高空气象组网探测管理系统

马 林，孙宝京，高海峰，宋子明

(沈阳炮兵学院，辽宁 沈阳 110867)

高空气象组网探测保障是一种新的军事气象保障形式，其通过中心站的指挥下，将多个气象站部署于不同的探测阵地，运用高空气象探测、网络通信、数据融合等技术实现大空间气象要素的采集、传输和处理，以达到扩大气象保障半径、提高气象保障精度、增强抗电磁干扰能力等目的，可为远程火箭炮等分队提供远程精密气象保障。中心站作为组网气象保障的指挥机构和数据交汇、融合处理终端，如果不能对高空气象组网探测进行统一的管理和控制，那么将给气象组网探测的指挥与决策、气象数据融合权重评判、数据融合处理带来很多不便。

为此，本文为高空气象组网探测保障设计了一种组网探测管理系统，其主体部署在组网探测中心站，通过战术互联网完成指挥控制和信息交互，通过军事地理信息系统(Military Geographic Information System，MGIS)［1］完成各气象站坐标，以及各探空气球的地面投影轨迹、高度、速度和方向等组网态势的直观显示，通过数据融合和弹道气象数据处理模型完成组网探测数据的精确融合处理。

1 系统设计

1.1 系统功能设计

高空气象组网探测管理系统具体功能如下。

1)对气象组网探测各气象站的单位、名称、装备类型、探空仪型号、经纬度坐标等信息进行添加、删除和修改管理;

2)向各气象站下达各种命令，组织组网探测，接收各气象站上报的阵地坐标以及气象站状态;

3)实时接收各气象站发送来的气温、气压、湿度、气球方位角、仰角等探测数据;

4)实时计算出各探空气球地面投影的经纬度坐标、高度、速度和方向等数据，并依托MGIS对各气象站的阵地坐标、各探空气球的地面投影轨迹、高度、速度和方向等组网态势进行可视化显示;

5)根据弹道和探空气球轨迹确定数据融合权重，对不同气象站的探测数据进行数据融合;

6)对融合后的探空和测风数据进行处理，计算出不同高度层的气温、气压、相对湿度、风向风速等气象要素，并编写气象通报和探测报告。

1.2 系统框架设计

高空气象组网探测管理系统的总体框架依如图1所示。在实施炮兵防空兵组网气象保障时，指挥员在中心通过管理系统的组网指挥控制终端对各气象站进行指挥部署，下达开设阵地的坐标。各气象站分别到达指定阵地后，通过高空气象探测雷达、无线电经纬仪或高空探测车等高空气象探测装备跟踪探空气球携带的探空仪实施高空气象探测。高空气象探测过程中，各气象站的高空气象探测装备实时测量探空仪所在空间位置的方位角、仰角等数据，实时接收探空仪测量的气温、气压、相对湿度等气象要素，对以上数据进行编码处理后，利用网络传输设备，将数据通过战术互联网发送到中心站，中心站的组网指挥控制终端对气球轨迹数据进行实时计算处理后，通过MGIS提供的二次开发接口将各气象站的阵地坐标和计算得到的不同时刻探空气球的地面投影坐标、高度、速度、方向等数据进行可视化显示。管理系统的数据融合处理终端实时确定不同弹道高度的数据融合权重，并对各气象站的探测数据进行融合，最后对融合后的数据进行弹道气象数据处理。

图1 系统框架

2 关键技术及应用

2.1 通信链路设计

目前，炮兵防空兵气象站之间是依靠北斗卫星通信系统进行数据交互，但由于高空气象探测获取的数据具有数据率高、数据量大的特点，北斗通信无法满足气象站组网数据通信需求。为解决通信链路问题，在炮兵防空兵高空气象探测装备上加装战术互联网通信设备，依托战术互联网实现中心站与各气象站的指挥命令分发和信息交互。

战术互联网是通过网络互连协议(IP协议)将战术无线电设备、网络设备、终端及应用系统等互连而成的面向网络中心战的一体化战术通信系统，为战场各类传感器系统、武器平台系统和指挥控制系统提供信息传输与交换的公共平台［2］，包括无线通信网络和有线通信网络。高空气象组网探测中，依托用户节点车提供的战术互联网本地服务，采用超短波电台和通信控制设备构成的无线通信网络进行中心站指挥命令的分发和各气象站阵地坐标、气象站状态的上报;采用被覆线和有线远传设备构成的有线通信网络进行各气象站探测数据的上报汇交。有线通信链路如图2所示。

图2 有线通信链路示意图

2.2 探空气球坐标变换方法

高空气象探测装备探测所得的探空气球坐标是以高空气象探测装备坐标为原点的站心极坐标数据，对于高空气象探测雷达而言，坐标形式为(α，β，L)，对于无线电经纬仪等无源探测装备而言，坐标形式为(α，β，H)，其中α为仰角，β为方位角，L为斜距离，H为气球在地心坐标系中的位势高度。因为在电子地图上进行探空气球定位和轨迹绘制使用大地经纬度坐标，所以中心站需要对接收到的数据进行坐标变换，转换为经纬高坐标后再进行显示［3］。

文献［3］给出了(α，β，L)形式的站心极坐标换为经纬高坐标的方法，高空气象探测雷达探测所得数据可直接利用该方法进行坐标变换。对于无线电经纬仪等无源探测装备而言，由于其无法直接测量气球的斜距，所以需要通过计算推导出斜距，将坐标转换为(α，β，L)形式后，再变换为经纬高坐标。

在无线电经纬仪实施高空气象探测过程中，探空气球在某一时刻的空间位置如图3所示。

图3 气球坐标示意图

图3中，D为气球在空中的位置，A为无线电经纬仪天线旋转中心位置，O为地心，h为无线电经纬仪所在位置的海拔高度，α为无线电经纬仪所测气球仰角，L为斜距离。AB弧线为海拔高度h的等高线，r为地心至海平面位置的地球半径，OA和OB同为地球半径与海拔高度之和，设其值为R，则R=r+h。

无线电经纬仪提供的气球高度，是利用压高公式计算所得的D点到B点的位势高度Z。位势高度的单位为位势米，它与几何高度H的关系为［4］

式中，g为重力加速度;g0为平均重力加速度;φ为纬度;R为地球半径;Z为位势高度。

由式(1)可得

由式(2)可以将位势高度Z转换为D点到B点的几何高度H。

在直角三角形ΔOCD中，OD2=CD2+OC2，即(H+R)2=(L·cosα)2+(R+L·sinα)2

从而得出L的计算公式为

由式(3)，根据几何高度H、仰角α及地球半径即可计算出探空气球与无线电经纬仪之间的斜距L，再根据文献［3］给出的方法将(α，β，L)形式的站心极坐标换为经纬高坐标。

2.3 数据融合权重确定

数据融合权重主要取决于射弹在某高度出现在某站保障区域的概率大小。在实施组网保障时，可根据组网管理系统提供的探空气球轨迹和炮阵地——目标连线确定各气象站探测数据在不同时刻、不同高度的融合权重。

式中，yi为气象站i在某高度层上的气象要素数据，如气温、气压、湿度、风向、风速、虚温偏差量、空气密度偏差量等，ys为某高度层上各气象站在空间上融合后的气象要素信息。

2.4 弹道气象数据处理模型构建

从20世纪50年代至今，气象保障一直使用传统的59-701系统的计算方法［5］，此种处理算法牺牲了计算的精度来提高作业的速度，以满足现阶段实时气象保障的需要。

针对测风数据处理，采用滑动矢量平均方法，将滑动窗口内的测风数据一起进行计算，在计算每个采样点气球在站心坐标平面的高度和水平距离以后，求取风在南北和东西方向上矢量分量，在对滑动窗口中所有风矢量分别取平均值后，再计算该窗口中间时刻的风向风速值。然后以1s为单位滑动窗口，直至探测的最后一组数据。

由于高空温度、气压、湿度随高度的变化是连续的，通常认为其变化率不存在突变。针对这一特点，并结合埃尔米特插值多项式不但满足插值多项式节点的函数值与被插函数的函数值相等，而且插值函数与被插函数的一阶导数的值也相等的数学特性［6］，系统采用埃尔米特插值算法实现不同高度气温、气压、相对湿度等探空数据的计算。

3 系统实现

该系统采用Visual C++作为开发工具，对组网指挥控制终端和数据融合处理终端进行开发。组网指挥控制终端利用MGIS提供的C++类库和ActiveX组件库实现电子地图的操作、气象站阵地坐标的显示和探空气球轨迹描绘等功能。组网指挥控制终端主界面如图4所示。

图4 组网指挥控制终端界面

组网指挥控制终端采用单文档模式，在文档界面中进行电子地图的显示和组网指挥等相关操作，在菜单栏和工具栏提供了地图操作、台站管理、轨迹显示等功能，在状态栏中提供了经纬度显示功能。数据融合处理终端主界面如图5所示。

图5 数据融合处理终端界面

数据融合处理终端分为4个显示区域，左上区域显示融合后的探空数据，左下区域显示融合后的测风数据、右上区域显示探空曲线、右下区域显示测风曲线。并且在工具栏和菜单栏中提供了参数录入、数据融合、数据计算和成果查询等功能。

4 结束语

本文采用MGIS、战术互联网、数据融合、弹道气象数据精密处理等技术，设计了集组网态势显示、组网指挥管理、多站气象数据融合、弹道气象数据处理等功能于一体的高空气象组网探测管理系统，对实现高空气象组网探测指挥决策的科学化和智能化，数据处理的科学化和精密化具有重要意义。

［1］ 修义瑞，李斌，刘忠.基于MGIS的海洋站实况显示系统实现［J］.海洋测绘，2009，29(4):64-66.

［2］ 张维，贾爱梅.战术互联网在机动式指挥所中的组织应用研究［J］.舰船电子工程，2013，33(10):11-12.

［3］ 王凌艳，王志清，霍烁烁，等.基于MGIS的飞行器航迹数字化可视平台设计与实现［J］.现代防御技术，2013，41(6):66-70.

［4］ 杨涛，曹锐，王明海.弹道导弹再入段大气参数修正［J］.弹箭与制导学报，2009，29(3):166-168.

［5］ 吴泓，李永，郑清华，等.改进高空测风算法的试验［J］.气象科学，2011，31(1):113-118.

［6］ 轶名.Matlab数值分析［M］.北京:机械工业出版社，2009.