北斗低空數(shù)字探空儀的系統(tǒng)設(shè)計

孫 寧，張穎超，毛偉民，張衛(wèi)國，夏浩然

（1.南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院，江蘇 無錫 214000；2.南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.三江學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

0 引言

低空大氣波導(dǎo)對電波傳播和探測通信系統(tǒng)等具有重要影響，由于大氣波導(dǎo)層的存在，無線電（如雷達等）系統(tǒng)會出現(xiàn)盲區(qū)[1]；電磁波波導(dǎo)傳播損耗較小，且探測距離遠遠大于普通探測距離，這種探測被稱為超視距探測[2?3]。因此，研究大氣波導(dǎo)環(huán)境和開發(fā)其應(yīng)用系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。但無論國內(nèi)外的數(shù)字探空儀，都是高空的氣象探測，探測距離遠，體積、重量過于龐大，大多數(shù)在氣象部門的固定站用的比較多，但是對于低空探測存在測量分辨率過低，體積、重量過于龐大，不適合移動[4]；而火箭探空測量距離過短、安全性不好、測量周期短、成本大，難以滿足各種低空探測的需求。所以，研發(fā)一種不僅滿足大氣波導(dǎo)探測精度要求，而且需要重量輕、體積小、使用便攜、成本低的低空數(shù)字探空儀具有重大意義[5]。

1 北斗低空數(shù)字探空系統(tǒng)概述

北斗低空數(shù)字系統(tǒng)整體示意圖如圖1 所示。大氣探空設(shè)備包括探空氣球、探空儀、接收天線、數(shù)字接收機、計算機終端以及上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用軟件、打印機等[6]。探空氣球攜帶無線探空儀升入空中，探空儀進行溫度、濕度、氣壓、風速、風向等參數(shù)的采集，利用無線通信系統(tǒng)將傳感器所采集的氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C終端[7?8]。數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用軟件對傳輸回來的氣象要素值進行數(shù)據(jù)處理、存儲及顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣邊界層氣象進行實時探測[9?10]。

圖1 探空系統(tǒng)整體框圖

2 探空儀硬件設(shè)計

硬件電路的設(shè)計主要包括單片機處理器模塊、無線發(fā)射機模塊、傳感器模塊、北斗模塊以及其他電路部分，如圖2 所示。

圖2 硬件電路設(shè)計原理圖

2.1 單片機控制模塊

本設(shè)計主要的控制芯片是TI公司的MSP430單片機。MSP430 系列單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富以及高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點，比較適合于具有低功耗要求的探空儀的開發(fā)與設(shè)計。

2.2 測量部分

在整個硬件電路設(shè)計中，主要用到的元器件有：低功耗微處理器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、附溫電阻、高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器、北斗定位模塊、北斗天線、無線發(fā)射機、發(fā)射機天線等。溫度測量采用的溫度傳感器為熱敏電阻，因其電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、體積較小、使用壽命長、測量距離遠等特點被大量運用。熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為：

式中：RT為T時的電阻值；R0為溫度為T0時的電阻值；B為常數(shù)。熱敏電阻的熱電特性曲線如圖3 所示。溫度測量接口電路如圖4 所示。

圖3 熱敏電阻的熱電特性

圖4 溫度測量接口電路

濕度測量采用濕度傳感器為高分子薄膜電容制成的濕敏電容。阻容式濕度測量基本原理是濕度分子滲透改變電容值，溫度變化改變電阻值，濕度的含量與阻容值的變化頻率成函數(shù)關(guān)系[7]。基于平板電容式濕度傳感器對微量濕度測量，由含水介質(zhì)構(gòu)成的平板電容器及其等效電路如圖5 所示。

圖5 電容式濕度傳感器及其等效電路

圖中：R是電阻，其電阻值因濕度而變化；C為電容，其值與濕度含量有關(guān)。當忽略電容的邊緣效應(yīng)時，平行板電容器電容的計算公式為：

式中：C為傳感電容；S為單塊極板的面積；d為兩極板間的距離；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，εr=所以式（2）可改寫為：

由式（3）可知，當d，S一定時，電容C的大小由相對介電常數(shù)εr決定。對于兩種成分的混合介質(zhì)而言，可將其相對介電常數(shù)寫成一般表達式：

式中：εr1為水的相對介電常數(shù)；εr1為背景氣體的相對介電常數(shù)；α為水的體積分數(shù)；1-α為背景氣體的體積分數(shù)。則平行板電容器電容的計算公式可寫為：

經(jīng)過公式推導(dǎo)可解得：

式中：K=，均為常數(shù)。由式（6）可知，大氣中的濕度含量α（體積分數(shù)）與傳感電容C的對數(shù)呈線性關(guān)系。圖6 為阻容式濕度傳感器內(nèi)部濕敏元件結(jié)構(gòu)。濕度測量電路如圖7 所示。

圖6 阻容式濕度傳感器內(nèi)部濕敏元件結(jié)構(gòu)

圖7 濕度測量電路

氣壓測量采用的壓力傳感器為NPP 系列的表面安裝的硅電橋壓力傳感器，其原理利用壓電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料電阻的變化率取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可表示為：

式中：π為壓阻系數(shù)；σ為應(yīng)力；ρ為半導(dǎo)體材料的電阻率。大氣壓力硬件電路如圖8 所示。

圖8 大氣壓力硬件電路

北斗模塊選用CC50?BG 衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊，該模塊具有出色的導(dǎo)航及定位功能，實時接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號，實現(xiàn)機動載體的實時高精度的定位、測速和授時，支持單系統(tǒng)獨立定位及多系統(tǒng)聯(lián)合定位，低成本及高性價比使其廣泛地應(yīng)用于交通、航運、氣象等領(lǐng)域。北斗模塊接口電路如圖9 所示。

圖9 北斗模塊接口電路

2.3 通信部分

數(shù)字無線發(fā)射機采用晶體振蕩器頻率合成技術(shù)，其頻率穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，可采用計算機調(diào)頻，實現(xiàn)了探空儀的數(shù)字化。探測系統(tǒng)采用P 波段頻率（403±3 MHz）。本文采用窄帶和多信道的射頻發(fā)射器芯片1070，它是一款1 GHz 以下頻帶的低功耗、片上系統(tǒng)解決方案的RF 芯片，芯片用于低功耗及低電壓無線通信應(yīng)用，調(diào)制方式支持FSK、ASK、GFSK 等。

2.4 電源部分

探空儀的供電電壓為9 V，為確保各芯片所需的電壓，分別采用不同的穩(wěn)壓模塊，使得輸出電壓分別為5 V 和3.3 V，分別在電源的輸入端和輸出端加入濾波電容，保證電壓穩(wěn)定輸出。電源電路如圖10 所示。探空儀主控電路如圖11 所示。

圖10 電源電路

圖11 探空儀主控電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 探空儀軟件設(shè)計

低空數(shù)字探空系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件設(shè)計體現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合的特點，采用模塊化設(shè)計，使得程序設(shè)計簡單化、通俗易懂以及便于修改和移植，利于以后實現(xiàn)功能擴展。

1）探空儀數(shù)據(jù)采集程序主要分為如下幾個功能模塊：氣壓、溫度以及濕度采集模塊，通信模塊等其他模塊。模塊相互之間只有數(shù)據(jù)傳遞聯(lián)系，無控制關(guān)系。探空儀程序流程圖如圖12 所示。

圖12 探空數(shù)據(jù)采集程序流程圖

系統(tǒng)上電后，MCU 對各個模塊進行初始化，并自檢系統(tǒng)，若自檢不通過則進入報警子程序。然后，啟動定時器TB 進行計時，以1 s 為定時中斷周期，輪流采集溫度、濕度、大氣壓力、經(jīng)緯度、海拔、電源電壓等數(shù)據(jù)。最后，將每個周期的數(shù)據(jù)打包通過發(fā)射模塊發(fā)送給溫濕壓廓線數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備。

2）基于實驗仿真和現(xiàn)場實測結(jié)合的相向微幅迭代算法，溫濕壓廓線數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備，將探空儀發(fā)射的溫濕壓數(shù)據(jù)進行處理，過濾出其中的盲點，分別對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，計算存儲瞬時值、極值、狀態(tài)值等信息，形成文件存儲加密后，輸出給數(shù)據(jù)通信模塊。數(shù)據(jù)處理軟件流程圖如圖13 所示。

圖13 數(shù)據(jù)處理軟件流程圖

3）數(shù)據(jù)通信軟件主要由解調(diào)信號處理、頻譜信號處理、頻譜問答信號處理組成。

①解調(diào)信號：包含溫度、氣壓、濕度等探空數(shù)據(jù)，以及GPS/BD 導(dǎo)航數(shù)據(jù)，共99 個字節(jié)，兩路數(shù)據(jù)內(nèi)容相同。在存儲和顯示時，只選擇校驗正確的一路，如果兩路都正確，任選一路即可。

②頻譜信號：頻率在400～406 MHz 之間，以每隔50 kHz 進行信號幅度的采樣，共計120 個采樣數(shù)據(jù)。

③頻譜問答信號：只作用于探空儀改頻命令。

3.2 監(jiān)測中心軟件設(shè)計

監(jiān)測中心的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)接收模塊獲取數(shù)據(jù)并解析協(xié)議包，然后將有效數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測中心實時數(shù)據(jù)顯示界面如圖14 所示。

圖14 監(jiān)測中心實時數(shù)據(jù)顯示界面

4 實驗測試比對

按照《北斗?GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星高空氣象觀測系統(tǒng)考核大綱》，在南京市氣象局進行動態(tài)比對實驗，同時施放兩個探空儀，探測高度0～3 km，一次施放一個BD?3 型探空儀，一個芬蘭RS92 型探空儀。測試對比數(shù)據(jù)如下：以芬蘭RS92高空探測系統(tǒng)的測量結(jié)果作為參考標準值，以時間同步，每隔1 s 取一次比對數(shù)據(jù)，對被試探空儀所測溫度、濕度、氣壓、位勢高度的動態(tài)測量誤差，并進行了統(tǒng)計[8]。溫度、濕度、氣壓測試數(shù)據(jù)對比圖如圖15～圖17所示。

圖15 溫度測試數(shù)據(jù)對比圖

圖17 氣壓測試數(shù)據(jù)對比圖

由圖15 可以看出，被測探空儀測量的溫度均呈隨氣壓降低，先降低后升高趨勢，最大值出現(xiàn)在近地面，以后有逐漸變?。籅D?3 型探空儀與RS92 變化趨勢基本一致，沒有明顯的系統(tǒng)誤差，最大偏差為-0.3 ℃，最小偏差0.1 ℃。說明該探空儀在溫度測量上滿足精度指標，符合設(shè)計要求。

由圖16 可以看出，被測探空儀測量的相對濕度均呈隨氣壓降低，先降低后增大的趨勢，最大值出現(xiàn)在200 s 左右，以后又逐漸變??；BD?3 型探空儀與RS92 相比，相對濕度偏低，最大偏差為5.3%RH，最小偏差為0.6%RH。說明該探空儀在濕度測量上滿足精度指標，符合設(shè)計要求。

圖16 濕度測試數(shù)據(jù)對比圖

由圖17 可以看出，被測探空儀測量的大氣壓力隨高度上升逐漸變??；BD?3 型探空儀與RS932 變化趨勢一致，偏差區(qū)間在-0.3～0.5 hPa 之間，平均偏差為-0.24 hPa。說明該探空儀在氣壓測試上滿足精度指標，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)語

低空大氣探測在現(xiàn)代氣象觀測中占有十分重要的地位，本文介紹一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的低空數(shù)字探空儀，主要介紹了探空儀的硬件模塊設(shè)計以及軟件模塊設(shè)計，探空儀將測量的溫度、濕度、氣壓、定位及測風數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)射機實現(xiàn)探空儀與監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過數(shù)次放飛試驗，進行系統(tǒng)性能測試，數(shù)據(jù)表明該探空儀統(tǒng)能較好地完成低空氣象數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測試，性能較穩(wěn)定，對于氣象科學(xué)研究具有實際意義。