基于衛(wèi)星架構(gòu)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程作業(yè)平臺(tái)的建立

陳昌，何松蔚，鐘建洪，游積平，李鑄杰，趙博，林俊君

（1.廣東省人工影響天氣中心，廣東 廣州 5 1 0 6 4 0；2.韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512028）

人工影響天氣是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及氣象、農(nóng)業(yè)、水利、航空、軍工、火工、空中管制、通訊等多學(xué)科、多部門、多行業(yè)，需要周密計(jì)劃和科學(xué)組織［1］。飛機(jī)人工增雨具有覆蓋面廣、見效快、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，是目前我國(guó)開展較為普遍的抗旱減災(zāi)措施之一［2］，并在人工影響天氣工作中得到了廣泛應(yīng)用。目前飛機(jī)增雨的空地?cái)?shù)據(jù)傳輸主要有衛(wèi)星和電臺(tái)兩種方式［3-8］，其中電臺(tái)傳輸受空地距離和障礙物的影響［9］，傳輸距離受限，需要在地面建立多個(gè)中繼電臺(tái)。目前我國(guó)飛機(jī)增雨的衛(wèi)星傳輸方式分為海事衛(wèi)星和北斗通信［10］，海事衛(wèi)星通信方式需要對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改裝，安裝和后續(xù)費(fèi)用高，對(duì)于租用通航公司飛機(jī)開展增雨作業(yè)的省份不易做到，而北斗衛(wèi)星局限于短消息傳輸，一分鐘只能傳輸幾十個(gè)字節(jié)，不能滿足實(shí)時(shí)傳輸DMT探測(cè)數(shù)據(jù)的需要。2016年8月6日，中國(guó)第一顆移動(dòng)通信衛(wèi)星成功發(fā)射升空，被譽(yù)為“中國(guó)版的海事衛(wèi)星”［11］。中國(guó)電信通過天通衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航通信技術(shù)，北斗衛(wèi)星負(fù)責(zé)飛機(jī)定位，天通衛(wèi)星負(fù)責(zé)空地通訊，包括數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星通話等功能［12］，于2020年1月正式面向社會(huì)各界提供天通衛(wèi)星通信服務(wù)［13］。通過天通衛(wèi)星通信功能，將增雨飛機(jī)的航跡、常規(guī)氣象信息和DMT探測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)饺擞爸笓]中心。地面上的人影業(yè)務(wù)人員可以結(jié)合雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研判，利用天通衛(wèi)星的通訊鏈路指揮增雨飛機(jī)上的工作人員作業(yè)或直接遠(yuǎn)程遙控操作催化設(shè)備，對(duì)于降低飛機(jī)進(jìn)云后引起劇烈顛簸造成飛機(jī)上人員的不適、減少上機(jī)作業(yè)人數(shù)、降低機(jī)上業(yè)務(wù)人員的工作壓力具有一定意義。

1 平臺(tái)架構(gòu)及信息流程

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

機(jī)載衛(wèi)星通信終端是基于天通衛(wèi)星、公網(wǎng)通信的應(yīng)用而研發(fā)，以飛機(jī)艙內(nèi)的通信盒+艙外通信天線為基礎(chǔ)，集成北斗定位+GPS、藍(lán)牙、WIFI等模塊，實(shí)現(xiàn)天通衛(wèi)星語(yǔ)音通信、文字交流、信息傳輸?shù)裙δ堋Ｄ壳爸袊?guó)電信的天通衛(wèi)星對(duì)外業(yè)務(wù)主要分為窄帶（9.6 kbs）和寬帶（384 kbs）2種規(guī)格。窄帶的天線與原北斗天線直徑大小、外形相同，均為半球形，升級(jí)原來北斗天線即可，缺點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)的帶寬偏小，不能傳輸大文件；寬帶的天線比較大，傳輸數(shù)據(jù)量較大，但需要專門對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改造，對(duì)于租用飛機(jī)開展增雨作業(yè)的省份來說難于實(shí)現(xiàn)。考慮廣東省目前的現(xiàn)實(shí)情況，采用簡(jiǎn)單、易行的且?guī)в性囼?yàn)性質(zhì)的窄帶衛(wèi)星通訊傳輸方式比較合適。同時(shí)，為了不影響衛(wèi)星信關(guān)站、廣東省氣象局兩地的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)傳輸安全，以公有云服務(wù)器作為數(shù)據(jù)傳輸中繼，設(shè)定一個(gè)固定IP地址和端口用于信關(guān)站和廣東省氣象局兩地服務(wù)器的各自登錄與互送數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D見圖1。在增雨飛機(jī)里構(gòu)建一個(gè)由天通衛(wèi)星終端、筆記本電腦、手機(jī)以及DMT數(shù)據(jù)采集服務(wù)器組成的局域網(wǎng)。發(fā)控器和DMT探頭分別與筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接，手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備通過衛(wèi)星終端的Wifi與地面的信關(guān)站相連，從而打通了空-地之間的通信鏈路?；谛l(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 基于衛(wèi)星通信及遙控催化作業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

廣東省氣象局內(nèi)網(wǎng)有一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器專門負(fù)責(zé)登錄公網(wǎng)云服務(wù)器，等待增雨飛機(jī)信息的下傳和地面作業(yè)指令的上傳，Web服務(wù)器用于給局域網(wǎng)的其它電腦操作使用。

1.2 信息流程

利用機(jī)載探測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)獲取增雨飛機(jī)飛行的航跡、溫、壓、濕常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和DMT探測(cè)云微物理特征數(shù)據(jù)并傳輸?shù)绞∪擞爸笓]中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器，讓地面業(yè)務(wù)值班人員及時(shí)了解作業(yè)云系的含水量、云滴譜、雨滴譜和冰晶等微物理結(jié)構(gòu)特征情況，并結(jié)合地面雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)云的宏、微變化決定是否催化作業(yè)。一方面可以通過平臺(tái)的文字通信，向增雨飛機(jī)上作業(yè)人員發(fā)出催化或不催化的指令；另一方面，也可以直接對(duì)增雨飛機(jī)上的煙條發(fā)控器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作或授權(quán)某一個(gè)地面的用戶對(duì)熖筒進(jìn)行檢測(cè)、催化作業(yè)等。基于天通衛(wèi)星架構(gòu)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程催化作業(yè)平臺(tái)的信息流程示意圖見圖2。

圖2 飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程催化作業(yè)平臺(tái)的信息流程示意圖

2 設(shè)計(jì)思路

遠(yuǎn)程遙控催化作業(yè)平臺(tái)的開發(fā)全部采用C＃編程語(yǔ)言，是基于Microsoft.NET平臺(tái)的應(yīng)用程序。利用微服務(wù)進(jìn)行開發(fā)，把整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)拆分成多個(gè)獨(dú)立的模塊，各模塊間通過松耦合的形式交互。平臺(tái)分為飛機(jī)端、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進(jìn)庫(kù)以及Web顯示等3部分建設(shè)，其中飛機(jī)上平臺(tái)和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進(jìn)庫(kù)平臺(tái)采用C／S架構(gòu)，具有集數(shù)據(jù)采集、催化、空-地通信、數(shù)據(jù)傳輸銜接以及進(jìn)庫(kù)等功能，遠(yuǎn)程作業(yè)飛機(jī)端平臺(tái)界面見圖3。

圖3 遠(yuǎn)程作業(yè)平臺(tái)飛機(jī)端平臺(tái)界面

平臺(tái)上半部份是催化功能，主要操控機(jī)載熖條發(fā)控器，對(duì)掛在機(jī)倉(cāng)外邊上的冷、暖熖條進(jìn)行檢測(cè)和點(diǎn)火催化。平臺(tái)右上角為功能按鈕，既可以讓機(jī)載人員操作，也可以授權(quán)指定地面某個(gè)用戶操作。地面人員通過全省雷達(dá)結(jié)合作業(yè)飛機(jī)實(shí)時(shí)航跡、DMT探測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合研判，向機(jī)上人員發(fā)出作業(yè)指令，指導(dǎo)催化作業(yè)。機(jī)上人員可以授權(quán)地面用戶在其監(jiān)控下直接遠(yuǎn)程遙控操作催化設(shè)備。催化平臺(tái)的下半部分為顯示登錄用戶、DMT數(shù)據(jù)發(fā)送、系統(tǒng)日志以及空-地文字通信等窗口，其中登錄用戶窗口可以顯示地面登錄上來的用戶名稱。DMT數(shù)據(jù)發(fā)送窗口顯示飛機(jī)向地面發(fā)送的探測(cè)數(shù)據(jù)，從左至右分為取樣時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、航向、航速、溫度、氣壓、濕度、液態(tài)水含量、云凝結(jié)核數(shù)濃度、氣溶膠濃度、液態(tài)水滴數(shù)濃度以及冰晶數(shù)濃度等。系統(tǒng)日志窗口負(fù)責(zé)記錄空-地之間的所有操作，以便平臺(tái)查錯(cuò)。空-地通信窗口顯示增雨飛機(jī)與地面所有用戶文字記錄。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)監(jiān)控、進(jìn)庫(kù)平臺(tái)是一個(gè)很重要的中間傳輸環(huán)節(jié)，涉及增雨飛機(jī)與地面之間的安全通信聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送作用。在公共云服務(wù)器中運(yùn)行一個(gè)程序，負(fù)責(zé)監(jiān)控某個(gè)端口，對(duì)登陸的用戶信息進(jìn)行鑒別以及核對(duì)數(shù)據(jù)格式。為了安全，該程序不主動(dòng)連接其它服務(wù)器，當(dāng)增雨飛機(jī)發(fā)出連接信號(hào)時(shí)，天通衛(wèi)星信關(guān)站向公有云服務(wù)器的這個(gè)端口以一定的格式發(fā)出連接請(qǐng)求，得到允許后與公有云服務(wù)器連接。同理，廣東省氣象局內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器也是如此連接，負(fù)責(zé)飛機(jī)的探測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)航跡以及空地文字通信等進(jìn)庫(kù)。

Web顯示平臺(tái)通過調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，地面業(yè)務(wù)人員使用瀏覽器即可實(shí)時(shí)看到飛機(jī)的航跡、作業(yè)云的云滴、雨滴、冰晶以及CCN等微物理探測(cè)數(shù)據(jù)圖表，見圖4。

圖4 飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程遙控作業(yè)平臺(tái)

圖4中作業(yè)平臺(tái)界面的上半部為遙控催化作業(yè)功能和系統(tǒng)日志，業(yè)務(wù)人員可以通過點(diǎn)擊右上角的按扭，對(duì)增雨飛機(jī)的熖條進(jìn)行檢測(cè)和催化。左上方顯示作業(yè)熖條的狀態(tài)，包括通過檢測(cè)、未通過檢測(cè)、熖條燃燒進(jìn)度等，用不同的顏色表示。系統(tǒng)日志顯示每一步操作步驟后系統(tǒng)的回復(fù)，用于對(duì)系統(tǒng)故障的排查。右下方為登錄用戶、地空通信顯示和文字發(fā)送。平臺(tái)左下方功能分布顯示常規(guī)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)、隨時(shí)間變化的雷達(dá)航跡剖面和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)圖，其中常規(guī)氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示圖包括增雨飛機(jī)實(shí)時(shí)航向、航速以及溫度、氣壓、濕度等常規(guī)氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。雷達(dá)與航跡剖面圖顯示航跡與地面雷達(dá)剖面疊加隨時(shí)間的變化，圖中可以清楚知道增雨飛機(jī)所處高度位置的上下方雷達(dá)回波變化情況。常規(guī)氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)圖顯示溫度、濕度和氣壓隨時(shí)間的變化。由于平臺(tái)界面布局限制，在平臺(tái)界面中增加了2個(gè)功能按鈕：一個(gè)是實(shí)時(shí)航跡與雷達(dá)疊加的平面圖；另一個(gè)是4分屏顯示按鈕，以不同的組合展示增雨飛機(jī)探測(cè)數(shù)據(jù)，考慮顯示數(shù)據(jù)比較多，分為4個(gè)小圖展示，分別為溫度與氣壓、濕度與液態(tài)含水量、氣溶膠濃度與云凝結(jié)核以及二維降水粒子濃度與二維冰晶濃度等隨時(shí)間變化曲線圖，顯示分布見圖5。

圖5 飛機(jī)增雨不同物理量的組合展示圖

3 業(yè)務(wù)測(cè)試

2022年2月28日，在梅州機(jī)場(chǎng)開展基于天通衛(wèi)星架構(gòu)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程催化作業(yè)平臺(tái)的功能性測(cè)試。增雨飛機(jī)于早上09：03（北京時(shí)，下同）起飛，10：30降落，總共飛行約87 min。其中1人在飛機(jī)上監(jiān)控和操作，地面2人通過VPN調(diào)用遠(yuǎn)程催化作業(yè)平臺(tái)。該次測(cè)試飛行一共攜帶12根熖條，左右煙筒隨機(jī)各放6根冷、暖云熖條。飛行測(cè)試高度約3 200 m，航速300 km／h。飛機(jī)一直向西飛行，最遠(yuǎn)飛離梅州機(jī)場(chǎng)約113 km到達(dá)河源市和平縣上空后，沿原來飛行路線返回，測(cè)試航跡見圖6。

圖6 基于天通衛(wèi)星空地通信及遙控測(cè)試航跡

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示衛(wèi)星的空-地通信正常，用手機(jī)通過天通衛(wèi)星APP打電話正常，遙控催化作業(yè)除了有1根暖云熖條由于接觸不良沒點(diǎn)燃外，其余均遙控催化成功。

基于衛(wèi)星架構(gòu)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程催化作業(yè)平臺(tái)的建立，利用中國(guó)天通衛(wèi)星的通信技術(shù)，結(jié)合增雨飛機(jī)的作業(yè)航跡、DMT探測(cè)數(shù)據(jù)以及地面雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)增雨飛機(jī)在作業(yè)云中的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過分析云中的微物理特征變化和宏觀變化，指導(dǎo)機(jī)上人員開展作業(yè)或通過該平臺(tái)直接進(jìn)行操作，減輕了機(jī)上作業(yè)人員的工作壓力，對(duì)指揮廣東省開展飛機(jī)增雨業(yè)務(wù)工作發(fā)揮了重要作用。