从风暴之巅到安全彼岸：以科学之光点亮低空未来

从风暴之巅到安全彼岸：

以科学之光点亮低空未来

文—本刊记者 郝志舟

从风暴眼的上方看风暴，是什么感觉？

北京理工大学前沿交叉科学院的胡纯教授站在实验室里，介绍起他所从事的低空气象探测工作，“台风来的时候，从上部将探测器空投入台风中心，可以从中获取关于台风和气象的精准数据，”他手持探空仪比画着，“那感觉，就像是以‘上帝视角’在俯视台风。”飞艇、雷达、火箭、无人机……多个部件集成于一体，在飞行中实现精细化的原位探测、获取高分辨率的数据，这是胡纯所在团队创新设计并研制出的低空气象探测仪所实现的技术突破。

这种突破，能够有效提高低空气象探测数据的准确性和可靠性。“通常，我们都是用雷达来观测，所能实现的分辨率一般是公里级别的。”而北京理工大学研制的低空气象探测仪器，可以将分辨率缩小至10米乃至5米的级别，其每秒钟传输一组数据的高精度、高密度数据采集能力，可以对低空大气环境进行多要素、长过程、精细化直接观测，在世界范围内处于领先地位。

低空气象探测：为飞行插上“智慧翅膀”

近年来，随着低空空域逐步开放试点，以通用航空产业为主导的战略性新兴产业如雨后春笋般涌现，低空经济蓬勃发展。低空飞行，具有“一高两短”即飞行密度和频次高、单次飞行时间短、单次飞行距离短的基本特征，这些特征决定了对低空飞行活动的高影响天气应对，不能以预报为主，需要实时掌握起降点以及飞行线路上的气象状况，由此就对低空飞行的气象保障等提出了更高要求，急需加大在低空气象探测技术、飞行安全保障设施等方面的投入与探索，更加精准地刻画出低空大气气象环境，以保障低空飞行的安全、有序、高效开展。

如果能够预先判断哪里有雷雨，还能预测出雷雨的范围，飞行器是不是可以从雷雨云团的间隙中穿过去？“为了安全，还是不要这么穿越，可以选择从外围绕过去……”胡纯教授委婉地笑。准确识别气象条件和范围，给予时间和空间上的有效选择，这是胡纯所在团队已经实现了的研发成果。

胡纯是北理工低空气象探测领域的主要研究人员之一，研究方向集中于先进传感与智能仪器、气象信息感知与探测以及智能信号处理。低空气象探测，不仅是低空飞行的重要一环，也是低空经济安全运行的基石之一。依托空地一体新航行系统技术全国重点实验室、复杂环境智能感测技术工信部重点实验室等优势资源，胡纯所在团队开发出了基于飞艇平台的气象探测系统：包含飞行控制器系统、艇载气象雷达、浮空气象感知节点、气象感知节点定点投送装置、艇载气象接收器、空基超视距宽带数据链、高分辨数字仿真系统等七大关键设备。

这“协同作战”的七大设备，基本都由胡纯所在团队科研人员创新研发：双极化雷达可以实现对低空局部区域连续高分辨率观测；多个轻量化探空仪则漂浮在目标区域内不同的地方，可以进行温度、湿度、风速和气压多要素参数的同时采集；艇载接收器则可以通过专门研制的超视距宽带数据传输链路来实现气象探测信息的远距离实时可靠传输……利用飞艇的长续航和稳定性优势，该系统能够在数月内持续采集高分辨率数据。“2022年的时候，我们的飞艇就已经能持续飞行80天了，状态很好，经过数据预测，初步估计飞120天是完全没问题的。”

胡纯介绍，凭借这些更全面、更丰富的多源直接观测数据，可以有效支持更专业、更细致的低空气象研究，可以为无人机物流、空中交通等提供精准的气象预报——对于影响低空飞行较为严重的气象要素如降水、雾霾、雷暴、垂直风等，通过雷达实现大范围云水粒子的观测，提前感知强降水、大雾、能见度低等气象情况；通过气象感知节点布撒实现局部风场的测量，并探究温湿度对其影响的内在联系，预知低空气流的活动轨迹。此二者互补，将助力低空航危天气短临预警相关技术的快速发展，不仅能够为低空飞行活动提供数据支撑和安全保障，从而实现低空飞行器的“智慧飞行”，还能为低空经济保驾护航——有研究表明，对于极端气候，预报强度误差每减少1米/秒，可减少因灾经济损失近4亿元；预报路径误差每减少1千米，可减少因灾经济损失近1亿元。

科研，从来没有坦途

瘦削的身材、眼镜背后专注的目光，是同事们对胡纯的第一印象。六年前，他从博士后研究起步，一头扎进了低空气象探测技术的探索中。

轻量化探空仪和高精度传感器，是胡纯倾注了大量心血的设备。如果把飞艇看作一艘上天去执行任务的“母舰”，探空仪所携带的传感器就是整个探测系统的基础——传感器如果不行，数据精度就不高，探测效果就必然不准。

举个例子，高空气温骤降，还会不时面临雨滴、冰晶乃至冰雹的袭击，必须给传感器加温才能使其正常工作，但是又不能让这一“加热”功能影响传感器的性能，怎么实现这种微妙的平衡？“我们就要用很微小的电阻丝去控制好温度，还要配合电路，施加合适的电流电压、合适的时长……过程非常精细。”从敏感材料、结构到封装材质、电路设计，再到加工制备，胡纯为了打造这样的传感器费尽心思。“前前后后迭代了三年的时间，基本上天天跟这个东西打交道。”胡纯笑，“我们会把传感器发上去做测试，如果测试结果不行，这一套就全都白费了，就得重新优化，再做仿真试验……这一过程非常磨人。”

通过材料、结构和使用策略的创新，胡纯团队成功研制出了能适应极端环境的高精度传感器，即便是在台风或高寒地区，这种传感器也能通过新材料和交替加热测量循环保持高精度稳定工作。他们研制的国内最轻的探空仪也大幅减轻了重量，使得飞艇可一次性携带多达300个探空仪，有效延长了任务时间和数据覆盖范围，成为持续监测的革命性工具。

2024年10月，超强台风“康妮”登陆浙江台州时，胡纯带领团队在台风现场对整套设备进行了实地测试，两天两夜没合眼的坚守最终取得了圆满成功。“非常紧张。等到实验结束，所有的数据全都返回来了，我们才松了一口气。”胡纯回忆那天的感受，“两天没睡觉，但是你都感觉不到困意。”这次实验的成功，验证了北理工科研团队技术的可靠性，也为低空飞行安全提供了宝贵的数据支持。

筑起坚实的“盾牌”

“目前，我们在张军教授带领下，依托航行系统技术全国重点实验室三十余年积累的成果和经验，正在部署航空5G专网，以后地面端设备、可移动设备、飞机上的设备等都能连入我们的5G专网，”胡纯教授介绍，“从数据监管和数据存储角度讲，这将会让航空飞行更加安全。”

如果说低空气象探测是为低空飞行插上的“智慧翅膀”，低空安防就是北理工为天空筑起的“盾牌”。

低空经济浪潮带动了无人机的井喷式发展，据不完全统计，目前无人机机型已超千种，通信体制差异巨大，为无人机低空飞行管控带来巨大挑战，大量黑飞无人机对社会安全造成严重威胁。建立健全无人机探测与反制技术体系，已成为保障低空经济持续平稳发展的重中之重。

视觉、雷达、无线电频谱侦测是当前无人机反制的主流手段。“通过多台天线接收同一无人机电磁信号，进行相关处理后可识别无人机的无线电频谱特征，并实现对黑飞无人机的反制。”胡纯介绍，目前，北京理工大学已在珠海校区率先开展了视觉、雷达与无线电三类手段融合反无技术验证，构建了一定规模的反无试验场，在试验场内分布式部署了无线电侦测天线、地基光电舱、相控阵探测雷达，建设了超算与联合指控中心，已完成多型非合作无人机的探测与干扰实验。

为深入贯彻落实国家低空领域安全管理决策部署，北京理工大学正在探索统筹推进低空经济发展与安全防控体系建设。在体系布局方面，以“全域覆盖、重点突出”为导向，依据空域风险等级，科学划分核心管制区、监视缓冲区和开放报告区，构建“空地协同”的立体化监测网络。针对不同区域特性，则差异化部署探测设备，形成层次分明、覆盖全面的防控格局。同时，结合地理网格管理理念，细分防控单元，实现精细化监测与协同联动，筑牢低空安全防护屏障。

胡纯教授所在的团队——北京理工大学“复杂环境科学探测中心”，是一批国内外高层次人才组成的队伍，由北京理工大学党委书记、首席科学家张军教授领衔，郑德智教授担任责任教授，团队成员包括了5位顾问院士、5名国家级领军人才、8名国家级青年人才、3名青年托举人才，持续瞄准深空探测、临近空间网络、载人航天等国家重大战略需求，围绕极端环境感知、智能组网通信、群智协同控制方向开展科学研究，专业领域跨度深广，涉及仪器科学与技术、信息与通信工程、电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程等交叉学科。目前，他们已先后承担国家自然科学基金委重大科研仪器专项、重大基础研究项目，教育部集成攻关大平台项目，国家重点研发计划等90余项，构建了包括智能信息处理、复杂光纤探测与通信、无人装备协同组网控制在内的多个科研平台。

从实验室到低空前沿，每一台设备、每一组数据、每一次实验，都承载着科研人员的梦想与汗水。低空交通是未来发展的趋势，但安全是首要前提。北京理工大学在低空交通领域的科研成果，展现了其在空天领域的深厚实力。怀抱对国家需求的深刻理解和对科研的热爱，以张军教授、郑德智教授、胡纯教授为代表的科研工作者们，正以顽强意志和拼搏精神，用科技硬实力护航低空经济。

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监制：陈章乐

终审：陈敏

审校：刘晓 刘博文