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的壓高方程。用此方程，以當(dāng)?shù)貧庀笳緸閰?shù)點，并通過互聯(lián)網(wǎng)，獲取該氣象站的準(zhǔn)實時氣象數(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)。實驗表明，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
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)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(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，但是其測試結(jié)果受天氣影響明顯，嚴(yán)重時，一天內(nèi)的定點高度漂移可達(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)實時氣象參數(shù)為基礎(chǔ)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(dǎo)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(shù)，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(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]來計算
其中PH為測點氣壓，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(huán)境的變化就可能使點高度定位產(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(jiān)測，補償氣象環(huán)境變化對測點高度測量結(jié)果的影響，提高高度定位的準(zhǔn)確性。
若測點與參考點處在同層大氣之中，設(shè)測點的高度、溫度和氣壓分別為和，設(shè)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(guān)氣象參數(shù)，就可推算測點的重力式高度，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），即可利用參考點的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對氣壓測高原理性誤差的補償。
兩個公式的區(qū)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(biāo)準(zhǔn)大氣，兩者結(jié)果相同；若對實際大氣，結(jié)果會稍有差異。
參考點氣象數(shù)據(jù)及位置參數(shù)的獲取
上述分析表明，利用相鄰參考點的實時氣象數(shù)據(jù)，有可能得到更準(zhǔn)確高度定位結(jié)果。因此，如何取得參考點的適時氣象數(shù)據(jù)就成了成功進(jìn)行氣壓測高一個前提。
文獻(xiàn){5}介紹了中國區(qū)域定位系統(tǒng)（CAPS)用的一種參考點實時氣象數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)搜集，處理后以專用報文的形式發(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。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)實時氣象數(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)報提供全國主要城市逐小時氣象數(shù)據(jù)更新。
省級氣象局能提供本省更詳細(xì)氣象實時監(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)域的逐小時氣象數(shù)據(jù).
2 氣壓測高原型系統(tǒng)的組成
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（)、穩(wěn)定性好、低（~）、低功耗（工作電流；待機(jī)電流<)等特點。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)。
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，工廠對每個傳感器都進(jìn)行溫度和壓力的標(biāo)定，并算出6個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。
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。
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)處理兩個相對獨立的功能模塊；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)氣象臺逐小時氣壓、溫度數(shù)據(jù)和對應(yīng)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(jié)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，以了解高度位的精度及穩(wěn)定性。
3 實驗及討論
高度定位實驗
為了檢驗根據(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種實驗。
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：為參考點，在距其約的武漢市區(qū)某處，測量一組已知高程控制點的高度，所得結(jié)果如表1所示
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(jié)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(shù)R2>。
監(jiān)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(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的觀測時間內(nèi)，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(jié)果的討論
表1和表2的實驗數(shù)據(jù)表明，與公式（1）相比，公式（7）和公式（8）和計算結(jié)果更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定，利用本地氣象的高度信息和準(zhǔn)實時氣象數(shù)據(jù)，可以有效提高氣壓測高的精度、減少漂移。
注：測點高度值為2011年4月27日8:00到21:00的整點高度測量結(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)布時間的限制。
例如，氣象臺的氣壓數(shù)據(jù)分辨率為，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)海平面的高度分辨率。另外，現(xiàn)在能夠用的氣象臺的逐小時數(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。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)在空間和時間上進(jìn)行插值，以獲得更精密、更及時的基準(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)實時氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的高度定位方法，并通過理論分析和實驗，驗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)：
本文作者：趙天成 饒和昌
作者單位：
1.武漢大學(xué)遙感與信息工程學(xué)院,湖北武漢430079
2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢,430074
[1]郝振海，黃圣國 高精度氣壓高度表的研制[J]，南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009（2）：134-138
HAO Zhen-hai,HUANG Sheng-guo Development of high precision barometric altimeter[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,2009(2):134-138
[2]王志剛，唐飛，王曉浩等.基于MS5534B的氣壓高度計系統(tǒng)的設(shè)計[J].MEMS器件與技術(shù)，2008(6):351-355.
WANG zhi-gang,TANG fei,WANG xiao-hao, of altimeter system based on MS5534B[J].MEMS Device&(6):351-355.
[3]宮曉琳,房建成,盛蔚.一種GPS與高精度氣壓高度表在線互標(biāo)定方法[J].電子與信息學(xué)報,2009(4);818-821.
GONG Xiao-lin,FANG Jian-cheng,SHENG Wei. A method of inter calibration for GPS and high precision barometric on line[J].Joumal of Electronics & Information Technology, 2009(4);818-821.
[4]朱定國,林燕珊,航空測試系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1990:271-275
[5]艾國祥,盛裴軒,杜金林,等,.應(yīng)用于CAPS的氣壓則高虛擬星座[J].中國科學(xué)G輯:物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),2008(12):1702-1710.
AI Guo-xiang,SHENG Pei-xuan,DU Jin-lin, altimetry system as virtual constellation applied in CAPS[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy,2008(12):1702-1710.
[6]MEAS Switzerland SA. [EB/OL].(2010-05-11)[2011-04-15]
