海軍試驗氣象數據處理系統設計*

馬 林 昝興海

(沈陽炮兵學院 沈陽 110867)

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海軍試驗氣象數據處理系統設計*

馬 林 昝興海

(沈陽炮兵學院 沈陽 110867)

為了使某型無線電經緯儀在海軍試驗氣象分隊應用,設計了海軍試驗氣象數據處理系統的功能,提出了基于埃爾米特插值的探空數據處理算法和基于滑動矢量平均的測風數據處理算法。采用VC++完成了地面參數錄入、裝備標定、基值測定、探測數據采集、探測數據處理、數據顯示六個功能模塊的開發,實現了數據自動處理。滿足了某型無線電經緯儀進行海軍試驗氣象保障的需求。

海軍試驗; 無線電經緯儀; 數據處理; 氣象

Class Number TP182

1 引言

海軍武器試驗氣象保障是為遂行海軍戰略武器和常規武器試驗任務提供氣象信息和相應措施的專業活動[1],氣象保障是否得力直接影響到試驗的效果。目前裝備到海軍試驗氣象分隊的某型無線電經緯儀所采用的數據處理系統是針對炮兵防空兵氣象保障開發的[2],不能為海軍武器試驗提供所需要的氣象保障數據。

海軍試驗氣象數據處理系統是為配合某型無線電經緯儀在海軍試驗氣象分隊應用而研發的專用數據處理系統。主要完成探空數據、測風數據的采集和解碼;對探測數據實施自動糾錯;實時計算探空儀的高度、規定高度上的氣溫、氣壓、濕度和風向和風速,以滿足海軍試驗氣象保障的需要。該系統的成功開發與推廣應用,對提高海軍試驗氣象分隊的保障能力和保障精度具有十分重要的意義。

2 系統設計

2.1 設計思路

海軍試驗氣象數據處理系統采用Visual C++ 6.0進行開發,構建新的數學模型來處理地面及高空的探測數據。基本設計框架是能夠適應海軍試驗氣象分隊實施氣象保障的需要;自動化、智能化水平高,一是能對探測數據實施自動糾錯,二是能對系統操作逐步提示;操作流程符合《高空氣象探測規范》的規定和部隊作業方法;使用新的算法和數學模型,適合計算機對數據的處理,提高探測成果的精度;通過讀取無線電經緯儀操控軟件提供的內存映射文件實現數據的采集;通過人機交互獲取地面參量并存儲,參與計算;根據數學模型對所獲取的各種參量進行數據處理,得出不同高度上的所需的氣象要素。

2.2 功能設計

根據海軍試驗氣象保障的需求,氣象數據處理系統主要包含地面參數錄入、裝備標定、基值測定、探測數據采集、探測數據處理、數據顯示六個功能模塊。

· 地面參數錄入模塊:主要完成本站名稱、本站高程、本站經緯度、距放球點距離、方位、仰角等地面參數錄入和保存功能。

· 裝備標定模塊:主要完成共同點法、反覘法和北極星法三種方法的天線角度標定功能。

基值測定模塊:本模塊主要完成探空儀號和檢定證參數讀取、地面標準氣象要素錄入、求取探空儀基測變量、合格判斷等功能。

· 數據采集模塊:主要實現探空數據和測風數據的采集,并進行智能判斷數據是否有效并糾錯。

數據處理模塊:本模塊根據錄入的地面參數資料、實時探測的空中氣象要素及仰角、方位角信息,實時進行探空、測風數據處理。

· 數據將顯示模塊:主要實現將采集到的探空數據、測風數據和計算成果顯示在系統界面上,并提供氣象探測報告打印功能。

2.3 數據處理算法設計

從20世紀50年代至今,氣象保障一直使用傳統的59-701系統的計算方法[3],此種處理算法是以犧牲計算的精度來提高作業的速度,以滿足現階段實時氣象保障的需要。

2.3.1 測風數據處理算法

傳統測風數據處理采用的是延長定位時間的方法。風的平均時間即是兩次對氣球定位之間的時間間隔?！陡呖諝庀筇綔y規范》規定:20min及以內為1min,20min～40min之間為2min,40min及以上為4min[4～6]。

在規定X軸指向正北,Y軸指向正東的情況下,設某計算層相鄰兩個投影點的坐標分別為di(xi,yi)和di+1(xi+1,yi+1),用式(1)計算風速值。

(1)

式中:vi為某一層的風速值,單位m/s;Δx為氣球投影點的坐標在南北方向上的變量,Δx=xi+1-xi,單位m;Δy為氣球投影點的坐標在東西方向上的變量,Δy=yi+1-yi,單位m;Δt為兩次觀測的間隔時間,單位s。

風向的計算,先用式(2)計算在(X,Y)平面上某一象限的角度值D′。然后進行判斷以得到實際的風向Di。

(2)

以上傳統算法采樣間隔過大,浪費掉了大量數據,若在采樣時間內氣球“轉折”,就會縮短氣流流過的實際路程,從而使氣流“轉折”的情況被掩蓋,很難判斷出風向突變[7]。為了合理利用無線電經緯儀獲取的探測數據,得到更能反映實際情況空中風的數值,在文中采用滑動矢量平均的方法計算高空風。

所謂滑動矢量平均方法是將滑動窗口內的測風數據一起進行計算,在求取每個采樣點氣球在站心坐標平面的高度和水平距離以后,先不進行風向風速的計算,而是先求取水平距離在南北和東西方向上的距離分量,將南北和東西距離分量分別除以氣球運動時間就可以得到兩個風速矢量。矢量分解后對滑動窗口中所有數據將南北和東西矢量分別取平均值,將兩個平均值以式(1)和式(2)合成整層的風向、風速,即是該窗口中間時刻的風向風速值。然后以1s為單位滑動窗口,也就是分別在前面去掉一組(第1s),后面按照順序加上一組數據,使樣本總數不變,用同樣的方法計算第二個風向風速值,以此類推,直至探測的最后一組數據。

與傳統測風方法不同的是,這種方法包括了每一規定高度層內氣球運動的所有信息,對于測風裝備而言數據利用率為100%。這種方法與風廓線雷達計算各層的風向風速方法是相同的,在進行氣球定位方法與風廓線雷達測風進行數據比較時已得到了應用,證明是可行的。

2.3.2 探空數據處理算法

某型無線電經緯儀探測獲取的溫度、氣壓、濕度都是在時間上的離散數據,因為實施高空探測的時候一般認為探空儀所探測的數據是準確的,忽略其探測誤差的影響,所以根據已探測數據采用插值這種函數逼近方法計算出某特定時間溫、壓、濕數據是比較適合的方式。

高空溫度、氣壓、濕度隨高度的變化是連續的,通常認為其變化率不存在突變。針對這一特點,并結合埃爾米特插值多項式不但滿足插值多項式節點的函數值與被插函數的函數值相等,而且插值函數與被插函數的一階導數的值也相等的數學特性[8],本文采用基于埃爾米特插值的探空數據處理算法。

以編號為504113213的某型電子探空儀探測數據為例,在高度1400m和2500m之間取五個采樣點,采用傳統算法和埃爾米特插值方法計算對應高度的溫度,數據如表1所示。

表1 溫度計算對比表

表1對比的共五組氣溫數據中,埃爾米特插值計算所得溫度有三點與實際值相同,和實際值最大誤差為0.03℃;反觀傳統算法其誤差都大于0.6℃,最大誤差接近1℃。由此可見,埃爾米特插值計算所得溫度較傳統算法值更接近于實際值。

3 系統實現

數據處理系統使用Visual C++ 6.0作為開發工具,采用模塊化設計思想完成數據處理系統的開發實現。

3.1 地面參數錄入模塊

本模塊主要完成地面參數錄入功能。模塊啟動后操作員需輸入氣象站名稱、氣象站高程和氣象站經緯度,并且當放球點距無線電經緯儀的距離超過10m時,在需在放球點參數輸入欄中分別輸入無線電經緯儀至放球點的仰角、方位角和水平距離值;當距離小于10m時均輸入0。

3.2 裝備標定模塊

裝備標定指的是裝備天線法向(俗稱機械軸)或波束(俗稱電軸)的指向與地球正北方向進行直接或間接測量的過程[9],本模塊根據用戶需要提供三種標定方法,分別是共同點法、反覘法、北極星法。共同點法需要分別輸入裝備顯示的天線至標定方位物的方位角和標準觀測器材至標定方位物的方位角;反覘法需要輸入裝備顯示的天線至標準觀測器材的方位角和標準觀測器材測量的至裝備天線的方位角;北極星法需要輸入裝備顯示的至北極星的方位角。

3.3 基值測定模塊實現

探空儀是用來測量地面至35km高度范圍大氣溫度、氣壓和相對濕度的高空氣象探測儀器[10],如果其傳感器特性不一致會影響探測結果的準確性。本模塊主要完成求取探空儀基測變量、合格判斷等功能。如果探空儀基值測定不合格則不能用該探空儀進行高空氣象探測,需要更換新的探空儀再次基測,直至基測合格為止[11]。本模塊流程如圖1所示。

3.4 數據采集模塊實現

本模塊中數據采集是通過定時讀取操控軟件提供的內存映射文件來實現的。讀取數據后對數據進行有效性判斷,將亂碼、錯誤數據、飛點數據剔除出去。本模塊流程如圖2所示。

圖1 基值測定模塊流程圖

圖2 數據采集模塊流程圖

3.5 數據處理模塊實現

本模塊采用本文提出的探空、測風數據處理算法,實時計算各層的氣溫、氣壓、風向和風速,進而得出各層的探空高度、風向、風速等數據。

3.6 數據顯示模塊實現

本模塊采用雙緩沖技術在界面上繪制時間—高度曲線、時間—溫度曲線、時間—氣壓曲線、時間—濕度曲線、時間—方位角曲線和時間—仰角曲線,并可實時顯示探測時間、風向、風速等氣象數據。除此之外,本模塊還可實現氣象探測報告的顯示和打印輸出。

4 結語

本文針對海軍試驗氣象保障需求,結合某型無線電經緯儀裝備特點,在大量調研和論證的基礎上提出了適合于計算機處理的海軍試驗氣象數據處理算法,開發了海軍試驗氣象數據處理系統。具有使用方便、運行穩定、模型先進、數據計算精度高、實時性和兼容性好等特點,能為海軍試驗部隊提供有力的氣象保障,具有良好的經濟效益和廣闊的推廣應用前景。

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[11] 中國氣象局.常規高空氣象觀測業務規范[M].北京:氣象出版社,2010:6-7.

Meteorological Data Processing System for Naval Test

MA Lin ZAN Xinghai

(Shenyang Artillery Academy, Shenyang 110867)

In order to make radio theodolite work at navy test site, the meteorological data processing system’s function is designed, and sounding data processing algorithm which based on Hermite interpolation, and wind data processing algorithm which based on sliding vector average are proposed. The VC++ is used to complete the parameters of ground input, equipment calibration, base value determination, detection data acquisition, data processing, data display of six function module development, realize the data automatic processing, meet the needs of meteorological service.

navy test, radio theodolite, data processing, meteorological

2014年7月8日,

2014年8月27日

馬林,男,碩士,講師,研究方向:大氣探測,彈道氣象。昝興海,男,碩士,講師,研究方向:大氣探測,彈道氣象。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.031