基于卫星架构的飞机增雨远程作业平台的建立

陈昌，何松蔚，钟建洪，游积平，李铸杰，赵博，林俊君

（1.广东省人工影响天气中心，广东 广州 5 1 0 6 4 0；2.韶关市气象局，广东 韶关 512028）

人工影响天气是一项复杂的系统工程，涉及气象、农业、水利、航空、军工、火工、空中管制、通讯等多学科、多部门、多行业，需要周密计划和科学组织［1］。飞机人工增雨具有覆盖面广、见效快、机动灵活等特点，是目前我国开展较为普遍的抗旱减灾措施之一［2］，并在人工影响天气工作中得到了广泛应用。目前飞机增雨的空地数据传输主要有卫星和电台两种方式［3-8］，其中电台传输受空地距离和障碍物的影响［9］，传输距离受限，需要在地面建立多个中继电台。目前我国飞机增雨的卫星传输方式分为海事卫星和北斗通信［10］，海事卫星通信方式需要对飞机进行改装，安装和后续费用高，对于租用通航公司飞机开展增雨作业的省份不易做到，而北斗卫星局限于短消息传输，一分钟只能传输几十个字节，不能满足实时传输DMT探测数据的需要。2016年8月6日，中国第一颗移动通信卫星成功发射升空，被誉为“中国版的海事卫星”［11］。中国电信通过天通卫星和北斗卫星联合导航通信技术，北斗卫星负责飞机定位，天通卫星负责空地通讯，包括数据传输和卫星通话等功能［12］，于2020年1月正式面向社会各界提供天通卫星通信服务［13］。通过天通卫星通信功能，将增雨飞机的航迹、常规气象信息和DMT探测信息实时传输到人影指挥中心。地面上的人影业务人员可以结合雷达实时探测数据进行综合研判，利用天通卫星的通讯链路指挥增雨飞机上的工作人员作业或直接远程遥控操作催化设备，对于降低飞机进云后引起剧烈颠簸造成飞机上人员的不适、减少上机作业人数、降低机上业务人员的工作压力具有一定意义。

1 平台架构及信息流程

1.1 平台架构

机载卫星通信终端是基于天通卫星、公网通信的应用而研发，以飞机舱内的通信盒+舱外通信天线为基础，集成北斗定位+GPS、蓝牙、WIFI等模块，实现天通卫星语音通信、文字交流、信息传输等功能。目前中国电信的天通卫星对外业务主要分为窄带（9.6 kbs）和宽带（384 kbs）2种规格。窄带的天线与原北斗天线直径大小、外形相同，均为半球形，升级原来北斗天线即可，缺点是传输数据的带宽偏小，不能传输大文件；宽带的天线比较大，传输数据量较大，但需要专门对飞机进行改造，对于租用飞机开展增雨作业的省份来说难于实现。考虑广东省目前的现实情况，采用简单、易行的且带有试验性质的窄带卫星通讯传输方式比较合适。同时，为了不影响卫星信关站、广东省气象局两地的网络安全和数据传输安全，以公有云服务器作为数据传输中继，设定一个固定IP地址和端口用于信关站和广东省气象局两地服务器的各自登录与互送数据，基于卫星通信及遥控催化作业网络拓扑示意图见图1。在增雨飞机里构建一个由天通卫星终端、笔记本电脑、手机以及DMT数据采集服务器组成的局域网。发控器和DMT探头分别与笔记本电脑和数据采集服务器连接，手机、笔记本电脑等设备通过卫星终端的Wifi与地面的信关站相连，从而打通了空-地之间的通信链路。基于卫星通信及遥控催化作业网络拓扑图见图1。

图1 基于卫星通信及遥控催化作业网络拓扑图

广东省气象局内网有一台数据服务器专门负责登录公网云服务器，等待增雨飞机信息的下传和地面作业指令的上传，Web服务器用于给局域网的其它电脑操作使用。

1.2 信息流程

利用机载探测设备实时获取增雨飞机飞行的航迹、温、压、湿常规气象数据和DMT探测云微物理特征数据并传输到省人影指挥中心的数据服务器，让地面业务值班人员及时了解作业云系的含水量、云滴谱、雨滴谱和冰晶等微物理结构特征情况，并结合地面雷达探测数据，根据作业云的宏、微变化决定是否催化作业。一方面可以通过平台的文字通信，向增雨飞机上作业人员发出催化或不催化的指令；另一方面，也可以直接对增雨飞机上的烟条发控器进行远程遥控操作或授权某一个地面的用户对熖筒进行检测、催化作业等。基于天通卫星架构的飞机增雨远程催化作业平台的信息流程示意图见图2。

图2 飞机增雨远程催化作业平台的信息流程示意图

2 设计思路

远程遥控催化作业平台的开发全部采用C＃编程语言，是基于Microsoft.NET平台的应用程序。利用微服务进行开发，把整个系统平台拆分成多个独立的模块，各模块间通过松耦合的形式交互。平台分为飞机端、数据中转监控、进库以及Web显示等3部分建设，其中飞机上平台和数据中转监控、进库平台采用C／S架构，具有集数据采集、催化、空-地通信、数据传输衔接以及进库等功能，远程作业飞机端平台界面见图3。

图3 远程作业平台飞机端平台界面

平台上半部份是催化功能，主要操控机载熖条发控器，对挂在机仓外边上的冷、暖熖条进行检测和点火催化。平台右上角为功能按钮，既可以让机载人员操作，也可以授权指定地面某个用户操作。地面人员通过全省雷达结合作业飞机实时航迹、DMT探测数据等进行综合研判，向机上人员发出作业指令，指导催化作业。机上人员可以授权地面用户在其监控下直接远程遥控操作催化设备。催化平台的下半部分为显示登录用户、DMT数据发送、系统日志以及空-地文字通信等窗口，其中登录用户窗口可以显示地面登录上来的用户名称。DMT数据发送窗口显示飞机向地面发送的探测数据，从左至右分为取样时间、经度、纬度、高度、航向、航速、温度、气压、湿度、液态水含量、云凝结核数浓度、气溶胶浓度、液态水滴数浓度以及冰晶数浓度等。系统日志窗口负责记录空-地之间的所有操作，以便平台查错。空-地通信窗口显示增雨飞机与地面所有用户文字记录。

数据中转监控、进库平台是一个很重要的中间传输环节，涉及增雨飞机与地面之间的安全通信联络和数据传送作用。在公共云服务器中运行一个程序，负责监控某个端口，对登陆的用户信息进行鉴别以及核对数据格式。为了安全，该程序不主动连接其它服务器，当增雨飞机发出连接信号时，天通卫星信关站向公有云服务器的这个端口以一定的格式发出连接请求，得到允许后与公有云服务器连接。同理，广东省气象局内网的数据服务器也是如此连接，负责飞机的探测数据、实时航迹以及空地文字通信等进库。

Web显示平台通过调用数据服务器的数据，地面业务人员使用浏览器即可实时看到飞机的航迹、作业云的云滴、雨滴、冰晶以及CCN等微物理探测数据图表，见图4。

图4 飞机增雨远程遥控作业平台

图4中作业平台界面的上半部为遥控催化作业功能和系统日志，业务人员可以通过点击右上角的按扭，对增雨飞机的熖条进行检测和催化。左上方显示作业熖条的状态，包括通过检测、未通过检测、熖条燃烧进度等，用不同的颜色表示。系统日志显示每一步操作步骤后系统的回复，用于对系统故障的排查。右下方为登录用户、地空通信显示和文字发送。平台左下方功能分布显示常规实时气象数据、随时间变化的雷达航迹剖面和常规气象数据动态图，其中常规气象数据实时显示图包括增雨飞机实时航向、航速以及温度、气压、湿度等常规气象数据实时显示。雷达与航迹剖面图显示航迹与地面雷达剖面叠加随时间的变化，图中可以清楚知道增雨飞机所处高度位置的上下方雷达回波变化情况。常规气象数据动态图显示温度、湿度和气压随时间的变化。由于平台界面布局限制，在平台界面中增加了2个功能按钮：一个是实时航迹与雷达叠加的平面图；另一个是4分屏显示按钮，以不同的组合展示增雨飞机探测数据，考虑显示数据比较多，分为4个小图展示，分别为温度与气压、湿度与液态含水量、气溶胶浓度与云凝结核以及二维降水粒子浓度与二维冰晶浓度等随时间变化曲线图，显示分布见图5。

图5 飞机增雨不同物理量的组合展示图

3 业务测试

2022年2月28日，在梅州机场开展基于天通卫星架构的飞机增雨远程催化作业平台的功能性测试。增雨飞机于早上09：03（北京时，下同）起飞，10：30降落，总共飞行约87 min。其中1人在飞机上监控和操作，地面2人通过VPN调用远程催化作业平台。该次测试飞行一共携带12根熖条，左右烟筒随机各放6根冷、暖云熖条。飞行测试高度约3 200 m，航速300 km／h。飞机一直向西飞行，最远飞离梅州机场约113 km到达河源市和平县上空后，沿原来飞行路线返回，测试航迹见图6。

图6 基于天通卫星空地通信及遥控测试航迹

试验测试结果显示卫星的空-地通信正常，用手机通过天通卫星APP打电话正常，遥控催化作业除了有1根暖云熖条由于接触不良没点燃外，其余均遥控催化成功。

基于卫星架构的飞机增雨远程催化作业平台的建立，利用中国天通卫星的通信技术，结合增雨飞机的作业航迹、DMT探测数据以及地面雷达，实现对增雨飞机在作业云中的动态实时监控，通过分析云中的微物理特征变化和宏观变化，指导机上人员开展作业或通过该平台直接进行操作，减轻了机上作业人员的工作压力，对指挥广东省开展飞机增雨业务工作发挥了重要作用。