和后３

台应用业务两部分,其中,终端业务功能部分是整,个系统研发的关键,是面向用户的“界面”包括机载探测系统终端(观测硬件,用于获取各类探测信、息数据)地面数据接收终端(用于接收各类探测数据并完成探测数据本地化必要加工处理)和数据产品“云”应用终端(以“云”来实现数据的远端推送、;展示和对外服务)后台应用业务为表示层提供算法模块支持,是应用表示层的数据处理核心.)标准化规范体系为系统研发各环节提供了４依据,研发完成的整体系统还应进行常规观测、应急气象服务观测及重污染天气观测等场景适用,以实现业务产品研发成果的转化应用.

的数据采样精度和频率参考了«常规高空气象观(测业务规范»中国气象局,的相关标准,２０１０年)环境要素传感器选型的相关技术标准以«环境监»(测仪器适用性检测标准规范(空气和废气卷)中国环境监测总站,为依据.２０１４年)

)轻量化２

受微型无人机搭载能力制约,系统中硬件观

测设备的设计应具有体积小、重量轻、易于集成等特点,因此核心传感器推荐选用芯片式传感器,对关键气象观测要素传感器采用整体式设计,直接封装.部分环境气象观测传感器采用标准接口的模块化设计,可以按照实际观测需求进行观测要素的选择及挂接.

)独立性３

为保证系统的独立性和成套性,减少对特定

搭载环境的依赖程度,系统采用独立供电方式,还应具有G时钟模块,可完全独立于无人PS模块、机开展气象和环境观测.

２．２　硬件设计原理

微型气象及环境探测子系统,是整个无人机气象及环境监测系统的核心,可提供温度、湿度、还可通CO、COOSO２、３、２等环境要素的机载探测,

过反演飞机的飞行姿态和飞行参数来获得大气环境的风向、风速数据.

微型气象及环境探测子系统的研发,依据气象仪器和观测方法中的相关技术标准,以数据采集处理芯片为核心,通过IIC、UART、I２C等不同总线接口数据传输标准,连接传感器、各功能组件及系统存储组件.系统设计原理示意如图２所示:气压、紫外辐射等气象要素,以及PM２．PM１５、０、

２　微型气象及环境探测子系统研发

计角度,系统应遵循以下设计原则:

２．１　系统设计原则

作为气象及环境观测专用设备,从成品化设

)标准化１

作为观测要素,为满足常规观测和应急服务

等需求,在对传感器进行选型时,气象要素传感器

图２　微型气象及环境探测子系统设计原理示意图

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２．３　关键技术解决方案２．３．１　通信方式确定

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硬件结构方面,对观测组件进行轻量化改进,考虑与无人机做嵌入式设计.

数据融合方面,数据采集处理器或地面终端能够支持对无人机相关飞行参数进行汇总分析,提取对气象探测和气象服务有参考价值的重要信息,如飞行状态、高度、方向、气象等,对上述GPS、信息进行解析及反演,实现对观测设备、观测信息的补充和验证.利用无人机飞行状态、各方向压力和方向等重要的机身参数实现对高空风向、风,象站常用的通信方式包括有线光纤和无线GPRS其适用场景受限、传输时效低,不能满足无人机探测需求;高空观测的L波段探空和G通信PS探空,模块体积大、成本高,也无法很好地支持微型无人

]６

.因此,机探测[系统在设计之初对比了发展成

现行综合气象观测业务中,地面观测中自动气

熟、应用广泛的无线广域网、局域网及个域网等通信技术,包括域网的４G、WiＧFi、蓝牙、Zibe高等劣势４G技术存在传输时效略差g、e等.无线广功耗大、成本,且依赖于运营商,对重大灾害的支持度较差;无线局域网的、带宽有限、存在安全隐患等一定问题WiＧFi技术亦存在容易出现连

接盲点;而以蓝牙、距离和传输速率方面不占优势Zig

Bee为代表的无线个域网通信技术在传输[

７,８

]目前通信行业,物联网无线通信技术.得到了

快速发展,尤其是专为低带宽、低功耗、远距离、大(量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网

断成熟LPWA,N为无人机低空探测提供了可靠的数据通:lowＧpowerWideＧAreaNetwork)的不信解决方案.

表术１给出了低功耗广域网主流的两种通信技

用L,综合功耗oRa和NB、Ｇ可靠性IoT的指标对比分析,根据场景适、抗干扰性、传输速率等技术指标综合考量,认为LoRa技术更为适合作为无

人机探测数据传输的主通道[

９,１０]

表１　LoRa和NBＧIoT指标对比分析表

.LoRa

NB－IoT技术特点线性扩频蜂窝

网络部署独立建网与现有蜂窝基站共用

频段１５０MHz~１GHz运营商频段传输距离远距离(１~２０km)

远距离速率０．３~５０kbps＜１００kbp

s成本

模块约＄５

模块约＄５~＄１０　　另外,

在现代移动互联背景下,通信模块成本不断降低,各种通信技术层出不穷,在系统建设的同时可充分考虑数据传输背景,打造多种传输方式的集成和互备份的多样通信方式,以保证在应急观测服务条件下的数据传输.

．３．２　观测组件与无人机的融合设计

系统设计的关键是将观测组件与无人机在软、硬件结构和实时数据方面进行充分融合.

速的反演.

　数据处理及应用子系统设计

数据处理及应用子系统主要负责对微型气象

及环境探测子系统的观测数据进行地面解析、云端存储和产品应用,包括地面数据接收系统、云存储系统,以及智能终端和Web数据应用系统３部

分.如图３所示.

图３　数据处理及应用子系统物理结构示意图

．１　地面接收系统

地面接收系统硬件部分用于部署接收软件系统及数据本地存储,应选用市场通用的工作站或平板电脑.外接L无P人WA机N通信模块的接收端(第三方),可实现对机载探测数据的实时接收;支持服务器推送标准格式的报文数据WiＧFi通信,

能按照业务管理规范向云端;另外,系统还应具有其他必要接口,能够实现对机载探测设备进行参数设置、数据下载,如蓝牙、通信串口等.

地面接收系统软件部分的主要功能是数据接收控制、显示、定时推送及本地存储.其中,数据显示的信息应包括各类基础探测数据、无人机飞控数据和必要的计算反演数据等基础数据.

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３．２　云存储系统

云存储系统根据业务及服务需求,部署于公有云/专有云环境,提供无人机及探测设备注册信息、飞行任务和机载探测数据的云存储,并向固定用户提供设备管理、飞行任务审核,以及基于GIS的数据共享等管理服务.

３．３　终端应用系统

数据应用系统包括桌面应用和智能终端应用,用以实现实时飞行任务的数据显示,历史飞行标定等内容,以满足日常观测和应急服务.

５　结束语

基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系

统的设计和研发旨在解决低空气象、环境观测业务和服务需求,机载探测设备的轻量化设计,让微型多旋翼无人机在气象和环境领域的深度应用成为可能.系统设计中,对云计算、物联网、移动互联网及大数据等新技术实现技术复用,是建设“智任务观测数据的查询、显示及统计,以及飞行任务管理等专业服务支持,并提供形式丰富的服务产品,包括廓线、时序及垂直剖面图等.

　产品定型应用及观测规范制定

开展产品定型应用、建立业务流程及规范,是

气象观测标准化建设的基本要求.为遵循全观测流程标准化体系的建设要求,在无人机气象观测系统研发环节开始,就应考虑同期开展相应的观测标准研究工作.

１

系统在完成软)产品定型应用研究、硬件研发基础上,应该针对常

规观测、应急和大型气象服务观测、重污染天气观测等场景,设计开展应用示范研究.对观测流程、服务过程、服务质量进行详细分析,由使用者对全过程进行整体评估,进而指导硬件产品改进、软件功能完善,为产品定型、制定标准提供依据.

２

开展机载微型气象探测设备功能规格需求设

)规范研究与制定计,进行业务观测流程、产品数据传输格式及规范的预研究,为业务管理部门制定相关标准提供科学化的数据支撑.

机载微型气象探测设备功能规格需求需要对探测设备的组成结构、功能、测量性能指标、环境适应性和业务运行等要求进行规范,为该气象探测设备提供设备研制、生产、测试评估的标准.

在多旋翼无人机低空气象观测业务流程制定方面,应根据设备实际功能及外场观测试验测试结果,对微型多旋翼无人机搭载的气象探测设备制定低空气象探测具体业务的流程,主要包括前期准备、探空许可、设备结构与组成、观测流程、观测过程中注意事项、数据传输的保存、设备维护及

慧气象观测”的基本原则,满足气象现代化对探测业务智能立体型和创新发展的要求.

研发完成的集观测、数据传输与应用,以及标准化规范于一体的系统,可进行近地面垂直气象/环境观测,对提升近地面低空气象观测水平、加强应急现场精细化气象观测能力有一定的推动作用;借助无人机平台开展近地面大气环境及污染物观测业务,可对重污染天气进行有效监测,为深入研究影响重污染天气形成和发展的气象条件提供技术支撑.参考文献:

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J．

４