發布日期：2022-04-26 點擊率：101
摘要：如何減少天氣變化對氣壓測高精度和穩定性的影響，是便捷式導航系統中需要解決的一個問題。為此提出一種以MS5803高精度氣壓傳感器和局部氣象數據為基礎的測高方法。從標準壓高公式出發，推導出了以同層大氣任意位置為參考點的壓高方程。用此方程，以當地氣象站為參數點，并通過互聯網，獲取該氣象站的準實時氣象數據和地理位置，即可測出更為準確和穩定的高度。采用MS5803-01BA氣壓傳感器和筆記本電腦構建了氣壓測高原型系統。實驗表明，在距氣象站20多千米的地方，該系統的高度測量的誤差小于3m，13h內定點高度測量值的漂移小于4m。
關鍵詞：氣壓測高；氣象站；氣象數據；定位；氣壓傳感器；MS5803
中圖分類號： 文獻標識碼：A
A barometric altimetry method based on MS5803 and meteorological data
School of Remote Sensing and InformationEngineering,wuhanUniversity,Wuhan430079,China; Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract:In portable navigation systems, it is required tobesolvedhowtocompensateclimatechangeonbarometricaktimetry accuracy and stability. To this end ,an altimetry method based on MS5803 high-precisiondigitalbarometricsensorandlocal meteorological data was presented . From the standard barometric altimetry formula, a barometric altimetry equation was derived ,in which any position within the same atmospheric layer can be used as ,taking a local weather station as a reference point. It is geographic location andquasirealtimemeteorologicaldataaccessedthrough the Internet, more accurate and stable barometric altimetry can be carried. A barometricaltimetryprototypewasconstructed with an MS5803-01BA barometric sensor and a notebook PC. Experiment results show that at locationgs more than 20 kilometers with an MS5803-01BA barometric sensor and a notebook results show that at locations more than 20kilometers away from the local weather station , altitude errors are less than 3m, the measured altitude drift of a fixed point was less than 4m in 13 hours.
Key words: barometric altimetry ; weather station ; meteorological data ; positioning ;barometric sensor ;MS5803
基于GPS的各類便攜式導航設備的應用日漸普及，另一方面，GPS在地面的垂直定位精度不高、甚至受城市道路環境的影響。導致定位精度下降甚至無法定位，因此，其應用受到限制。為此，人們尋求不同的方法，改善特殊環境下GPS的定位效果，其中方法之一就是采用氣壓高度計來輔助GPS導航定位。
利用氣壓測量高度具有簡便易行的特點，但是其測試結果受天氣影響明顯，嚴重時，一天內的定點高度漂移可達數十米之多。因此，如何提高氣壓高度測量的精度，就成為定位及導航技術中急需解決的難題[1-3]。
為此，筆者提出一種以MS5803-01BA數字式氣壓傳感器和當地準實時氣象參數為基礎的高度定位方法，并通過理論和實驗，說明這種方法的可行性。其精度可滿足民用移動導航的需要。
1 氣壓的高度測試原理及其誤差補償
氣壓高度測試原理
利用氣壓測量高度是成熟技術，其工作原理就通過測量點上方氣柱的重力，間接推算測點在地球等重力勢面法線方向上的位置，這種高度又稱重力勢高度。如不考慮高程異常，可不區分幾何高度與重力勢高度的差別。
在標準大氣條件下，重力勢高度可用標準壓高方程[4]來計算
其中PH為測點氣壓，為本層溫度梯度系數，為標準重力加速度，和分別為本層溫度、氣壓和高度的下限值。以對流層（H=0-11Km)為例。
直接采用式（1），可以大致估算出測點的高度H，但是由于壓高公式原理性誤差及其他因素的影響，測點周圍氣象環境的變化就可能使點高度定位產生較大的誤差，漂移范圍可達每天數十米之多。為了減少這種誤差，可以考慮在測點附近尋找一個高度已知的參考點，通過對該參考點溫度、壓力的監測，補償氣象環境變化對測點高度測量結果的影響，提高高度定位的準確性。
若測點與參考點處在同層大氣之中，設測點的高度、溫度和氣壓分別為和，設參考點的高度、溫度和氣壓分別為和，由式（1）則有
式（8）和式（9）表明，只要知道同層之中參考點的高度及相關氣象參數，就可推算測點的重力式高度，其結果與該層大氣底面的狀況無關。換而言之，通過式（8）和式（9），即可利用參考點的相關數據，實現對氣壓測高原理性誤差的補償。
兩個公式的區別在于：計算時，式（8）用的是參考點溫度，式（9）用的是測點溫度。若為標準大氣，兩者結果相同；若對實際大氣，結果會稍有差異。
參考點氣象數據及位置參數的獲取
上述分析表明，利用相鄰參考點的實時氣象數據，有可能得到更準確高度定位結果。因此，如何取得參考點的適時氣象數據就成了成功進行氣壓測高一個前提。
文獻{5}介紹了中國區域定位系統（CAPS)用的一種參考點實時氣象數據獲取的方法，其核心是將中國及其周邊1860個氣象自動站的數據搜集，處理后以專用報文的形式發送給其終端用戶。這種方法相對封閉，普通移動定位導航系統無法使用。
事實上，經過多年建設，氣象系統已經建成了覆蓋全國的氣象自動站，如國家級的自動站就有2500多個。這些自動站測量數據都會在氣象專業網站上發布，任何人都可以通過互聯網獲得自己所在地區的準實時氣象數據。例如：
中國氣象局的中國氣象科學數據共享服務網不僅能提供每日4次數據更新，還能提供相應氣象臺站的海拔高度數據。
中央氣象臺的城市天氣預報提供全國主要城市逐小時氣象數據更新。
省級氣象局能提供本省更詳細氣象實時監測數據，如湖北省氣象與生態自動檢測站網可提供全省縣級區域的逐小時氣象數據.
2 氣壓測高原型系統的組成
氣壓傳感器
為了滿足便攜式導航定位設備的需要，經反復對比，決定選用瑞士精量電子生產的MS5803-01BA數字氣壓傳感器{6}。
MS5803-01BA是新一代高精度氣壓傳感器模塊，具有體積小（)、穩定性好、低（~）、低功耗（工作電流；待機電流<)等特點。它備有I2C和SPI接口，采用型A/D轉換器，可輸出24位壓力和溫度數字信號，轉換時間最快1ms。量程為10-1300mbar。工作溫度為-40~+85℃，可氣密封裝，尤其適合戶外氣壓及高度測量，其高度分辨率可達。
MS5803-01BA的內部結構如圖1所示。由惠斯頓電橋組成傳感器，既可檢測絕對壓力，也可檢測溫度，具體由多路開關切換：取電橋的差模信號檢測壓力，取電橋的共模信號檢測溫度。放大后的壓力或溫度信號由ADC轉換成數字量，經數字濾波后保存在數字接口的D1和D2中，供主機讀取。
此外，工廠對每個傳感器都進行溫度和壓力的標定，并算出6個16位的標定參數（C1~C6)存放在128位的PROM中，它們的具體含義參見圖3.
MS5803使用起來非常方便，任何計算機或微控制器都可以通過I2C和SPI總線與之相連，進行氣壓和溫度數據的采集和處理。
原型系統結構
為了方便算法研究，這里用MS5803氣壓傳感器和筆記本電腦及USB-SPI適配器構成了一個便攜式氣壓高度定位原型系統，其系統結構框圖如圖2所示。
MS5803選擇為SPI接口方式，直接與USB-SPI適配器的SPI端相連。GY7502型USB-SPI適配器一頭插入筆記本電腦，另一頭直接與傳感器相連。
系統軟件的主要功能與流程
筆記本的軟件分為數據采集和數據處理兩個相對獨立的功能模塊；前者負責數據的采集與存貯，后者負責數據的處理與分析。
數據采集模塊的主要工作流程如圖3所示，啟動數據采集后，系統首先通過USB-SPI接口讀取MS5803-01BA的PROM中存放的6個標定參數C1~C6.然后讀出壓力轉換值D1和溫度轉換值D2，再算出溫度TEMP和溫度補償后的壓力P，并把溫度TEMP和壓力P寫入文件。如無停止信號，就回頭繼續采樣。反之，就結束采樣，等待處理。
數據處理主要在Excel中完成，基本工作流程如圖4所示。先讀入已經保存的相關氣象臺逐小時氣壓、溫度數據和對應的測點氣壓、溫度記錄，再按公司（1）、公式（8）和公式（9）解算測點高度，最近對結算結果進行統計分析，以了解高度位的精度及穩定性。
3 實驗及討論
高度定位實驗
為了檢驗根據本地氣象參數和氣壓傳感器進行高度定位方法的效果，進行了3種實驗。
絕對高度的測量
以武漢氣象站（站號：57494，經度：30°37，緯度：114°08，海拔：為參考點，在距其約的武漢市區某處，測量一組已知高程控制點的高度，所得結果如表1所示
相對高度的測量
在一高層建筑內，從22層開始，沿消防通道下行，檢測并記錄各樓層窗臺的氣壓和溫度，最后以底層的氣壓和溫度為基準計算各層的高度，得到樓層的測量高度與真實高度的實驗曲線如圖5所示。
結果表明，測量值與真實值非常接近，其線性回歸模型的決定系數R2>。
監測固定位置高度值的時間漂移
仍以武漢氣象站為參考點，在距其約的市區某處定位置將傳感器固定，啟動監測系統，以每10min為間隔1s內連續采集10組本地氣壓和溫度，并同步記錄武漢氣象站發布的逐小時氣壓和溫度。
對2011年4月27日8:00到21:00的高度測量結果如表2所示。
結果表明，在13h的觀測時間內，依公式（8）、公式（9)測得該點高度值的漂移范圍為，明顯低于公式（1）的。
實驗結果的討論
表1和表2的實驗數據表明，與公式（1）相比，公式（7）和公式（8）和計算結果更準確、更穩定，利用本地氣象的高度信息和準實時氣象數據，可以有效提高氣壓測高的精度、減少漂移。
注：測點高度值為2011年4月27日8:00到21:00的整點高度測量結果。
雖然利用本地氣象數據能夠明顯改善氣壓高度定位的效果，但是簡單利用氣象數據對高度定位改進效果就會受到氣象臺氣壓數據的精度和發布時間的限制。
例如，氣象臺的氣壓數據分辨率為，相當于標準海平面的高度分辨率。另外，現在能夠用的氣象臺的逐小時數據，而環境氣壓在1h內的變化可能超過1mbar，即對應的高度值的漂移就可能超過。因此，盡管采用了高精度的氣壓傳感器，簡單利用氣象數據仍然很難將測量誤差減少到1m以內。
如要進一步提高氣壓高度定位精度和穩定性，可考慮通過氣象數據在空間和時間上進行插值，以獲得更精密、更及時的基準。
4結束語
本文結合移動導航的需要，提出了一種以高精度數字式氣壓傳感器MS5803-01BA和本地準實時氣象數據為基礎的高度定位方法，并通過理論分析和實驗，驗證這種方法的可行性，其精度可滿足民用移動導航的需要。
相關產品：MS5803,MS5611,MS5607,MS5540等。
參考文獻：
本文作者：趙天成 饒和昌
作者單位：
1.武漢大學遙感與信息工程學院,湖北武漢430079
2.華中科技大學機械科學與工程學院,湖北武漢,430074
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