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作品描述
1项目背景
飞机气象探测是由地基、天基、空基组成全国实时卫星云图天气预报的综合气象探测体系全国实时卫星云图天气预报的重要组成部分。随着对强烈天气的研究和预报的发展全国实时卫星云图天气预报，飞机气象探测的重要性和不可替代性越来越为人们所认识，目标探测、适应性探测这些新的探测理念的实现很大程度上依托于飞机探测。为响应WMO的要求，中国气象局和中国民航局商定，随着技术的成熟，要逐步完善利用民航已经建成的地空数据链下传机载气象探测设备所探测到的气象资料的飞机气象数据中继系统。此外，高技术武器装备大量涌现，然而战争实践表明，高技术武器装备并未完全摆脱气象条件的影响和制约，有时甚至会使其完全丧失作战能力。因此，空军也十分重视作战气象保障能力，加强对机载气象探测设备的建设。
针对中小尺度天气系统，现有的常规高空或地面观测网的网格密度尚不能在人类可以接受的成本条件下满足气象业务工作的需求。发展的气象卫星、气象雷达等遥感探测虽然在一定程度上改进了缺乏中小尺度探测的不足，但仍然不能替代直接探测，因此无人机携带气象探测设备成为获取这些区域资料的最有效的手段 军民两方都迫切的需要一种全要素的机载气象探测设备来保障国防和民生。然而目前全国实时卫星云图天气预报我国却没有拥有自主知识产权的机载气象探测系统。
2项目实施方案
机载气象探测系统是一种通用型的气象探测设备，考虑到系统的通用性和测量的精确性，采用吊舱设计，安装在机翼下方，通过电缆将数据实时传送到机载嵌入式计算机中进行处理，显示，存储，可接入飞机通讯系统中，将气象数据实时发送到地面，补充常规探空资料的不足。设计时进行了热设计、电磁兼容性设计、防冰除冰设计等，保证了系统的可靠性。整个系统除了向地面传输数据要借助飞机通讯系统外，不与飞机现有的其全国实时卫星云图天气预报他系统进行任何交联，不会影响飞机的安全性能。
机载气象探测系统由气象数据采集吊舱、GPS航姿模块、机载嵌入式计算机、机载电缆等组成。
气象数据采集吊舱安装在机翼下方靠前位置，尽量减少飞机对吊舱的影响，吊舱与机载嵌入式计算机通过机载电缆连接，吊舱整体外形见后附图。吊舱前端为压力受感器和总温传感器。压力受感器通过表面开孔感受飞行过程中的总压、静压、攻角压差、侧滑角压差，通过管路引入到压力传感器进行测量。总温传感器测量飞行过程中的大气总温。吊舱左侧为过冷水含量传感器，吊舱右侧为液态水含量传感器。吊舱中部为吊装挂架，经过适当改型可以挂载在绝大部分飞机翼下。吊舱尾部为一个反气流腔室，内置温湿度传感器，气流流过尾部时，由于存在压力差，会使气流从尾部流入，从吊舱侧壁流出。该设计可以保证流入腔室内的气流速度合适，减小动力增温的影响和达到气水分离的目的。吊舱内部中央处理单元接收到各传感器传输的数据后，经过一定的算法进行处理得到环境温度、相对湿度、气压、液态水含量、过冷水含量、空速等数据，然后通过RS-422A的方式传输到机载嵌入式计算机中。整个吊舱的外形设计均由CFD流体仿真指引。 GPS航姿模块采用带有GPS辅助定位的姿态航向参考模块。该模块拥有嵌入式的扩展卡尔曼滤波器，可以在高速动态条件下提供高精度的GPS时间、飞行器对地速度、高度、航向角、滚转角、俯仰角等飞行参数，之后通过RS-422A输出到机载嵌入式计算机中。
机载嵌入式计算机通过RS-422A接收来自气象数据采集吊舱的气象数据与姿态模块的飞行参数后，通过复杂的算法计算并修正之后得到精确的实时气压、温度、湿度、液态水含量、过冷水含量、三维风等气象要素（后期可根据用户需求，增加更多的气象传感器，内部电路已预留传感器接口）。通过机载嵌入式计算机的数据库和统计分析软件分析之后，可以得到飞机的航路气象数据，接入机载通讯设备可将以上数据发送到地面。
该系统的各个部件太航公司均有一定的设计经验，其中大气数据采集系统为太航公司的成熟产品，过冷水含量传感器和液态水含量传感器的设计具有一定的难度，但太航公司也有类似的产品，前期查阅了大量文献资料并进行了一些技术摸底，经过原理性试验与比对后，已经有了比较成熟的解决办法。
该项目预期研究进度计划见表1。
表1 研究进度计划表
3市场分析
高空气象探测是进行天气预报的重点依据。我国现有120个常规高空探测站，站距约200km～300km，每天探测两次，探测高度25～30km。常规高空探测站主要通过释放氢气球带探空仪升空测量的方法测量大气的温度、湿度、气压、水平风，一次探测过程约2小时。由于探空仪自身限制，探测精度低，实时性差，120个高空探测站不能准确代表我国1260万平方公里领空的气象条件。近些年来大力发展了气象卫星、气象雷达等遥感探测，虽然在一定程度上解决了以上问题，但仍不能替代直接探测，相反配合理直接探测，遥感设备才能最大限度的发挥它们的技术优势。若能飞机这一宝贵的资源，在飞机上装备机载气象探测系统，在其飞行过程中顺带将航路上的气象信息实时传输到地面，必可弥补探空仪探测高空气象带来的时间密度和空间密度上的先天性不足。飞机平台相对于气球平台来讲，载重量大，可以搭载更多的气象传感器。
目前，我国民航大约有1000架飞机，军方各类飞机约3000架左右，加上未来蓬勃发展的通用航空事业和无人机等，预计未来大约会有5000架飞机可以装备机载气象探测系统，预期未来按60万元/套计算，大约300亿左右的市场规模，若能向第三世界国家出口，市场规模更大。因此机载气象探测市场需求非常不错，潜力巨大。
4竞争力分析
经过前期对国家气象局和集团公司兄弟单位的走访调研，目前国内还无厂家进行相同或相似项目的研究，该领域在国内属于空白。一些进行机载气象探测的单位均从国外进口机载气象探测设备，可靠性差，一旦故障，必须返回原厂维修，耗时耗钱，耽误工作。太航公司60多年一直在飞行器大气数据探测领域深耕，是国内空速管、大气数据计算机的优秀提供商，振动筒气压仪等气象传感器在气象行业也被广泛应用。太航公司具备完整的机载系统和气象传感器的设计、生产能力，一旦研制成功，批量配套，预计市场价格在60万元/套，且能提供非常好的售后服务，我国进口国外同类产品价格约100万元/套。通过对一些使用单位的调研可知，他们迫切的需要一种国产的可以直接挂接在通用飞机上的机载气象探测系统。
综上可知，未来我公司的机载气象探测系统在价格和售后服务两方面完全领先于国外竞争对手，再加上过硬的产品性能，必定会赢得用户的青睐。中国气象局等用户已经明确表示只要我公司能将该系统研制成功，气象系统的飞机就会率先加装该系统。
5投资预算
本项目目前为止为太航公司完全自研，预计三年之内累计投入450万元，后期计划申请国家重大行业专项。投资预算见表2。
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