河北省气象应急移动观测平台的设计与探讨

金龙 蒋涛 刘宇 沙瑜 付佳智 幺伦韬 武春爱*

1.河北省气象技术装备中心 河北石家庄 050051；2.西安华腾微波有限责任公司 陕西西安 710119

随着气候变化对全球影响的日趋明显，极端天气、气候事件的发生越来越被关注，气象灾害影响人民的生命和财产安全，气象防灾减灾形势不容乐观。

为提高河北省气象部门积极应对自然灾害性天气突发事件的处置能力，有效开展自然性突发事件的气象要素监测活动，河北省气象部门建立了气象应急移动观测平台(以下简称：观测平台)。观测平台是依托卫星通信技术、视频会议技术、卫星数据广播技术、短波通信技术等建立的，观测平台涵盖了X波段双偏振天气雷达、激光风雷达、激光气溶胶雷达、微波辐射计、车载气象观测站、大气电场仪等先进观测设备，可以实现降水、风、温度、湿度、气溶胶等要素的观测。有助于现场应急工作团队各项监测、预报、分析、服务等工作的开展。2021年河北省庆祝建党100周年之际和2022年北京冬奥会张家口赛区火炬传递时，观测平台在现场发挥了重要作用，取得了良好的社会效益。

1 气象应急移动观测平台的设计

气象应急移动观测平台的主体是气象应急移动观测车，国Ⅵ排放标准。内部空间根据功能划分为驾驶区、操作区、多普勒雷达升降区、油机和附件设备区，布设了气象观测设备、卫星通信设备、定位导航设备、监控照明设备和柴油发电机等。

图1 河北省象应急移动观测平台侧视图(右侧)

图2 河北省象应急移动观测平台侧视图(左侧)

1.1 车体改装

载车选用德国MAN TGM 18.290/4×2二类底盘，箱体采用(长7500×宽2450×高3220(mm))一体式大板拼接而成，车辆底盘四周做裙箱，内放载车工具、附件、支撑腿、接口窗、线缆盘、垫木、土木工具等。经载车改造加装箱体后，整车外形尺寸：长10412mm×宽2500mm×高3850mm。重量设计值为：16t。

1.2 观测设备

观测设备包含激光风雷达、X波段双偏振天气雷达、激光气溶胶雷达、微波辐射计、大气电场仪和车载气象观测站，分布在载车平台前部、中后部、尾部。

表1 河北省象应急移动观测平台观测设备清单

1.3 通信方式

通信方式采取卫星通信和4G/5G路由相结合。气象应急移动观测平台能够汇聚省局信息中心数据、应急移动观测平台观测系统数据和外接的本地便携式气象观测站数据，同时融合混切矩阵平台中的音视频信息，通过亚洲Ⅴ号卫星或者4G/5G气象内网回传给气象局。

图3 河北省气象应急移动观测平台网络拓扑结构

1.4 其他附属设备

云台照明摄像一体机：载车平台前部方舱左前侧(车辆行车方向)设置1套4m手动升降杆，升降杆的顶部设置1套云台照明摄像一体机，能够实现应急照明和车外实景监控。

车顶空调：车顶平台上安装通风风扇和车顶空调，以保证超低温/高温环境下操作区内工控机、矩阵平台和UPS等设备及技术人员的工作环境温度可控。

电动支撑腿：在车大梁两侧安装4个电动支撑腿(4腿承重18T)，电动支撑腿通过安装支架固定在汽车大梁的相应位置，使用时支撑腿向下伸出触地，将车身顶起，从而保持驻车时的平稳性，可使用手摇装置进行手动升降。

雷达升降平台：升降平台采用升降导轨与驱动装置分开设计。导轨的主要作用是防止载重平台水平窜动，保证升降精度。驱动装置由双输出轴电机、电动推杆、动滑轮、提升链等组成。平台底部驱动电机通过双输出轴，将动力传递给两侧电动推杆，通过推杆顶部的动滑轮与提升链的配合，可将载重平台从方舱底部(四端限位柱上)升至方舱顶部。载重平台采用多层钣金件焊接而成，既保证强度，又减轻重量。

1.5 燃油供电系统

燃油供电系统是气象应急移动观测平台的动力核心，气象应急移动观测平台的燃油供电系统设计有多种供电方式，可通过市电、车载发电机、UPS不间断电源之间的切换，确保车载系统和设备在任何情况下都能正常使用。车体中部裙边箱内设置有独立配电面板可进行供电方式切换。燃油容量设计方面首先需考虑气象应急行车里程，其次要考虑发电机燃油供电。发电机容量的选取需满足平台满载设备功耗。

表2 河北省气象应急移动观测平台观测设备功耗和重量

由于上述设备中X波段天气雷达与雷达升降平台不能同时工作，综合上表总功率可确定发电机容量需不小于12.5kW，本平台选取16kW的熊猫静音车载式柴油发电机组，工作小时油耗为3.5L。其中，车载UPS系统作为一种安装装置也是必不可少的。其作用一是应急使用，防止突然断电而给用电设备造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压等“电源污染”改善电源质量。其容量确定方法为：UPS额定容量=总功率(kW)×工作时长(h)÷UPS供电效率。本平台按UPS最大供电时间20分钟供电效率85%计算，选取UPS额定容量6kW。

油箱容量的设计在考虑野外无市电供电时长的同时还需保证行车里程。原车油箱300L，发电机油箱150L，发电机外接油箱300L。满载后车辆油耗不超过30L/100km。在保证行车里程不小1000km的同时，还能够保证平台满载运行约128小时(450L÷3.5L/h=128.57h)。

2 设计中遇到的问题及解决方式

2.1 行驶安全性校核

根据各设备的重量合理设计布局不仅是为了美观，更重要的是保证行车安全。需要根据平台上所有设备分布和设备质量确定平台重心、轴核校核、行驶横向稳定性校核、行驶纵向稳定性校核等要素以满足行车安全要求。

重心确定方法：以底盘前轴两轮与水平地面接触点连线的中点为坐标原点，以车头往后为X坐标正向，以车宽往右为Y坐标正向，以车高为Z坐标正向，根据平台上布设的全部设备位置和重量分布确定平台重心。

前桥轴载和后桥轴载需结合平台重心根据下式计算得出。

前桥轴载=平台重量×(轴距-纵向重心位置)/轴距

(1)

后桥轴载=平台重量-N1

(2)

行驶横向稳定性应满足下式要求：B/2H≥Ф

(3)

行驶纵向稳定性应满足下式要求：L/H≥Ф

(4)

式中：B——轮距；H——高度重心位置；L——重心距后轴水平距离；Ф——附着系数，取0.5～0.6。

因平台内设备众多，不一一列出，经整合计算后可得到平台行驶安全性校核信息如下表，均满足行车安全要求。

表3 河北省气象应急移动观测平台行驶安全性校核信息

2.2 电磁干扰

当有X频段气象雷达信号从接收方向射入后，9.3～9.7Ghz的雷达信号和Ku频段(12.25～12.75GHz)卫星通信下行信号经天线接收后共同进入天线双工器(OMT)。此时，接收射频信号为Ku频段卫星信号和X频段雷达信号的混合信号。但是雷达信号电平远大于接收到的卫星信号，为接收卫星信号设计的LNB前级放大器会被X频段雷达信号推至饱和状态，导致卫星信号也无法被正常放大接收。但X频段气象雷达对卫星通信系统的干扰属于异频干扰，可通过增加选频滤波装置的方式改进。

增加干扰抑制设备的卫星天线接收信号的流程如下图所示：

图4 增加干扰抑制设备后卫星天线接收信号流程

主要改进措施是在卫星通信天线阻发滤波器之后，安装一个定制的、截止频率12GHz的高通滤波器，接收到的卫星信号频率高于截止点可正常通过，雷达信号频率低于截止点，会被大量阻隔衰减，对LNB前级放大器的干扰就可以有效降低，增强卫星通信系统抗X频段气象雷达干扰的能力。

3 使用中遇到的问题

3.1 外表螺丝孔锈蚀

在平台交付使用后，经历了几次降水后发现车体上多处出现锈蚀痕迹，与设备安装和车体油漆喷涂顺序有关。由于部分设备在车体喷涂后进行的安装调试，导致漆面受损雨后锈渍顺着车体留下，影响整体美观。解决方式：在全部车载设备挂接完毕后，重新整体喷涂一遍车身即可避免此问题的出现。

3.2 舱门合页变形

随着使用频率的增加，各个舱门的合页会出现不同程度的磨损，加之不同功能区域舱门类型的不同导致重量不同，使用频率较高的部分实心门已出现合页变形导致舱门下坠无法关闭的现象。解决方式：(1)选取质量较好的合页。(2)变更舱门开合方式。质量体积较小的舱门建议选取侧开或对开方式，质量体积较大的舱门建议选取上翻或者下拉方式，以减轻合页承重量。

3.3 低温下设备无法启动

在张家口地区，冬季夜间最低温度能低于零下20℃，多数设备最低工作温度介于零下20℃至零下15℃之间，导致车辆在张家口地区冬季停放数日后部分车载设备无法正常启动。雷达升降平台润滑油脂凝固，严重影响工作性能。解决方式：(1)设备选型时需充分考虑工作场景和所在地的环境温度变化范围。(2)车辆舱体内需安装冷暖空调，以保证在极高/低温环境下技术人员和设备的适宜工作环境温度。

3.4 电瓶亏电

车辆长时间停放后原车电瓶亏电造成车辆无法正常点火启动，经过分析为车辆改装过程中加装了支撑系统、照明系统等设备，容易造成车辆驻车熄火后，上述设备继续耗电的情况。解决方式：(1)电路系统设计过程中切忌改动原车电器线路，车辆长时间停放时需切断原车电源。(2)车辆长时间停放时，需定期启动给电瓶充电，保持电瓶活性。(3)设备电路系统需根据功能划分设计为独立回路，加装断路器保护开关，供电回路需进行漏电保护、过电保护、防浪涌保护等。

4 应急保障工作的对策与建议

4.1 需建立一支专业保障队伍

气象应急保障工作要求应急车上的技术人员和设备要能快速地进入工作状态。这就要求建立完善的应急工作流程及预案。经常开展应急演练，使保障人员对设备操作熟练。同时一次完整的应急工作的开展离不开各单位和部门的通力协作，以保证应急服务工作的有序开展。比如省气象探测中心负责车载平台系统稳定运行，气象信息中心协助通信连接(卫星、无线、微波)，气象台协助现场预报决策，气象局办公室负责信息宣传等。通过合作将应急观测平台的优质气象服务综合效益融入各个领域，充分发挥应急保障作用。

4.2 车辆及车载设备需定期使用维护

纵观整个气象应急观测系统的生命周期，其使用频率总体较低，出车使用频率甚至不能达到每个月1次。这就要求定期(每个月)进行车辆和车载设备的定期保养维护，一方面要保持设备性能，另一方面要加强操作人员的操作维护能力。比如激光类设备若长时间不开启，设备内部受潮容易影响激光器性能和寿命；车辆长时间停放容易导致电瓶性能下降车辆无法打火启动，通信系统长时间不使用需确认通信卡无欠费现象，卫星端口申请链路畅通等。同时还需根据季节和前往目的地的不同，来对车辆及其相关附属设施进行保养。比如更换低温玻璃水、高标号汽车柴油、低温齿轮油、低温润滑脂等，避免车辆到达应急保障任务现场后因环境温度剧烈变化无法正常工作的现象发生。

4.3 安全接地

接地是一种用电安全措施，通过金属导线与接地装置连接来实现，接地装置通常为金属导体，能够砸入地下或者接入其他已接地的装置上。在载车平台停稳后设备开启前，应该首先寻找合适地点进行观测平台的安全接地，以保证应急观测平台设备正常工作和人身安全而采取的安全保护措施。尤其在雷暴天气环境下开展应急观测保障工作过程时，必须先进行安全接地。为了能够更充分有效地发挥接地效果，也可在砸入地下的接地装置周围倾倒水/盐水以增加电导率和接触面积。

4.4 合理设计

气象应急移动观测平台的设计初衷应突出应急和移动观测，观测设备的选取要有重点，切忌观测设备追求数量多、车体大，这样会使平台设计成本和平台维护保养成本增加，还会出现车辆通过性降低、驾驶员技术要求提高、车辆审核手续复杂等一系列问题。建议把小型化、轻型化、可移动性强作为气象应急移动平台的发展方向。

结语

河北省气象应急移动观测平台自2021年交付使用以来，在2021年河北省庆祝建党100周年之际和2022年北京冬奥会张家口赛区火炬传递时，发挥了重要作用，提供了优质的现场气象保障服务。实践证明气象应急移动观测平台能够在时间和空间尺度上发挥出应有的作用，能够提高气象应急保障服务能力。虽然取得了良好的社会效益，但在服务过程中也暴露出了设计中的缺陷和问题，通过对河北省气象应急移动观测平台的设计和应用进行探讨，对今后其他应急保障平台的设计和应急保障体系工作的开展均有借鉴意义。