馬 林 昝興海

(沈陽(yáng)炮兵學(xué)院 沈陽(yáng) 110867)

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海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬 林 昝興海

(沈陽(yáng)炮兵學(xué)院 沈陽(yáng) 110867)

為了使某型無(wú)線電經(jīng)緯儀在海軍試驗(yàn)氣象分隊(duì)?wèi)?yīng)用,設(shè)計(jì)了海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能,提出了基于埃爾米特插值的探空數(shù)據(jù)處理算法和基于滑動(dòng)矢量平均的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理算法。采用VC++完成了地面參數(shù)錄入、裝備標(biāo)定、基值測(cè)定、探測(cè)數(shù)據(jù)采集、探測(cè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示六個(gè)功能模塊的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。滿足了某型無(wú)線電經(jīng)緯儀進(jìn)行海軍試驗(yàn)氣象保障的需求。

海軍試驗(yàn); 無(wú)線電經(jīng)緯儀; 數(shù)據(jù)處理; 氣象

Class Number TP182

1 引言

海軍武器試驗(yàn)氣象保障是為遂行海軍戰(zhàn)略武器和常規(guī)武器試驗(yàn)任務(wù)提供氣象信息和相應(yīng)措施的專業(yè)活動(dòng)[1],氣象保障是否得力直接影響到試驗(yàn)的效果。目前裝備到海軍試驗(yàn)氣象分隊(duì)的某型無(wú)線電經(jīng)緯儀所采用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是針對(duì)炮兵防空兵氣象保障開發(fā)的[2],不能為海軍武器試驗(yàn)提供所需要的氣象保障數(shù)據(jù)。

海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是為配合某型無(wú)線電經(jīng)緯儀在海軍試驗(yàn)氣象分隊(duì)?wèi)?yīng)用而研發(fā)的專用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。主要完成探空數(shù)據(jù)、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的采集和解碼;對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施自動(dòng)糾錯(cuò);實(shí)時(shí)計(jì)算探空儀的高度、規(guī)定高度上的氣溫、氣壓、濕度和風(fēng)向和風(fēng)速,以滿足海軍試驗(yàn)氣象保障的需要。該系統(tǒng)的成功開發(fā)與推廣應(yīng)用,對(duì)提高海軍試驗(yàn)氣象分隊(duì)的保障能力和保障精度具有十分重要的意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Visual C++ 6.0進(jìn)行開發(fā),構(gòu)建新的數(shù)學(xué)模型來(lái)處理地面及高空的探測(cè)數(shù)據(jù)。基本設(shè)計(jì)框架是能夠適應(yīng)海軍試驗(yàn)氣象分隊(duì)實(shí)施氣象保障的需要;自動(dòng)化、智能化水平高,一是能對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施自動(dòng)糾錯(cuò),二是能對(duì)系統(tǒng)操作逐步提示;操作流程符合《高空氣象探測(cè)規(guī)范》的規(guī)定和部隊(duì)作業(yè)方法;使用新的算法和數(shù)學(xué)模型,適合計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理,提高探測(cè)成果的精度;通過(guò)讀取無(wú)線電經(jīng)緯儀操控軟件提供的內(nèi)存映射文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集;通過(guò)人機(jī)交互獲取地面參量并存儲(chǔ),參與計(jì)算;根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)所獲取的各種參量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得出不同高度上的所需的氣象要素。

2.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)海軍試驗(yàn)氣象保障的需求,氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包含地面參數(shù)錄入、裝備標(biāo)定、基值測(cè)定、探測(cè)數(shù)據(jù)采集、探測(cè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示六個(gè)功能模塊。

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

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

基值測(cè)定模塊:本模塊主要完成探空儀號(hào)和檢定證參數(shù)讀取、地面標(biāo)準(zhǔn)氣象要素錄入、求取探空儀基測(cè)變量、合格判斷等功能。

· 數(shù)據(jù)采集模塊:主要實(shí)現(xiàn)探空數(shù)據(jù)和測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的采集,并進(jìn)行智能判斷數(shù)據(jù)是否有效并糾錯(cuò)。

數(shù)據(jù)處理模塊:本模塊根據(jù)錄入的地面參數(shù)資料、實(shí)時(shí)探測(cè)的空中氣象要素及仰角、方位角信息,實(shí)時(shí)進(jìn)行探空、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理。

· 數(shù)據(jù)將顯示模塊:主要實(shí)現(xiàn)將采集到的探空數(shù)據(jù)、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和計(jì)算成果顯示在系統(tǒng)界面上,并提供氣象探測(cè)報(bào)告打印功能。

2.3 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)50年代至今,氣象保障一直使用傳統(tǒng)的59-701系統(tǒng)的計(jì)算方法[3],此種處理算法是以犧牲計(jì)算的精度來(lái)提高作業(yè)的速度,以滿足現(xiàn)階段實(shí)時(shí)氣象保障的需要。

2.3.1 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理算法

傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理采用的是延長(zhǎng)定位時(shí)間的方法。風(fēng)的平均時(shí)間即是兩次對(duì)氣球定位之間的時(shí)間間隔?！陡呖諝庀筇綔y(cè)規(guī)范》規(guī)定:20min及以內(nèi)為1min,20min～40min之間為2min,40min及以上為4min[4～6]。

在規(guī)定X軸指向正北,Y軸指向正東的情況下,設(shè)某計(jì)算層相鄰兩個(gè)投影點(diǎn)的坐標(biāo)分別為di(xi,yi)和di+1(xi+1,yi+1),用式(1)計(jì)算風(fēng)速值。

(1)

式中:vi為某一層的風(fēng)速值,單位m/s;Δx為氣球投影點(diǎn)的坐標(biāo)在南北方向上的變量,Δx=xi+1-xi,單位m;Δy為氣球投影點(diǎn)的坐標(biāo)在東西方向上的變量,Δy=yi+1-yi,單位m;Δt為兩次觀測(cè)的間隔時(shí)間,單位s。

風(fēng)向的計(jì)算,先用式(2)計(jì)算在(X,Y)平面上某一象限的角度值D′。然后進(jìn)行判斷以得到實(shí)際的風(fēng)向Di。

(2)

以上傳統(tǒng)算法采樣間隔過(guò)大,浪費(fèi)掉了大量數(shù)據(jù),若在采樣時(shí)間內(nèi)氣球“轉(zhuǎn)折”,就會(huì)縮短氣流流過(guò)的實(shí)際路程,從而使氣流“轉(zhuǎn)折”的情況被掩蓋,很難判斷出風(fēng)向突變[7]。為了合理利用無(wú)線電經(jīng)緯儀獲取的探測(cè)數(shù)據(jù),得到更能反映實(shí)際情況空中風(fēng)的數(shù)值,在文中采用滑動(dòng)矢量平均的方法計(jì)算高空風(fēng)。

所謂滑動(dòng)矢量平均方法是將滑動(dòng)窗口內(nèi)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行計(jì)算,在求取每個(gè)采樣點(diǎn)氣球在站心坐標(biāo)平面的高度和水平距離以后,先不進(jìn)行風(fēng)向風(fēng)速的計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)間就可以得到兩個(gè)風(fēng)速矢量。矢量分解后對(duì)滑動(dòng)窗口中所有數(shù)據(jù)將南北和東西矢量分別取平均值,將兩個(gè)平均值以式(1)和式(2)合成整層的風(fēng)向、風(fēng)速,即是該窗口中間時(shí)刻的風(fēng)向風(fēng)速值。然后以1s為單位滑動(dòng)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(shù)據(jù),使樣本總數(shù)不變,用同樣的方法計(jì)算第二個(gè)風(fēng)向風(fēng)速值,以此類推,直至探測(cè)的最后一組數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)方法不同的是,這種方法包括了每一規(guī)定高度層內(nèi)氣球運(yùn)動(dòng)的所有信息,對(duì)于測(cè)風(fēng)裝備而言數(shù)據(jù)利用率為100%。這種方法與風(fēng)廓線雷達(dá)計(jì)算各層的風(fēng)向風(fēng)速方法是相同的,在進(jìn)行氣球定位方法與風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較時(shí)已得到了應(yīng)用,證明是可行的。

2.3.2 探空數(shù)據(jù)處理算法

某型無(wú)線電經(jīng)緯儀探測(cè)獲取的溫度、氣壓、濕度都是在時(shí)間上的離散數(shù)據(jù),因?yàn)閷?shí)施高空探測(cè)的時(shí)候一般認(rèn)為探空儀所探測(cè)的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的,忽略其探測(cè)誤差的影響,所以根據(jù)已探測(cè)數(shù)據(jù)采用插值這種函數(shù)逼近方法計(jì)算出某特定時(shí)間溫、壓、濕數(shù)據(jù)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(xù)的,通常認(rèn)為其變化率不存在突變。針對(duì)這一特點(diǎn),并結(jié)合埃爾米特插值多項(xiàng)式不但滿足插值多項(xiàng)式節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值與被插函數(shù)的函數(shù)值相等,而且插值函數(shù)與被插函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的值也相等的數(shù)學(xué)特性[8],本文采用基于埃爾米特插值的探空數(shù)據(jù)處理算法。

以編號(hào)為504113213的某型電子探空儀探測(cè)數(shù)據(jù)為例,在高度1400m和2500m之間取五個(gè)采樣點(diǎn),采用傳統(tǒng)算法和埃爾米特插值方法計(jì)算對(duì)應(yīng)高度的溫度,數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度計(jì)算對(duì)比表

表1對(duì)比的共五組氣溫?cái)?shù)據(jù)中,埃爾米特插值計(jì)算所得溫度有三點(diǎn)與實(shí)際值相同,和實(shí)際值最大誤差為0.03℃;反觀傳統(tǒng)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(jì)算所得溫度較傳統(tǒng)算法值更接近于實(shí)際值。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用Visual C++ 6.0作為開發(fā)工具,采用模塊化設(shè)計(jì)思想完成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)。

3.1 地面參數(shù)錄入模塊

本模塊主要完成地面參數(shù)錄入功能。模塊啟動(dòng)后操作員需輸入氣象站名稱、氣象站高程和氣象站經(jīng)緯度,并且當(dāng)放球點(diǎn)距無(wú)線電經(jīng)緯儀的距離超過(guò)10m時(shí),在需在放球點(diǎn)參數(shù)輸入欄中分別輸入無(wú)線電經(jīng)緯儀至放球點(diǎn)的仰角、方位角和水平距離值;當(dāng)距離小于10m時(shí)均輸入0。

3.2 裝備標(biāo)定模塊

裝備標(biāo)定指的是裝備天線法向(俗稱機(jī)械軸)或波束(俗稱電軸)的指向與地球正北方向進(jìn)行直接或間接測(cè)量的過(guò)程[9],本模塊根據(jù)用戶需要提供三種標(biāo)定方法,分別是共同點(diǎn)法、反覘法、北極星法。共同點(diǎn)法需要分別輸入裝備顯示的天線至標(biāo)定方位物的方位角和標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)器材至標(biāo)定方位物的方位角;反覘法需要輸入裝備顯示的天線至標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)器材的方位角和標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)器材測(cè)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(cè)定模塊實(shí)現(xiàn)

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

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)

本模塊中數(shù)據(jù)采集是通過(guò)定時(shí)讀取操控軟件提供的內(nèi)存映射文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。讀取數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷,將亂碼、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、飛點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除出去。本模塊流程如圖2所示。

圖1 基值測(cè)定模塊流程圖

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

3.5 數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)

本模塊采用本文提出的探空、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)處理算法,實(shí)時(shí)計(jì)算各層的氣溫、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速,進(jìn)而得出各層的探空高度、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

3.6 數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)現(xiàn)

本模塊采用雙緩沖技術(shù)在界面上繪制時(shí)間—高度曲線、時(shí)間—溫度曲線、時(shí)間—?dú)鈮呵€、時(shí)間—濕度曲線、時(shí)間—方位角曲線和時(shí)間—仰角曲線,并可實(shí)時(shí)顯示探測(cè)時(shí)間、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。除此之外,本模塊還可實(shí)現(xiàn)氣象探測(cè)報(bào)告的顯示和打印輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)海軍試驗(yàn)氣象保障需求,結(jié)合某型無(wú)線電經(jīng)緯儀裝備特點(diǎn),在大量調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上提出了適合于計(jì)算機(jī)處理的海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理算法,開發(fā)了海軍試驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。具有使用方便、運(yùn)行穩(wěn)定、模型先進(jìn)、數(shù)據(jù)計(jì)算精度高、實(shí)時(shí)性和兼容性好等特點(diǎn),能為海軍試驗(yàn)部隊(duì)提供有力的氣象保障,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1] 李福林.中國(guó)軍事百科全書(第二版)軍事氣象分冊(cè)[M].北京:中國(guó)大百科全書出版社,2011:252-253.

[2] 馬林,張本成.無(wú)線電經(jīng)緯儀技術(shù)手冊(cè)[M].北京:解放軍出版社,2010:1-2.

[3] 吳泓,李永,鄭清華,等.改進(jìn)高空測(cè)風(fēng)算法的試驗(yàn)[J].氣象科學(xué),2011,31(1):113-118.

[4] 林曄.大氣探測(cè)學(xué)教程[M].北京:氣象出版社,1993:288-289.

[5] 高太長(zhǎng),吳維,郝曉靜,等.無(wú)源北斗探空測(cè)風(fēng)系統(tǒng)誤差分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,10(1):98-102.

[6] 張偉星,王曉蕾.WGS-84地心坐標(biāo)系中高空風(fēng)計(jì)算方法[J].氣象科學(xué),2005,25(5):484-489.

[7] 張玉存,趙煒.用矢量平均法計(jì)算空中風(fēng)連續(xù)變量的方法[J].軍事氣象水文,2006(5):46-49.

[8] 周品,何正風(fēng).MATLAB數(shù)值分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:97-98.

[9] 曹長(zhǎng)虹.機(jī)動(dòng)雷達(dá)標(biāo)定方法的研究[J].電子機(jī)械工程,2006,22(6):61-63.

[10] 張偉星,王曉蕾,陳曉穎,等.電子探空儀氣壓傳感器特性[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,12(6):696-701.

[11] 中國(guó)氣象局.常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)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(cè),彈道氣象。昝興海,男,碩士,講師,研究方向:大氣探測(cè),彈道氣象。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.031