牛向華, 朱文會(huì), 孫秀軍, 張鵬飛, 余江林, 桑宏強(qiáng), 周 瑩, 李 燦

面向海上發(fā)射任務(wù)的氣象海洋無人觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛向華1, 2, 朱文會(huì)2, 孫秀軍3, 張鵬飛2, 余江林4, 桑宏強(qiáng)5, 周 瑩3, 李 燦3

(1. 北京應(yīng)用氣象研究所, 北京, 100029; 2. 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710054; 3. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266100; 4. 太原衛(wèi)星發(fā)射中心, 山西 太原, 030045; 5. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津, 300387)

2020年9月中旬, 我國(guó)在黃海海域成功實(shí)施了運(yùn)載火箭海上發(fā)射任務(wù)。受限于遠(yuǎn)海海域氣象海洋資料獲取難度大, 實(shí)時(shí)性、分辨率低, 文章創(chuàng)新性地利用新型無人走航式監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭載多種傳感器, 為海上發(fā)射任務(wù)提供精細(xì)化氣象海洋實(shí)況觀測(cè)保障。首先通過實(shí)際應(yīng)用需求分析, 設(shè)計(jì)了針對(duì)此次保障的海上觀測(cè)實(shí)施技術(shù)方案, 選擇波浪滑翔器作為觀測(cè)平臺(tái), 搭載氣象、水溫和波浪等多種傳感器, 采用定點(diǎn)運(yùn)行觀測(cè)模式, 使用北斗通信并設(shè)計(jì)相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸和處理機(jī)制, 以滿足氣象海洋預(yù)報(bào)對(duì)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際需求。其次通過數(shù)據(jù)綜合分析驗(yàn)證了此次任務(wù)中該系統(tǒng)在實(shí)施氣象海洋保障工作中的穩(wěn)定性和可靠性。最后提出了針對(duì)海上氣象海洋觀測(cè)的幾點(diǎn)思考, 為后續(xù)海上發(fā)射氣象海洋保障任務(wù)提供參考。

波浪滑翔器; 氣象海洋觀測(cè); 海上發(fā)射

0 引言

2020年9月15日09時(shí)23分, 我國(guó)在黃海海域用長(zhǎng)征十一號(hào)海射運(yùn)載火箭, 采取“一箭九星”方式將“吉林一號(hào)”高分03-1組衛(wèi)星送入預(yù)定軌道, 發(fā)射獲得圓滿成功。運(yùn)載火箭海上發(fā)射具有靈活性強(qiáng)、任務(wù)適應(yīng)性好、發(fā)射經(jīng)濟(jì)性優(yōu)等特點(diǎn), 可滿足各種軌道有效載荷發(fā)射需求[1-3]。此次發(fā)射是我國(guó)第2次海上發(fā)射, 在進(jìn)一步驗(yàn)證海上發(fā)射可靠性的同時(shí), 還優(yōu)化了發(fā)射流程和管理流程。

由于火箭發(fā)射的位置和軌跡都是精確計(jì)算后提前確定的, 所以要保證火箭順利進(jìn)入預(yù)定軌道, 發(fā)射平臺(tái)必須準(zhǔn)確停泊在預(yù)定位置, 在可用發(fā)射窗口內(nèi)實(shí)施。但發(fā)射平臺(tái)由陸地轉(zhuǎn)移到茫茫大海上, 首先要應(yīng)對(duì)的就是海洋高鹽度、高濕度、海況變化帶來的影響以及各種復(fù)雜天氣[4], 因此, 有效的氣象海洋保障對(duì)于運(yùn)載火箭海上發(fā)射實(shí)施具有重要意義。通過準(zhǔn)確高效的氣象海洋實(shí)況數(shù)據(jù)采集, 可為氣象海洋精確預(yù)報(bào)提供有效的訂正參考[5], 進(jìn)而保障火箭發(fā)射窗口選擇等關(guān)鍵任務(wù)環(huán)節(jié)順利實(shí)施。

相關(guān)海域的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料是精細(xì)化氣象海洋預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[6], 相應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在我國(guó)目前的數(shù)據(jù)體系中獲取難度較大[7]。常用海上觀測(cè)手段有衛(wèi)星遙感、艦船觀測(cè)和浮標(biāo)觀測(cè)等。其中, 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)只能針對(duì)覆蓋區(qū)域的某瞬時(shí)情況進(jìn)行非接觸式測(cè)量, 其連續(xù)性、準(zhǔn)確性和實(shí)效性均難以保證; 艦船觀測(cè)是人為獲取數(shù)據(jù), 樣本點(diǎn)少, 成本昂貴; 浮標(biāo)觀測(cè)時(shí)浮標(biāo)分布呈現(xiàn)“近多遠(yuǎn)少”的特征, 而發(fā)射任務(wù)首區(qū)一般處于遠(yuǎn)?；蚬：Ｓ? 相關(guān)區(qū)域由于現(xiàn)實(shí)觀測(cè)需求迫切程度不高, 加之浮標(biāo)管理難度大, 浮標(biāo)布設(shè)較少, 觀測(cè)手段比較缺乏。因此, 對(duì)于海上發(fā)射這種非固定期非固定點(diǎn)任務(wù), 實(shí)施局部海域氣象海洋精細(xì)化觀測(cè), 其承擔(dān)觀測(cè)任務(wù)的平臺(tái)需要具備較好的自主性、機(jī)動(dòng)性以及長(zhǎng)時(shí)序海上觀測(cè)等能力, 才能更好地適應(yīng)氣象海洋保障的要求[8]。

近年來, 無人走航式監(jiān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)發(fā)展迅速, 在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[9], 其集成化程度高, 可搭載各種傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸; 功能多樣化, 具體應(yīng)用包括無人艇、波浪滑翔器、水下滑翔機(jī)以及自主水下航行器等。其中, 波浪滑翔器是一種新型走航式海洋觀測(cè)平臺(tái), 其研究技術(shù)已經(jīng)十分成熟, 具有巨大的應(yīng)用前景。美國(guó)Liquid Robotics公司研發(fā)的波浪滑翔器已在海洋科學(xué)、海洋工程甚至軍事領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[10-11]。國(guó)內(nèi)在波浪滑翔器技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的研究成果[12-13]。但在氣象海洋保障方面的應(yīng)用仍處于空白狀態(tài)。文章創(chuàng)新性地利用新型無人走航式平臺(tái)搭載多種傳感器作為觀測(cè)平臺(tái), 為海上發(fā)射任務(wù)獲取精細(xì)化氣象海洋保障提供了一種新的途徑。

1 方法與過程

海上發(fā)射氣象水文觀測(cè)涉及陸地、海洋等多個(gè)作業(yè)域, 包括海上設(shè)備布放、岸基部署、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理推送及設(shè)備回收等多項(xiàng)工作。

1.1 能力需求分析

此次任務(wù)位于遠(yuǎn)海海域, 發(fā)射過程中除隨船人工觀測(cè)外, 最近的浮標(biāo)站距離發(fā)射點(diǎn)也有幾十公里。海上發(fā)射保障任務(wù)除陸上常規(guī)要素需求外, 還加入了海況條件要求, 尤其對(duì)有效波高提出了明確限制。發(fā)射過程中預(yù)報(bào)員需制作短臨和中期預(yù)報(bào), 保障方需提供發(fā)射海域?qū)崟r(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù), 要求時(shí)間分辨率為1 h, 且需根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)提供加密數(shù)據(jù)。

針對(duì)此次任務(wù)特點(diǎn), 通過多方考察和綜合比較, 任務(wù)團(tuán)隊(duì)提出利用新型無人走航式平臺(tái)—波浪滑翔器搭載多種傳感器開展發(fā)射海域氣象海洋實(shí)況觀測(cè)的方案。波浪滑翔器是一型由水面母船和水下牽引機(jī)構(gòu)成的新型無人自主航行器, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 波浪滑翔器結(jié)構(gòu)

相較于其他觀測(cè)平臺(tái), 波浪滑翔器具有長(zhǎng)期連續(xù)性、機(jī)動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。首先, 設(shè)備不受搭載能源供給的限制, 可通過波浪能實(shí)現(xiàn)前向驅(qū)動(dòng), 通過太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信, 從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)有效在位觀測(cè); 其次, 自主導(dǎo)航功能使其具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性, 可實(shí)現(xiàn)不同陣列的變換, 以應(yīng)對(duì)不同任務(wù)需求或緊急突發(fā)事件[14-15];第三, 設(shè)備自身質(zhì)量較輕, 成本較低, 其便利性和經(jīng)濟(jì)性相較于浮標(biāo)等其他海上設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯[16]。

此外, 波浪滑翔器還具備極端海況下的可靠工作能力和綜合集成多類型科學(xué)傳感器的搭載能力, 適合在廣闊的外海大洋進(jìn)行布設(shè), 支撐區(qū)域性海氣界面陣列觀測(cè)[17-18]。因此, 對(duì)于海上發(fā)射氣象海洋要素觀測(cè), 通過波浪滑翔器搭載各類科學(xué)傳感器是一個(gè)較為理想的選擇。

1.2 海上觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海上觀測(cè)系統(tǒng)主要以波浪滑翔器為前端觀測(cè)主體, 采取定點(diǎn)運(yùn)行觀測(cè)模式, 通過岸基監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸處理推送系統(tǒng)等協(xié)同工作, 實(shí)現(xiàn)海上氣象海洋觀測(cè)自動(dòng)化運(yùn)行,其構(gòu)成如圖2所示。

1.2.1 波浪滑翔器平臺(tái)參數(shù)

在綜合考慮各方面能力要求后, 選擇了某中一型波浪滑翔器作為任務(wù)實(shí)施平臺(tái), 代號(hào)“海哨兵”, 表1為該設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。

選擇“海哨兵”是因?yàn)樵撔驮O(shè)備在前期已開展了大量應(yīng)用[19-20], 其測(cè)量的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和波浪等精細(xì)化觀測(cè)要素也曾分別與國(guó)際權(quán)威的中緯度黑潮延伸體大型浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)浮標(biāo)、Datawell公司的波浪騎士和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的AVHRR探路者衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析, 相關(guān)性均在90%以上[21]。

圖2 海上觀測(cè)系統(tǒng)

表1 中型波浪滑翔器主要指標(biāo)參數(shù)

1.2.2 氣象海洋要素傳感器搭載

傳感器的選擇主要與氣象海洋預(yù)報(bào)對(duì)海上觀測(cè)要素產(chǎn)品種類、時(shí)空分辨率等的具體需求相關(guān)。綜合多方考慮后, 選擇在波浪滑翔器上搭載氣象傳感器、水溫傳感器和波浪傳感器, 可測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度、浪高、浪向、浪周期和水面溫度等多種要素實(shí)況, 表2給出了搭載傳感器的主要性能指標(biāo)。

1.2.3 觀測(cè)模式設(shè)計(jì)

因海洋常規(guī)觀測(cè)資料分辨率較低, 考慮到數(shù)據(jù)有效性、平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性以及任務(wù)實(shí)施過程的安全性, 此次任務(wù)選用3臺(tái)波浪滑翔器(編號(hào)分別為WG_F1、WG_F3和WG_F5)進(jìn)行任務(wù)保障, 以實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備錨泊區(qū)域的氣象海洋信息。觀測(cè)選用定點(diǎn)運(yùn)行模式, 將3臺(tái)波浪滑翔器等間距定點(diǎn)布放在以發(fā)射點(diǎn)為圓心半徑為5 km的圓上。該觀測(cè)模式一方面符合發(fā)射總體對(duì)安全距離和布控范圍的要求, 另一方面可有效確保海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和一致性。波浪滑翔器的布放位置如圖3所示。

表2 波浪滑翔器搭載傳感器主要性能參數(shù)

圖3 海上觀測(cè)設(shè)備布放位置示意圖

1.2.4 岸基監(jiān)控中心架構(gòu)

波浪滑翔器通過衛(wèi)星通信將平臺(tái)狀態(tài)信息和傳感器感知信息回傳到岸基監(jiān)控中心, 通過監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)查看海上平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)和傳感器實(shí)時(shí)采集的原始數(shù)據(jù)。

岸基監(jiān)控軟件架構(gòu)如圖4所示, 軟件主要功能模塊包括導(dǎo)航任務(wù)規(guī)劃、海洋移動(dòng)平臺(tái)狀態(tài)監(jiān)控與配置管理、航跡跟蹤顯示、傳感器數(shù)據(jù)可視化、衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)管理與歷史數(shù)據(jù)備份等功能。

岸基監(jiān)控軟件主監(jiān)控界面如圖5所示, 包括軌跡顯示區(qū)、工具欄、地圖狀態(tài)欄和平臺(tái)查詢欄, 軌跡顯示區(qū)顯示有地圖、目標(biāo)點(diǎn)、平臺(tái)位置點(diǎn)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 岸基監(jiān)控軟件架構(gòu)

圖5 岸基監(jiān)控中心監(jiān)控主界面(非此次任務(wù))

1.2.5 衛(wèi)星通信及數(shù)據(jù)處理推送系統(tǒng)

衛(wèi)星通信可實(shí)現(xiàn)海上移動(dòng)平臺(tái)與地面岸站間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和自身信息的傳送。為滿足發(fā)射任務(wù)安全性要求, 設(shè)備平臺(tái)選用TM8650北斗模塊, 接收通道頻段為2 491.75±4.08 MHz, 發(fā)送通道頻段為1 615.68±4.08 MHz, 配合SIM卡及無源天線可實(shí)現(xiàn)北斗新一代短報(bào)文通信功能及定位功能。

北斗通信受短報(bào)文最大字節(jié)數(shù)和模塊通信間隔限制、全部觀測(cè)數(shù)據(jù)需分2組進(jìn)行回傳, 每組間隔5 min, 將回傳時(shí)間間隔設(shè)為10 min, 既保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性又滿足了保障任務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)分辨率的需求。更高采集頻率的觀測(cè)數(shù)據(jù)也被保存至設(shè)備的SD卡中, 方便設(shè)備回收后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取分析(每2 s進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采樣)。

為更好地服務(wù)氣象海洋預(yù)報(bào), 以預(yù)報(bào)所需實(shí)況數(shù)據(jù)及其衍生產(chǎn)品種類、時(shí)空分辨率等需求為基礎(chǔ), 研制開發(fā)了數(shù)據(jù)處理及推送系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理主要包括接收終端觀測(cè)數(shù)據(jù)編碼解算、質(zhì)量控制和發(fā)射中心點(diǎn)計(jì)算等, 并通過航速補(bǔ)償機(jī)制和經(jīng)驗(yàn)公式, 將實(shí)況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為氣象海洋預(yù)報(bào)常用變量。傳輸推送主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ? 可實(shí)時(shí)匯聚氣象海洋觀測(cè)要素, 準(zhǔn)確快速地在整點(diǎn)時(shí)刻將數(shù)據(jù)推送至保障方數(shù)據(jù)接收平臺(tái)(推送數(shù)據(jù)格式如表3所示), 供預(yù)報(bào)人員分析研判使用。

表3 數(shù)據(jù)推送內(nèi)容列表

系統(tǒng)采用了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。其中包括對(duì)于因海上突發(fā)情況而產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)采集和離群點(diǎn), 采用四維檢驗(yàn)法[22]對(duì)其進(jìn)行有效篩查和剔除

同時(shí), 由于采用3臺(tái)波浪滑翔器將同心圓和定點(diǎn)陣觀測(cè)模式相結(jié)合, 為獲取發(fā)射點(diǎn)處的氣象海洋要素值, 此次任務(wù)采用了線性插值的方法近似擬合, 在實(shí)際觀測(cè)中取得了較好的效果。具體算法如下

式中,=1,…, 3。

1.3 海上觀測(cè)部署與執(zhí)行

為提前獲取發(fā)射海域?qū)崨r信息, 綜合考慮氣象海洋要素特點(diǎn)和設(shè)備安全性后, 科學(xué)制定了設(shè)備布放和回收方案。此次布放選用了民用漁船, 船長(zhǎng)31 m, 甲板寬5.75 m, 航速9 kn, 馬力480kW, 噸位大于100 t, 且配備有船載定位設(shè)備(見圖6)。經(jīng)晝夜航行, 3臺(tái)波浪滑翔器順利到達(dá)指定海域, 在通過測(cè)試確保數(shù)據(jù)及其傳輸無異常后, 設(shè)備正式進(jìn)入工作狀態(tài)。

圖6 海上觀測(cè)設(shè)備

氣象海洋預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度直接關(guān)系到發(fā)射窗口選擇等關(guān)鍵問題。任務(wù)期間, 該海上觀測(cè)系統(tǒng)密切監(jiān)控發(fā)射海域氣象海洋要素, 將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行24 h不間斷推送。前期發(fā)射海域由于缺乏精細(xì)化實(shí)況資料, 在利用數(shù)值模式制作氣象海洋預(yù)報(bào)結(jié)論時(shí), 無法對(duì)歐洲中心模式預(yù)報(bào)的10 min風(fēng)速風(fēng)向、2 min溫濕度, GRAPES_WW3模式預(yù)報(bào)的有效波長(zhǎng)、波向等變量預(yù)報(bào)精度進(jìn)行測(cè)算, 無法對(duì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行訂正, 難以對(duì)制作生成的氣象海洋預(yù)報(bào)結(jié)論準(zhǔn)確率進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。波浪滑翔器進(jìn)入工作狀態(tài)后, 其實(shí)時(shí)資料填補(bǔ)了觀測(cè)數(shù)據(jù)空白, 一方面檢驗(yàn)了預(yù)報(bào)模式在發(fā)射海域的預(yù)報(bào)產(chǎn)品精度情況, 并利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理訂正; 另一方面通過對(duì)每日制作的氣象海洋預(yù)報(bào)結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn), 進(jìn)一步提高了發(fā)射海域氣象海洋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

此次海上發(fā)射, 任務(wù)窗口氣象海洋預(yù)報(bào)結(jié)論與發(fā)射當(dāng)日窗口實(shí)際天氣海況基本一致, 完全滿足發(fā)射條件, 任務(wù)也得以順利實(shí)施。

2 獲取數(shù)據(jù)分析

此次保障過程中, 整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定, 運(yùn)行順暢, 任務(wù)圓滿完成, 同時(shí)也驗(yàn)證了波浪滑翔器平臺(tái)作為海射區(qū)域氣象海洋實(shí)況觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作穩(wěn)定性和可靠性。任務(wù)期間, 3套“海哨兵”中型波浪滑翔器自身狀態(tài)穩(wěn)定, 累積航程338.3 km, 連續(xù)開機(jī)282 h, 實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)3696組, 其中危險(xiǎn)概況觀測(cè)數(shù)據(jù)98組(9月6日12時(shí)～7日14時(shí), 最大波高超過2.5 m), 成功規(guī)避危害海況1次。

2.1 波浪滑翔器平臺(tái)性能分析

儀器各參數(shù)顯示波浪滑翔器的總體性能良好, 可作為穩(wěn)定的海氣界面觀測(cè)平臺(tái)。3套設(shè)備在工作過程中姿態(tài)平穩(wěn), 俯仰和橫滾的均值及波動(dòng)均較小, 電壓呈現(xiàn)預(yù)期的周期性起伏, 穩(wěn)定可靠。在三角形陣列保障過程中, 1號(hào)設(shè)備(WG_F1)總航程152.7 km, 平均速度0.1941 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差324 m, 路徑精度CEP50為7 m, 路徑精度CEP80為610 m(見圖7(a)); 2號(hào)設(shè)備(WG-_F3)總航程76.6 km, 平均速度0.1404 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差220 m, 路徑精度CEP50為12 m, 路徑精度CEP80為248 m(見圖7(b)); 3號(hào)設(shè)備(WG-_F5)總航程109 km, 平均速度0.1919 m/s, 錨定軌跡平均路徑偏差285 m, 路徑精度CEP50為9 m, 路徑精度CEP80為268 m(見圖7(c)); 保障設(shè)備整體錨定效果較好。

圖7 波浪滑翔器設(shè)備錨定軌跡圖

2.2 傳感器數(shù)據(jù)采集對(duì)比情況分析

圖8給出了2020年9月6日～9日3套設(shè)備各測(cè)量要素的對(duì)比分析。任務(wù)前3套設(shè)備利用相同方法進(jìn)行了標(biāo)定, 任務(wù)期間搭載在波浪滑翔器上的傳感器狀態(tài)穩(wěn)定。圖8(a)是2 min平均風(fēng)速、最大風(fēng)速折線圖, 該時(shí)段內(nèi)不同設(shè)備測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致, 數(shù)值集中在2～15 m/s。圖8(b)是海面溫度變化情況, 觀測(cè)過程中, 水溫在17～28℃之間波動(dòng), 考慮到晝夜溫差以及天氣狀況等因素, 10℃的氣溫波動(dòng)處于合理范圍內(nèi)。對(duì)比水溫和氣溫(見圖8(d))來看, 兩者變化趨勢(shì)大體一致, 水溫較氣溫高, 9月為一年中的中溫階段, 由于大氣與海洋的比熱容不同, 水溫與氣溫的這種關(guān)系是合理的。3套設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致, 因經(jīng)緯度坐標(biāo)差異而略有不同, 觀測(cè)數(shù)據(jù)合理可信。

2.3 任務(wù)期間發(fā)射海域?qū)崨r分析

自2020年9月6日起, 布設(shè)在發(fā)射海域的波浪滑翔器就開始密切監(jiān)測(cè)氣象海洋各要素值的實(shí)時(shí)變化情況, 主要特征如圖9所示。發(fā)射區(qū)域氣溫總體在19～27℃之間(見圖9(a)), 有效波高為0.4～2.5 m (見圖9(b)); 9月6日～9月9日, 因臺(tái)風(fēng)“海神”經(jīng)過觀測(cè)區(qū)域, 晝夜溫差較大, 海上有效波高和風(fēng)速均達(dá)到了觀測(cè)期間的最大值; 隨著臺(tái)風(fēng)北上, 天氣狀況轉(zhuǎn)好, 各觀測(cè)要素均滿足發(fā)射條件要求。圖9(c)是發(fā)射區(qū)域平均風(fēng)速與最大風(fēng)速觀測(cè)實(shí)況, 風(fēng)速主要集中在2～15 m/s之間。圖9(d)為同一時(shí)段內(nèi)的風(fēng)向玫瑰圖, 任務(wù)期間以北風(fēng)為主。

3 結(jié)論與思考

在海上發(fā)射任務(wù)過程中, 氣象海洋保障是發(fā)射保障體系的重要一環(huán), 尤其是氣象海洋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率將直接影響發(fā)射窗口實(shí)施的指揮決策。通過采用無人觀測(cè)平臺(tái)對(duì)發(fā)射海域?qū)崨r進(jìn)行連續(xù)觀測(cè), 在一定程度上為氣象海洋預(yù)報(bào)有效訂正提供了切實(shí)的參考依據(jù)。

圖8 3套設(shè)備測(cè)量要素對(duì)比

圖9 任務(wù)期間觀測(cè)值

圍繞此次任務(wù), 提出以下幾點(diǎn)思考與建議。

1) 部分海域觀測(cè)空白亟待補(bǔ)充。我國(guó)雖已初步建成氣象海洋觀測(cè)系統(tǒng), 但在73個(gè)預(yù)報(bào)責(zé)任海區(qū)中, 大部分海域仍屬于觀測(cè)空白區(qū)[6]。任務(wù)過程中, 發(fā)射海域?qū)崟r(shí)觀測(cè)資料獲取難度較大, 僅依靠隨船觀測(cè)無法滿足數(shù)據(jù)對(duì)高時(shí)空分辨率的要求, 波浪滑翔器具備靈活機(jī)動(dòng)性和長(zhǎng)時(shí)序走航的觀測(cè)能力, 具有較好的穩(wěn)定性和可靠性, 是滿足海上實(shí)時(shí)觀測(cè)的一種有效手段, 其一方面填補(bǔ)了相關(guān)海域的觀測(cè)空白, 積累了豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù), 另一方面可通過實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確率加以驗(yàn)證和訂正。

2) 實(shí)施方案設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。此次發(fā)射海域雖布設(shè)了3臺(tái)波浪滑翔器, 但各設(shè)備運(yùn)行期間相互獨(dú)立, 獲取的數(shù)據(jù)通過相關(guān)算法用于擬合發(fā)射點(diǎn)處的各要素值。任務(wù)末期1臺(tái)設(shè)備被漁民打撈致其無法正常工作, 雖及時(shí)調(diào)整了數(shù)據(jù)算法以保障任務(wù)不受影響, 卻暴露了方案中缺少應(yīng)對(duì)突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的考慮。后續(xù)任務(wù)保障應(yīng)進(jìn)一步分析預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn), 采用多平臺(tái)組網(wǎng)及智能調(diào)整觀測(cè)模式等手段, 對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效規(guī)避, 同時(shí)可將觀測(cè)范圍由點(diǎn)擴(kuò)大到面, 實(shí)現(xiàn)更大范圍的海氣界面要素?cái)?shù)據(jù)獲取, 以滿足對(duì)多種任務(wù)類型的保障需求。

3) 探索建立高效的海上觀測(cè)作業(yè)實(shí)施保障機(jī)制。海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較陸地更多, 此次任務(wù)采用波浪滑翔器進(jìn)行海上觀測(cè)保障, 提前對(duì)設(shè)備進(jìn)行投放布設(shè), 通過科學(xué)合理搭載多種傳感器以滿足實(shí)際保障需求。但無人觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 常常受限于現(xiàn)實(shí)條件, 設(shè)計(jì)與實(shí)施效率較低, 尤其是設(shè)備布放回收等環(huán)節(jié)缺乏有效工作機(jī)制。后續(xù)應(yīng)從管理層面盡早探索建立相對(duì)完善的實(shí)施和保障機(jī)制, 合理配置各類資源, 以應(yīng)對(duì)運(yùn)載火箭海上發(fā)射常態(tài)化時(shí)代的到來。

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Design and Implementation of Meteorological and Marine Unmanned Observation System for Sea-based Launching Missions

NIU Xiang-hua1, 2, ZHU Wen-hui2, SUN Xiu-jun3, ZHANG Peng-fei2, YU Jiang-lin4, SANG Hong-qiang5, ZHOU Ying3, LI Can3

(1. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China; 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China; 3. MOE Key Laboratory of Physical Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. Taiyuan Satellite Launch Center, Taiyuan 030045, China; 5. School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

In mid-September 2020, China successfully completed a sea-based launching mission on the Yellow Sea. Considering the difficulty of obtaining high-resolution meteorological and marine data in real time on the open sea, this study describes a method using a new unmanned mobile platform equipped with various sensors to provide refined meteorological and marine observations in the launch area. The optimal technical scheme was designed and implemented to ensure a smooth mission through the analysis of actual needs. Wave gliders equipped with weather, water temperature, and wave sensors were selected as the observation platform, and the fixed-point operation observation mode and Beidou communication module were used. The corresponding data transmission and processing system was designed to meet the needs of real-time observations for meteorological and marine forecasting. The stability and reliability of using the wave glider as an observation platform in the process of providing refined meteorological and marine support services were verified. Finally, this paper puts forward some thoughts on the mode and operation mechanism of meteorological observation support and provides a reference for follow-up tasks.

wave glider; meteorological and marine observation; sea-based launch

牛向華, 朱文會(huì), 孫秀軍, 等. 面向海上發(fā)射任務(wù)的氣象海洋無人觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(2): 245-253.

TJ630.1; U666.16

A

2096-3920(2022)02-0245-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.016

2021-06-01;

2021-07-08.

牛向華(1978-), 女, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)闅庀蠛Ｑ笮畔⒐こ碳夹g(shù).

(責(zé)任編輯: 吳 攀)