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1、气象行业标准多旋翼无人机机载气象探测系统技术要求编制说明一、工作简况（包括任务来源、协作单位、主要工作过程、主要起草人及其所做的工作等）1.任务来源本标准由中国气象局提出，由全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会（SAC/TC507）归口。项目于2019年批准立项，列入2019年第二批气象行业标准制修订项目计划（气法函201925号），项目编号QX/T-2019-54，计划项目名称多旋翼无人机机载气象探测系统技术要求。2.协作单位本标准由天津市气象探测中心、中国气象局综合观测司、陕西省大气探测技术保障中心、江苏省气象科学研究所和北京华云尚通科技有限公司共同起草。3.标准主要起草人及其所做的工作
2、本标准主要起草人为：史静、李文博、姜明、王天天、张世昌、李成伟、毛峰、吴泓、李永、刘人彤，分工如下。史静：负责标准的总体设计，提出标准的主要技术框架和内容，负责编制过程中主要试验设计、协调及标准编制进度管理。李文博：负责主要内容的起草、制定和修订。姜明：负责收集相关引证、参考资料，对标准的主要内容进行细化、补充、修改和审订，参与相关试验研究。王天天：负责标准的总体把关，对标准的主要内容进行指导。张世昌、李成伟、毛峰、吴泓、李永：负责对标准主要内容提出补充和修改意见，负责对标准文本内容和格式进行审核，协助完成相关引证收集和试验测试。刘人彤：负责对标准部分内容进行细化，协助完成设备性能测试试验。4
3、.主要工作过程 （1）2019年4月22日，由中国气象局立项，下达气象行业标准多旋翼无人机机载气象探测系统技术要求的编写任务。（2）2019年5月，天津市气象探测中心组织成立了标准起草工作组，制定了编写方案，明确了编写人员分工、时间进度、编写原则和内容等，提出标准的主要内容和结构。（3）2019年6月-8月，标准起草工作组主要成员对标准草案进行了补充和细化，形成了标准草稿的第1稿。此前，已经有相关工作经验，利用无人机搭载常规气象基本要素传感器开展了相关方法测试，并重点对传感器搭载位置、传感器精度、续航时间、无人机抗风强度等开展相关试验。（4）2019年9月，标准起草工作组成员开展了相关文献调研
4、工作，对标准文本进行了讨论，并提出修改建议，目前正在编制第2稿。同时针对标准中相关内容，正在着力组织开展相关内外场试验，对其进行引证分析工作。二、标准编制原则和确定标准主要内容的论据1.编制原则本标准的编制，主要遵循的原则是：科学性、可操作性和适应性。（1）科学性：本标准充分参考了国内外有关多旋翼无人机机载常规气象要素探测技术的方法文献，世界气象组织/全球大气成分观测技术指南的有关要求，根据中华人民共和国气象法，参考高空气象观测业务技术规范（2010），综合考虑了无人机机载探测技术的研究、目前相关科学技术的发展水平、我国现有的观测方法和实践经验，并开展了相关的测试和试验工作。（2）可操作性：本
5、标准以探测试验为基础，期望结合相关观测、运行、维护等经验，兼顾部门内、外进行相关观测的有关要求，广泛征求管理、科研、业务人员及仪器研发和生产厂家的意见，开展相关调研工作，利用无人机平台设备，对搭载的常规气象要素传感器等有关内容进行了测试，在内容上充分考虑标准的适用性和可操作性，并尽可能给出定量化的指标，以便于操作。（3）适应性：本标准制订过程充分考虑了旋翼无人机飞行性能、搭载能力，同时充分考虑气象探测的核心需求和观测质量，利用大量实验数据印证标准指标，标准设置的指标不存在限制性条款，对无人机气象探测领域发展具有较好促进作用。2.主要内容（1）关于标准结构和内容本标准除前言和引言外，全文共分5部
6、分，主要包括标准适用范围、规范性引用文件、术语和定义、系统组成及功能和技术要求。（2）主要依据本标准的编制，主要依据了GJB1389A-2005 系统电磁兼容性要求系统内电磁兼容性、QX/T 362005 GTS1数字式探空仪、QX/T 2342014 气象数据归档格式 探空等标准。无人机机舱引起的互调干扰、机舱内部电磁环境、电源线瞬变和二次电子倍增效应，应符合GJB 1389A-2005 系统电磁兼容性要求中系统内电磁兼容性的要求。环境适应性中的相对湿度：90%（35），依据QX/T 36-2005 GTS1数字式探空仪中相对湿度的环境适应性要求。文件名、文件结构和文件内容，依据QX/T 2
7、34-2014 气象数据归档格式 探空中数据格式的要求，误差的依据为常规高空气象观测业务规范。三、主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果1.主要试验与分析（1）传感器安装高度试验为了减小旋翼对传感器探测数据的影响，同时兼顾无人机飞行的稳定性，以确定传感器安装的最佳高度为目的开展试验。将传感器固定在试验用六旋翼无人机中心位置，分别距离旋翼20 cm、40 cm、60 cm处进行试验，无人机悬停高度250 m，悬停时间10 min。试验地点为天津市城市气候监测站（54517），将观测数据与城市气候监测站梯度塔对应高度观测结果进行比较分析。（原计划将传感器搭载于0-100
8、cm高度处，但由于距离机体较远时无人机重心不稳，可能导致不可控事故发生，因此未选择60 cm以上高度进行试验。）温度变化图见图1。可见无人机观测结果均高于梯度塔静态观测结果，但从无人机搭载不同高度传感器来看，温度观测曲线存在明显的脉动特征，这与采样周期较高有关，而梯度塔采用传统地面温湿度传感器，观测数据输出为分钟级，因此观测数据较为平滑。但可以看出60 cm高度处的温度观测与梯度塔观测结果最为接近，20 cm与40 cm观测结果相近，但20 cm观测的温度波动更为明显。图1 距离无人机不同高度时无人机悬停过程中温度变化湿度变化图见图2。从不同高度时的湿度数据来看，20 cm处观测结果误差较大，
9、40 cm和60 cm处相对湿度与梯度塔观测值更为接近，但60 cm处的湿度波动要明显大于40 cm处，具体原因有待进一步查明。由于梯度塔观测频率及湿度分辨率（1%RH）较低，无法从趋势上进行区分，但综合观测结果40 cm60 cm高度观测较为理想。图2 距离无人机不同高度下无人机悬停过程中湿度变化根据实际观测结果及无人机仿真已有研究结果，结合无人机自身操控及应用场景（飞行高度可能达1500 m），标准中建议将传感器安装在高于无人机旋翼40 cm以上合适位置处，以减小旋翼扰流影响。（2）系统连续工作时间试验将小型多旋翼无人机机载气象探测系统以1 Hz采样频率置于外部环境内，直接由内部蓄电池进行
10、供电并独立运行，直至其因电池电压保护停机。重新上电后，获取采集器存储的整次观测过程的聚合物电池电压变化情况，先后测试三次。由表1可见该设备整机独立运行平均时长为7.6 h。表1 聚合物电池放电时长测试表实验序号123系统上电时间8:358:378:30上电时电池电压25.08 V25.2 V25.2 V系统停止运行时间16:0516:1516:13结束运行时电池电压18.9 V19.08 V18.96 V运行时长7.5h7.6 h7.7 h所需电池容量1200 mAh（6S）在上述试验的基础上，可根据实际应用情况进行如下推算：假设无人机飞行高度1500 m，由地面升至最高点后返回，上升和下降速
11、度均为1 m/s，可计算得到一次飞行观测保守估计耗时1 h。根据常规高空气象观测业务规范，高空观测每日观测4次，因此，结合试验数据，确定连续工作时间不低于4小时。（3）采集频次及传输速率对应关系说明设备数据传输采用8N1的情况下，传输1个字节需要1个起始位、1个结束位和8个数据位，即传输1个字节需要10 bit。当规定设备以9600、19200、115200等不同波特率进行传输同时要求以10 Hz的采样频率进行采样，则每条数据最大字节数分别为96 Byte、192 Byte、1152 Byte,设备用户可根据实际传输需求及数据量大小确定采集所需的波特率。（4）各类传感器技术指标测试 主要传感器
12、指标摸底标准编制组对市面上常见的传感器进行了摸底调查，并对其指标进行了梳理，以确定在现有技术条件下，气象传感器的普遍技术性能。其主要性能参见表2。表2 市面传感器性能指标型号原理量程精度响应时间分辨率温度SI7013芯片(-40125)0.4 ，(-1085)C0.7s（裸装）；5.1s（开发板）0.01BME280芯片(4085)0.5 ，25 1 ，065 /0.0144031NTC(-8075)0.1 ，070 液体中小于1s，空气中小于2.5秒/10K3A1iANTC(-40125)0.1 ，070 液体中小于1s，没有提到空气中响应时间/TPUNTC(-9050)0.2 1s0.01
13、1PT100KN3045CLAPT100(-200600)0.24，-200 200）空气中（1m/s）小于2.5秒（50%），9秒（90%）/701-101BAA-B00PT100(-70500)0.35 空气中（2m/s）小于2.2秒（50%），7.0秒（90%）/湿度U湿敏电容(0100%)RH3%RH1s0.1% RHSI7013湿敏电容(0100%)RH3%RH，080% RH18s（风速1m/s）0.025% RHBME280湿敏电容(0100%)RH3%RH，25,2080% RH1s0.008% RH气压P020压敏电阻(1001080)hPa1 hPa1s0.1hPaMS56
14、11压敏电阻(101200)Pa1.5 hPa，25，750 hPa0.5s0.012hPaBME280压敏电阻(3001100)hPa1 hPa，065/0.18Pa 静态精度测试在三类传感器各选一种型号在天津市气象仪器计量检定站进行检定，其中温度检定范围为-30 50 ，湿度检定范围为10%RH90%RH，气压检定范围为700 hpa1100 hpa。检定结果见表3-表5。从检定结果来看，温度平均绝对误差为0.058 ，湿度平均绝对误差1.11%RH，气压平均绝对误差0.20 hpa。表3 温度静态检定结果重复性试验1温度测试点标准值被测仪器示值误 差-30 -29.97 -29.91 0.06 -20 -19.93 -19.88 0.05 -10 -9.73 -9.69 0.04 0 0.17 0.21 0.04 10 10.10 10.22 0.12 30 30.02 30.11 0.09 50 50.00 50.01 0.01 重复性试验2温度测试点标准值被测仪器示值误 差-30 -29.97 -29.91 0.06 -20 -19.93 -19.88 0.05 -10 -9.73 -9
