Scout无人机：Łukasiewicz – 航空研究所的案例研究

March 21st, 2024

概述与背景

Scout无人机能够精准测量多层高度的大气条件和天气状况。这项技术可以应用于多个领域，例如无人机灯光秀在进行前需要确认天气条件是否良好，而强风可能因安全原因导致表演取消。

这套基于无人机的大气探测系统由Łukasiewicz – 航空研究所开发，用于辅助ILR-33 AMBER火箭发射，同时补充气象气球的大气探测工作。

在火箭发射的初始阶段，监测风速和风向至关重要，因为此时火箭的速度与风速相当。近地面的大气风剖面对火箭的飞行轨迹影响显著，因此需要准确及时的数据来确保发射成功。

figure 3 Ground Control Station Software Lukasiewicz
figure 1 UAV sounding system Lukasiewicz

挑战

传统的近地面风数据来源（如风塔和大气模型）存在以下挑战：

  • 风塔成本高昂，且不适用于许多发射场地。
  • 数值模型由于网格尺寸较大（2-10公里），在发射器附近的精度不足。
  • 气象气球主要用于高空风廓线测量，通常每次飞行尝试仅能发射1-2次，导致近地面数据存在空白。

为了确保火箭发射的安全性和精确性，迫切需要一种成本较低、高分辨率且能够频繁提供可靠的近地面和高空风力测量的系统。Scout无人机正是满足这一需求的理想解决方案。

解决方案

该项目开发了一个基于无人机的系统，以应对上述挑战，通过提供近地面实时、按需的风廓线数据。该系统包括：

无人机平台：
一架配备FT Technologies Acoustic Resonance超声波风速仪、机载计算机和数据链的DJI Matrice 600 Pro。
定制软件，支持用户定义飞行序列和实时数据可视化。

传感器集成：
Acoustic Resonance超声波风速仪被牢固地安装在无人机上，避免了旋翼引起的气流干扰，采用碳纤维增强3D打印框架，确保稳定性和对准。

操作流程：
无人机按照预定的飞行路径飞行，收集最高500米的地面大气数据。
数据被传输到地面站进行可视化和分析。

这一创新方案提供了精确且灵活的方法来收集风速数据，满足了火箭发射操作员的特定需求。

figure 2 DJI Matrice 600 Pro FT anemometer

结果

该系统在实际飞行条件下成功进行了测试，取得了以下成果：

性能：
成功完成了自动飞行，飞行高度达500米，展示了系统的可靠性和精确性。

批准：
该项目在完成与SORA ASSISTANCE的合作，进行特定操作风险评估（SORA）后，获得了波兰民航局的授权。

应用：
该无人机系统在一次亚轨道火箭发射任务中得到了有效应用，证明了其操作可行性和价值

结论

将无人机与先进风速传感器集成，提供了一种颠覆性的解决方案，用于大气监测。通过提供实时、精确的近地面风速数据，该系统增强了火箭发射的安全性和成功率，同时保持了成本效益和适应性。

基于无人机的大气探测系统展示了使用无人机进行自动化气象测量的可行性，为航空航天和气象领域的更广泛应用铺平了道路。

欲了解更多详情，请参考Bęben K等人发表在《传感器》期刊（2023）的文章《用于火箭发射支持的无人机大气探测》。该文章可通过以下链接访问：https://doi.org/10.3390/s23249639

FT602-D-SM Case Study Product - Scout Drones

FT602-D-SM 风速传感器

FT Technologies的产品采用我们独有的Acu-Res®技术。这项技术使得风速传感器在小型化的外形下依然能够保持高精度，并且天然免受物理振动和声学噪声的干扰。除了风速和风向，我们的传感器还提供气压和声学空气温度数据。

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