人工增雨飞机北斗空地传输系统及电源设计

张久林++丁瑞津++陈祺++张丰伟

摘要 简要介绍了北斗定位通讯系统的组成与功能，分析了北斗定位通讯系统在人影作业中的应用，并对其机载用户机便携式电源设计进行了阐述，以期为人工增雨作业提供参考。

关键词 人工增雨；飞机；北斗空地传输系统；电源；设计

中图分类号 P481；TJ768.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）17-0268-03

BeiDou Ground-Air Communication and Command System and Power Supply Design of Artificial Precipitation Aircraft

ZHANG Jiu-lin DING Rui-jin CHEN Qi ZHANG Feng-wei

（Weather Modification Office in Gansu Province，Lanzhou Gansu 730020）

Abstract A brief introduction to the composition and function of BeiDou Ground-Air Communication and Command System.The application of BeiDou Ground-Air Communication and Command System in weather modification operation was analyzed.The design of portable power supply of airborne user terminator was discussed，in order to provide reference for artificial precipitation operation.

Key words artificial precipitation；aircraft；BeiDou Ground-Air Communication and Command System；power supply；design

云是空气垂直运动的结果，随着空气的上升，地面的水汽也被夹带着一起上升，在这个过程中，一部分水汽蒸发掉，一部分则升人云中，会冷却而凝结，成为云中水汽的一部分。高空的云是否形成降雨，不仅取决于云中水汽的含量，同时还决定于云中供水汽凝结的凝结核的多少。即使云中水汽含量特别大，若没有或仅有少量的凝结核，水汽是不会充分凝结的，也不能充分下降。即使有的小水滴能够下降，也终会因太少太小而在降落过程中蒸发。

高空的云有暖型云（云内温度在0 ℃以上）和冷型云（云内温度在0 ℃以下）。根据云的情况（性质、高度、厚度、浓度、范围等），分别向云体播撒致冷剂（如干冰等）、结晶剂（如碘化银等）、吸湿剂（食盐、尿素）和水雾等，以改变云滴的大小、分布和性质，干扰云中气流，加速其生长程，达到降水之目的。对冷型云的人工增雨，常常是播撒致冷剂和结晶剂，增加云中冰晶浓度，以弥补云中凝结核的不足，达到降雨的目的，对暖型云的人工增雨，则通常是向云中播撒吸湿剂和水雾，加强云中碰并，促使云滴增大。人工增雨最理想的天气是作业区上空有水汽含量较丰富的积状云，且云层较厚，云顶高度在6 100～12 200 m之间，地面有小于10 km/h的微风。

人工增雨的方法多种多样，有高炮、火箭、气球播撒催化剂法，有飞机播撒催化剂法，还有地面烧烟法。飞机人工增雨作业是在适宜的云层条件下，将催化粒子播入能使其核化、增长的云中，经过冷雨和暖雨过程成为地面降水。要想取得好的增雨效果，必须处理好作业区的确定、作业时机的选择、作业航线的设计等问题。

增雨飞机利用先进的空地信息传输系统进行空中和地面的通信指挥。有了这套系统，在人影指挥中心的电脑显示屏幕上就能够实时监控到飞机的飞行轨迹，工作人员通过雷达回波的显示，判断容易降雨的区域，通过语言传输系统直接指挥飞行员飞到哪里，大大提高了作业指挥能力及作业效果。但是机载北斗天线需要飞机提供电源，电源之间不能很好匹配。北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体，可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料。对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥，强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术，提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件[1-3]。

笔者通过反复实践，成功设计了北斗机载用户机便携式电源，本文旨在介绍增雨飞机北斗机载用户机便携式电源设计。

1 北斗定位通讯系统简介

1.1 北斗定位通讯系统组成

北斗定位系统是以我国的北斗卫星系统为基础，利用北斗的定位、通信和授时三大功能，整合移动通信和地理信息技术，实现增雨飞机的GPS定位、地空通讯和飞机实时监控等功能的飞机增雨作业指挥系统。系统由北斗用户机、北斗管理机组成。

该产品是一款功能强大的北斗一代地面应用指挥终端。具有全方向高灵敏度信号捕捉能力、稳定高效率的信号发射能力，实现对3颗北斗卫星6波束信号的实时跟踪处理。具有监视指挥调度等功能，能实时将定位及导航信息在数字地图上进行标绘与监控，支持历史信息查询、维护及导出等功能，可实现对下属100个用户的指挥调度和多级分组组网功能。主机支持宽范围电源供电，同时内置即充即用的高效大容量后备锂电池。设备安装方便，适合在移动或固定指控中心内使用，性能稳定可靠。图1为指挥型用户机的结构。指挥型用户机与便携计算机装载相应的系统软件及监控软件组成指挥监控中心系统。可以实时显示状态信息，实现中心与下属用户以及下属用户间的通信，完成指挥中心对下属用户的实时监控和指挥调度、信息管理功能。endprint

北斗机载式用户机主要由主机、天线、显示控制器（手柄）、电池组件四大部分组成。本用户机所有接口及接头都具有防插反设计，接反或误接都无法正常连接。图2为北斗机载式用户机组成。主机部分是整套用户机的心脏部分，是用户机基带信号及信息处理的中心。供电电压9～32 V，本用户机自带安全保护功能，设备断开电源后具有内部数据掉电保护功能，过流、过压、欠压或偶然极性接反时会自动保护设备。天线部分是用户机接收和发射信号的重要部件，同时还兼顾了接收和发射信号的放大的工作。参数与设置如下：发射等效全向辐射功率15 dBW；发射和接收波束宽度，水平方向为0～360°，垂直方向为10～75°，显示控制器（手柄）部分，其作为用户机的人机交互接口，是负责指令输入和信息输出的重要窗口；显示控制器屏幕的对比度以及背光显示参数可在菜单“8.显示功能设定中”进行设定；电池组件是用户机的备份电源，是当车辆电源失效时的备用电源[4-7]。

1.2 北斗定位通讯系统主要功能

1.2.1 初始化参数、状态设定和整机监测功能。开机自检和整机工作状况巡检，在显示器上给出整机工作状况指示。设有初始化参数（已知高程数据、天线高、坐标及坐标系选择等）默认值和输入提示，可方便更改。实时给出故障告警和功能状态提示（信号失锁、信号被抑制、需换电池、设备故障类型等）。

1.2.2 安全保护功能。过流、过压、欠压或偶然极性反接时自动保护设备。设备断开电源后，具有内部数据掉电保护功能。

1.2.3 数据接口功能（RS-232接口）。通过数据接口接收外设输入的定位和通信申请等有关信息。通过数据接口向外设输出接收和发射的有关数据信息。

1.2.4 其他功能。对响应波束的CRC和电源电量进行监测，如果CRC出错或电源供电不足，抑制信号入站，给出相应的提示。用户机设有时钟（年-月-日-时-分-秒），用系统出站信息进行校对。

1.3 北斗终端设备选型

北斗通讯系统在设计终端时，依据设备的功能将终端设计为机载用户机（双模）和管理用户机2种。终端用户机具备定位、通讯和授时功能，而管理型用户机则可以对隶属的所有的机载用户机终端进行通讯信息的监控。因此，设计飞机增雨通讯系统时，需要根据飞机端的容量进行科学的选型，既满足需求，又节约成本。

根据飞机增雨系统的特点，飞机端配置机载型用户机（双模）。可以满足汉字80个/min（字符160个/min）的通讯量，可以满足GPS定位数据、机载温湿度数据、飞机飞行状态、文字通讯等信息的需求。

每个地面端对应1架飞机，适合于分散指挥的模式。每个地面端可以和自己指挥的飞机之间实现点对点监控和通讯。管理型用户机可以同时对多架飞机和地面端进行消息群发，可以接收所有用户机的信息。同时，可以监控各个用户机之间的通信信息。为适应增雨作业飞机上震动大、温差大、电压不稳等相对条件恶劣的使用环境，系统采用加固的笔记本计算机作为系统机载计算机配置。

2 北斗定位通讯系统在人影作业中的应用

2.1 北斗系统应用情况

目前，甘肃省人工影响天气办公室的人工作业飞机为1架运-7型飞机，起降机场设在兰州中川飞机增雨基地，指挥部设在甘肃省人影业务中心。考虑到现中国北斗1号系统现已逐步在无人气象站、人工增雪推广等气象领域得到应用，其优点是覆盖范围广、容量大、抗干扰强、安装维护简单、兼容性强。应用在作业飞机上，使飞机作业时地面空中的相互联系更为简便、快捷，极大地提高了飞机作业时通讯的现代化水平。因此，决定采用基于北斗卫星的通信系统。系统采用中国北斗卫星进行1处地面和架空中作业飞机的通信（不受距离限制）。在作业飞机上安装工控机1台、北斗1号用户机1台、GPS接收机1台、空对地通信软件1套。空中飞机可以通过工控机实时采集GPS信息及温湿仪的数据存储，可以按需定时把空中采集到的数据通过北斗1号用户机发送到地面指挥中心，以方便地面指挥中心监控飞机作业时的路线；地面指挥中心安装北斗指挥机和中心服务软件通过加载雷达原始扫描数据和MICAPS云图和机上传送回的飞机位置及温湿信息进行分析，通过短信方式向空中的作业飞机发送指令，指挥其作业。地面服务软件可同时带有多个客户端，客户端可以实时监控飞机轨迹和回放以前的轨迹功能。空中和地面可以通过短信方式进行文字通信。

2.2 系统实现的主要功能

2.2.1 实时作业轨迹显示。主要应用在增雪作业飞机，实现飞机的实时轨迹显示和实时通信指挥，主要利用北斗的通信功能，利用GPS进行实时定位，由北斗系统回传信息，在电子地图上显示飞机、车辆的实时轨迹并进行实时的短信互通，实现大规模、大范围增雪作业飞机的实时调度指挥。

2.2.2 雷达原始数据体扫叠加。通过调用雷达的原始数据，进行解算，并显示出PPI、CAPPI、RHI。其中，PPI、CAPPI要求显示其3个要素包括强度、速度、谱宽及3个要素在14个不同的仰角的具体信息；用不同的颜色在相应的位置标识出。当显示出PPI或CAPPI中的1个要素信息后，同时可以查看RHI的信息。根据雷达的回波信息可以指挥飞机避开较强的回波，以保证飞行机的安全。

2.2.3 航线设计。根据天气情况、各地区缺水情况，预报人员可以设计增雪飞机，即将飞行的航线形成文档，存档和上报航空管理部门。设计航线时，可以根据情况修改航线，同时上传给空中端，空中端收到地面传送的航线时，自动显示在空中端的电脑上，监控作业中的飞机在空中飞行时是否按照设计的航线飞行。飞行作业完毕时，自动生成1次作业记录。可以通过“历史回放”功能回放某一作业记录的数据（包括轨迹、温湿等），按作业时间为文件名进行存储，以方便查找。

3 北斗机载用户机便携式电源设计

3.1 电池组

选用便携式蓄电池，同时可估算电池的容量，诊断电池的健康状况。能对测试结果进行存储、查询等操作。还可以与PC机进行通讯，利用功能强大的后台分析软件对数据进行操作分析处理，为电池维护人员的后期维护提供依据。

3.2 充电电路

设计便携式充电器和便携式电源，进行整体集成。便携式蓄电池检测仪可对蓄电池进行在线测量，无需放电，安全性高，接线简单，操作方便。解决了电池维护人员电池维护难度大和风险高的问题。充电电路采用桥式整流和滤波电路（图3）。

3.3 基本功能

可测量单体电池的电压、内阻，连接条电阻、容量。通过故障报警及时发现电池运行故障。当所检测的内阻和电压超出设置的上限或低于下限时，仪器进行声音和文字报警提示。功耗低，充电电池供电，屏幕显示供电电池电量，可连续工作6 h。

4 结语

北斗地空通信指挥系统集作业航线设计、GPS跟踪定位、电子记录、数据传输及短信通讯等功能为一体，可以叠加天气、卫星和新一代多普勒等资料，笔者在此对该系统的功能、工作原理以及系统的应用、升级和存在的问题进行了详细分析。该系统实现了同时对多架作业飞机的实时监控和跟踪指挥，强化了飞机人工增雨作业的分析和指挥技术，提高了工作效率和作业效益。设计优良的机载用户机便携式电源是保障地空通信的基础条件。

5 参考文献

[1] 张云平.河南省飞机人工影响天气空地数据传输系统的建设及应用[J].气象与环境科学，2012（4）：73-76.

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