摘要：如何減少天氣變化對氣壓測高精度和穩(wěn)定性的影響，是便捷式導(dǎo)航系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)問題。為此提出一種以MS5803高精度氣壓傳感器和局部氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的測高方法。從標(biāo)準(zhǔn)壓高公式出發(fā)，推導(dǎo)出了以同層大氣任意位置為參考點(diǎn)的壓高方程。用此方程，以當(dāng)?shù)貧庀笳緸閰?shù)點(diǎn)，并通過互聯(lián)網(wǎng)，獲取該氣象站的準(zhǔn)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和地理位置，即可測出更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的高度。采用MS5803-01BA氣壓傳感器和筆記本電腦構(gòu)建了氣壓測高原型系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，在距氣象站20多千米的地方，該系統(tǒng)的高度測量的誤差小于3m，13h內(nèi)定點(diǎn)高度測量值的漂移小于4m。

　　關(guān)鍵詞：氣壓測高；氣象站；氣象數(shù)據(jù)；定位；氣壓傳感器；MS5803

　　基于GPS的各類便攜式導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)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(huán)境的影響。導(dǎo)致定位精度下降甚至無法定位，因此，其應(yīng)用受到限制。為此，人們尋求不同的方法，改善特殊環(huán)境下GPS的定位效果，其中方法之一就是采用氣壓高度計(jì)來輔助GPS導(dǎo)航定位。

　　利用氣壓測量高度具有簡便易行的特點(diǎn)，但是其測試結(jié)果受天氣影響明顯，嚴(yán)重時(shí)，一天內(nèi)的定點(diǎn)高度漂移可達(dá)數(shù)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(dǎo)航技術(shù)中急需解決的難題[1-3]。

　　為此，筆者提出一種以MS5803-01BA數(shù)字式氣壓傳感器和當(dāng)?shù)販?zhǔn)實(shí)時(shí)氣象參數(shù)為基礎(chǔ)的高度定位方法，并通過理論和實(shí)驗(yàn)，說明這種方法的可行性。其精度可滿足民用移動導(dǎo)航的需要。

　　1氣壓的高度測試原理及其誤差補(bǔ)償

　　1.1氣壓高度測試原理

　　利用氣壓測量高度是成熟技術(shù)，其工作原理就通過測量點(diǎn)上方氣柱的重力，間接推算測點(diǎn)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(qū)分幾何高度與重力勢高度的差別。

　　在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，重力勢高度可用標(biāo)準(zhǔn)壓高方程[4]來計(jì)算

　　(1)

　　其中PH為測點(diǎn)氣壓，為本層溫度梯度系數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)周圍氣象環(huán)境的變化就可能使點(diǎn)高度定位產(chǎn)生較大的誤差，漂移范圍可達(dá)每天數(shù)十米之多。為了減少這種誤差，可以考慮在測點(diǎn)附近尋找一個(gè)高度已知的參考點(diǎn)，通過對該參考點(diǎn)溫度、壓力的監(jiān)測，補(bǔ)償氣象環(huán)境變化對測點(diǎn)高度測量結(jié)果的影響，提高高度定位的準(zhǔn)確性。

　　若測點(diǎn)與參考點(diǎn)處在同層大氣之中，設(shè)測點(diǎn)的高度、溫度和氣壓分別為和，設(shè)參考點(diǎn)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(diǎn)的高度及相關(guān)氣象參數(shù)，就可推算測點(diǎn)的重力式高度，其結(jié)果與該層大氣底面的狀況無關(guān)。換而言之，通過式（8）和式（9），即可利用參考點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對氣壓測高原理性誤差的補(bǔ)償。

　　兩個(gè)公式的區(qū)別在于：計(jì)算時(shí)，式（8）用的是參考點(diǎn)溫度，式（9）用的是測點(diǎn)溫度。若為標(biāo)準(zhǔn)大氣，兩者結(jié)果相同；若對實(shí)際大氣，結(jié)果會稍有差異。

　　1.2參考點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)及位置參數(shù)的獲取

　　上述分析表明，利用相鄰參考點(diǎn)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，有可能得到更準(zhǔn)確高度定位結(jié)果。因此，如何取得參考點(diǎn)的適時(shí)氣象數(shù)據(jù)就成了成功進(jìn)行氣壓測高一個(gè)前提。

　　文獻(xiàn){5}介紹了中國區(qū)域定位系統(tǒng)（CAPS)用的一種參考點(diǎn)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)獲取的方法，其核心是將中國及其周邊1860個(gè)氣象自動站的數(shù)據(jù)搜集，處理后以專用報(bào)文的形式發(fā)送給其終端用戶。這種方法相對封閉，普通移動定位導(dǎo)航系統(tǒng)無法使用。

　　事實(shí)上，經(jīng)過多年建設(shè)，氣象系統(tǒng)已經(jīng)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(gè)。這些自動站測量數(shù)據(jù)都會在氣象專業(yè)網(wǎng)站上發(fā)布，任何人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)獲得自己所在地區(qū)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)。例如：

　　中國氣象局的中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)不僅能提供每日4次數(shù)據(jù)更新，還能提供相應(yīng)氣象臺站的海拔高度數(shù)據(jù)。

　　中央氣象臺的城市天氣預(yù)報(bào)提供全國主要城市逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)更新。

　　省級氣象局能提供本省更詳細(xì)氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如湖北省氣象與生態(tài)自動檢測站網(wǎng)可提供全省縣級區(qū)域的逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù).

　　2氣壓測高原型系統(tǒng)的組成

　　2.1氣壓傳感器

　　為了滿足便攜式導(dǎo)航定位設(shè)備的需要，經(jīng)反復(fù)對比，決定選用瑞士精量電子生產(chǎn)的MS5803-01BA數(shù)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（6.2x6.4mm)、穩(wěn)定性好、低（1.8~3.6V）、低功耗（工作電流；待機(jī)電流<)等特點(diǎn)。它備有I2C和SPI接口，采用型A/D轉(zhuǎn)換器，可輸出24位壓力和溫度數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá)0.1m。

　　MS5803-01BA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字濾波后保存在數(shù)字接口的D1和D2中，供主機(jī)讀取。

　　此外，工廠對每個(gè)傳感器都進(jìn)行溫度和壓力的標(biāo)定，并算出6個(gè)16位的標(biāo)定參數(shù)（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(jì)算機(jī)或微控制器都可以通過I2C和SPI總線與之相連，進(jìn)行氣壓和溫度數(shù)據(jù)的采集和處理。

　　2.2原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　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(gòu)成了一個(gè)便攜式氣壓高度定位原型系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。

　　2.3系統(tǒng)軟件的主要功能與流程

　　筆記本的軟件分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)相對獨(dú)立的功能模塊；前者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與存貯，后者負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與分析。

　　數(shù)據(jù)采集模塊的主要工作流程如圖3所示，啟動數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)首先通過USB-SPI接口讀取MS5803-01BA的PROM中存放的6個(gè)標(biāo)定參數(shù)C1~C6.然后讀出壓力轉(zhuǎn)換值D1和溫度轉(zhuǎn)換值D2，再算出溫度TEMP和溫度補(bǔ)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(xù)采樣。反之，就結(jié)束采樣，等待處理。

　　數(shù)據(jù)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(jīng)保存的相關(guān)氣象臺逐小時(shí)氣壓、溫度數(shù)據(jù)和對應(yīng)的測點(diǎn)氣壓、溫度記錄，再按公司（1）、公式（8）和公式（9）解算測點(diǎn)高度，最近對結(jié)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以了解高度位的精度及穩(wěn)定性。

　　3實(shí)驗(yàn)及討論

　　3.1高度定位實(shí)驗(yàn)

　　為了檢驗(yàn)根據(jù)本地氣象參數(shù)和氣壓傳感器進(jìn)行高度定位方法的效果，進(jìn)行了3種實(shí)驗(yàn)。

　　3.1.1絕對高度的測量

　　以武漢氣象站（站號：57494，經(jīng)度：30°37，緯度：114°08，海拔：23.1為參考點(diǎn)，在距其約22.6km的武漢市區(qū)某處，測量一組已知高程控制點(diǎn)的高度，所得結(jié)果如表1所示

　　3.1.2相對高度的測量

　　在一高層建筑內(nèi)，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(zhǔn)計(jì)算各層的高度，得到樓層的測量高度與真實(shí)高度的實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示。

　　結(jié)果表明，測量值與真實(shí)值非常接近，其線性回歸模型的決定系數(shù)R2>0.999。

　　3.1.3監(jiān)測固定位置高度值的時(shí)間漂移

　　仍以武漢氣象站為參考點(diǎn)，在距其約28.5km的市區(qū)某處定位置將傳感器固定，啟動監(jiān)測系統(tǒng)，以每10min為間隔1s內(nèi)連續(xù)采集10組本地氣壓和溫度，并同步記錄武漢氣象站發(fā)布的逐小時(shí)氣壓和溫度。

　　對2011年4月27日8:00到21:00的高度測量結(jié)果如表2所示。

　　結(jié)果表明，在13h的觀測時(shí)間內(nèi)，依公式（8）、公式（9)測得該點(diǎn)高度值的漂移范圍為3.7m，明顯低于公式（1）的21.4m。

　　3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

　　表1和表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與公式（1）相比，公式（7）和公式（8）和計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定，利用本地氣象的高度信息和準(zhǔn)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，可以有效提高氣壓測高的精度、減少漂移。

　　注：測點(diǎn)高度值為2011年4月27日8:00到21:00的整點(diǎn)高度測量結(jié)果。

　　雖然利用本地氣象數(shù)據(jù)能夠明顯改善氣壓高度定位的效果，但是簡單利用氣象數(shù)據(jù)對高度定位改進(jìn)效果就會受到氣象臺氣壓數(shù)據(jù)的精度和發(fā)布時(shí)間的限制。

　　例如，氣象臺的氣壓數(shù)據(jù)分辨率為0.1mbar，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)海平面0.82m的高度分辨率。另外，現(xiàn)在能夠用的氣象臺的逐小時(shí)數(shù)據(jù)，而環(huán)境氣壓在1h內(nèi)的變化可能超過1mbar，即對應(yīng)的高度值的漂移就可能超過8.2m。因此，盡管采用了高精度的氣壓傳感器，簡單利用氣象數(shù)據(jù)仍然很難將測量誤差減少到1m以內(nèi)。

　　如要進(jìn)一步提高氣壓高度定位精度和穩(wěn)定性，可考慮通過氣象數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上進(jìn)行插值，以獲得更精密、更及時(shí)的基準(zhǔn)。

　　4結(jié)束語

　　本文結(jié)合移動導(dǎo)航的需要，提出了一種以高精度數(shù)字式氣壓傳感器MS5803-01BA和本地準(zhǔn)實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的高度定位方法，并通過理論分析和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這種方法的可行性，其精度可滿足民用移動導(dǎo)航的需要。

　　相關(guān)產(chǎn)品：MS5803,MS5611,MS5607,MS5540等。

　　參考文獻(xiàn)：

　　作者：趙天成饒和昌

　　作者單位：武漢大學(xué)遙感與信息工程學(xué)院,湖北武漢430079

　　華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢,430074

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