無人機氣象觀測系統(tǒng)是一種利用無人機對氣象數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。它將無人機與氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，可以飛行到不同的高度和位置，尤其是在難以接觸的偏遠(yuǎn)地區(qū)（如山脈、極地、海洋等），實時獲取大氣中的風(fēng)溫濕壓等數(shù)據(jù)。在大范圍的氣象數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，傳統(tǒng)的測量方法往往存在時間滯后和空間分布不均的問題，而無人機可以通過高精度傳感器和實時數(shù)據(jù)傳輸，快速采集局部區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)。

      無人機在氣象行業(yè)的應(yīng)用具有巨大的潛力，它可以用于高空氣象觀測、氣象災(zāi)害監(jiān)測、氣候研究、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。無人機的高精度數(shù)據(jù)采集能力、快速部署和高機動性使其成為現(xiàn)代氣象研究和災(zāi)害預(yù)警中不可或缺的工具。

       隨著無人機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和氣象傳感器的不斷升級，未來無人機在氣象行業(yè)的應(yīng)用將更加廣泛，并為氣象預(yù)測、災(zāi)害預(yù)警和環(huán)境保護(hù)提供大量基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)支撐。

01系統(tǒng)組成

模塊：功能描述

數(shù)據(jù)采集器：數(shù)據(jù)處理與任務(wù)協(xié)調(diào)，負(fù)責(zé)傳感器接口與數(shù)據(jù)傳輸

機載氣象要素傳感器：采集風(fēng)溫濕壓等氣象數(shù)據(jù)

無人機：提供高精度的飛行控制和定位能力

 1.1 數(shù)據(jù)采集器

      數(shù)據(jù)采集器采用功能強大的嵌入式平臺，具備高度的靈活性和可擴展性?？梢栽L問并控制載荷硬件，獲取傳感器數(shù)據(jù)，與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行通信等。能夠高速、穩(wěn)定的采集實時氣象數(shù)據(jù)并按照需求存儲數(shù)據(jù)，可以將實時氣象數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸?shù)降孛嬲就斤@示。

1.2 機載氣象要素傳感器

      相較于傳統(tǒng)的氣象探測設(shè)備，機載氣象要素傳感器尺寸小、重量輕，傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度較快，能夠?qū)崟r反映氣象變化，適用于動態(tài)變化較大的氣象監(jiān)測任務(wù)，同時具備較強的抗干擾能力和高可靠性，能夠在極端環(huán)境下（如高溫、低溫、風(fēng)速較大的地區(qū)）穩(wěn)定工作，使得它能夠方便地搭載在無人機、小型飛機等平臺上。這為高空氣象測量、航空氣象監(jiān)測提供了極大的便利，特別適合用于低空飛行或難以到達(dá)的區(qū)域。同時其具有較低的功耗，能夠在長時間的任務(wù)中穩(wěn)定運行，減少了對電池續(xù)航的依賴，使得它適用于長時間、遠(yuǎn)距離的氣象監(jiān)測任務(wù)。

1.3 無人機

     無人機在氣象行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在高精度氣象數(shù)據(jù)采集、天氣預(yù)報、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。無人機的高機動性、快速部署、低成本以及能夠到達(dá)傳統(tǒng)觀測設(shè)備難以觸及的區(qū)域，使得它成為現(xiàn)代氣象監(jiān)測中的重要工具。傳統(tǒng)氣象探測通常依賴于氣象氣球、雷達(dá)或衛(wèi)星，尤其在高空的氣象觀測上較為有限。無人機可以通過自主飛行，進(jìn)入難以到達(dá)的高空或極地區(qū)域，具備更高的機動性，可以在多個點進(jìn)行觀測，從而獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖片

02數(shù)據(jù)處理

       將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線電信號傳送回地面控制站或指定的數(shù)據(jù)中心，地面控制站或據(jù)中心使用氣象數(shù)據(jù)處理軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，生成溫濕度曲線圖。

      無人機通過航線規(guī)劃軟件，使其能夠在預(yù)定的航線上穩(wěn)定飛行和懸停，并能根據(jù)飛行計劃自動執(zhí)行任務(wù)。

 03系統(tǒng)特點

靈活性、機動性：多旋翼無人機可以在近地區(qū)域進(jìn)行靈活的觀測，覆蓋范圍廣，適用于各種復(fù)雜地形。

準(zhǔn)確性：搭載高精度傳感器，能夠提供準(zhǔn)確、快速響應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。

即時性：溫濕度數(shù)據(jù)可以即時傳送至地面。

易用性：操作相對簡單，易于控制和維護(hù)。

 04技術(shù)參數(shù)

溫度傳感器

測量范圍：-90 to + 50 ℃

響應(yīng)時間：1s

精度：±0.3℃

分辨率：0.01℃

濕度傳感器

測量范圍：0 - 100% RH

響應(yīng)時間：1s

精度：±5% RH

分辨率：0.1% RH

無人機

尺寸：尺寸（展開，不包含槳葉）：810mm(長) x 670mm（寬）x 430mm（高）

重量：空機重量（含雙電池）：6.3 kg

懸停精度:（P-GPS）  垂直：±0.1 m（視覺定位正常工作時）;±0.5 m（GPS 正常工作時）;±0.1 m（RTK 定位正常工作時）

水平：±0.3 m（視覺定位正常工作時）;±1.5 m（GPS 正常工作時）;±0.1 m（RTK 定位正常工作時）

RTK 位置精度：在 RTK FIX 時：1 cm+1 ppm（水平）;1.5 cm + 1 ppm（垂直）

上升速度：S模式：6 m/s , P模式：5 m/s

下降速度（垂直）：S 模式：5 m/s , P模式：4 m/s

飛行海拔高度達(dá)：5000 m（2110 槳葉，起飛重量≤7 kg）,7000 m（2195 高原靜音槳葉，起飛重量≤7 kg）

可承受風(fēng)速達(dá)：12m/s

可飛行時間長：55 min

防護(hù)等級：IP45

工作環(huán)境溫度：-20°C 至 50°C

數(shù)據(jù)采集器

硬件接口：UART

采集頻率：1Hz

存儲：16GB

05工作流程

1確定區(qū)域：確定需要觀測的區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域。確保觀測區(qū)域海拔滿足航測無人機的作業(yè)要求。

2飛行計劃：根據(jù)觀測區(qū)域和目標(biāo)要求，規(guī)劃無人機的飛行計劃，包括起飛點、航線、觀測高度、飛行速度等參數(shù)。

3確定時間：考慮天氣狀況和目標(biāo)要求，選擇適宜的觀測時間。

4設(shè)備檢查：對所有的設(shè)備進(jìn)行檢查，主要包括飛機性能的檢查、電池電量、傳感器固定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苷！?/span>

5設(shè)備起飛：將無人機放置在安 全的起飛點，啟動飛行控制系統(tǒng)，并確保無人機和傳感器狀態(tài)正常。

6數(shù)據(jù)采集：飛行過程中，無人機搭載的溫濕度傳感器會實時測量周圍空氣的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

根據(jù)飛行計劃，無人機在預(yù)定高度和位置進(jìn)行航線飛行，收集不同位置、高度的溫濕度數(shù)據(jù)。

7數(shù)據(jù)傳輸：采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸傳送回地面控制站或指定的數(shù)據(jù)中心。

數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)確保穩(wěn)定和可靠，以便后續(xù)處理和分析。

8數(shù)據(jù)分析：地面控制站或數(shù)據(jù)中心使用氣象數(shù)據(jù)處理軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

9生成報告：根據(jù)處理和分析的數(shù)據(jù)，生成溫濕度廓線數(shù)據(jù)表、時間趨勢圖、對比圖等。

10結(jié)束任務(wù)：無人機完成任務(wù)后，安 全降落并進(jìn)行必要的維護(hù)和檢查。

飛行測試數(shù)據(jù)示例

06項目執(zhí)行情況

地點：內(nèi)蒙古呼倫貝爾市滿洲里西郊機場

應(yīng)用：為國產(chǎn)民航大飛機飛行試驗提供環(huán)境梯度氣象數(shù)據(jù)

現(xiàn)場圖片：

國產(chǎn)民航大飛機

機載氣象觀測系統(tǒng)