光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院士官學(xué)校 沈陽 110867）

1 引言

光學(xué)測風是指通過光學(xué)測風經(jīng)緯儀實時觀測空中氣球仰角、方位角，進而計算獲取空中各高度風向、風速的氣象保障模式，其以操作便捷、作業(yè)靈活受到各氣象保障分隊的青睞，可有效完成單經(jīng)緯儀觀測固定升速測風氣球測風（又稱小球測風）［1］、雙經(jīng)緯儀觀測測風氣球測風（又稱基線測風）［2～5］等作業(yè)模式下的氣象保障。在傳統(tǒng)的作業(yè)流程中，風向、風速數(shù)據(jù)多于觀測結(jié)束后通過手工作業(yè)或氣象計算器計算獲?。?］，運算效率低，處理精度差，且缺乏有效的數(shù)據(jù)通信手段，從而制約氣象分隊保障時效和訓(xùn)練效率的提升。有鑒于此，文中基于Android便攜式終端平臺和計算機終端平臺構(gòu)建了光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時精確處理及通信傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)描述

光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)立足于光學(xué)測風保障模式的特點和流程，以實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)的實時采集、實時處理、實時傳輸為目標，主要用于氣象分隊固定臺站保障和野外機動保障的測風數(shù)據(jù)處理，可實現(xiàn)以下功能。

1）測風計算?？赏瓿尚∏驕y風、基線測風兩種作業(yè)模式下的數(shù)據(jù)采集或錄入計算，實現(xiàn)各高度層風、真風、彈道風的數(shù)據(jù)處理，編制氣象報文。

2）數(shù)據(jù)管理及通信?？赏瓿蓪崟r觀測數(shù)據(jù)、歷史觀測數(shù)據(jù)、氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存儲、匯交、修訂、復(fù)算、分析等；可通過串口通信實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)采集及匯交；可通過北斗通信短報文功能［7～10］完成整分鐘數(shù)據(jù)及氣象報文的通信傳輸。

3）參數(shù)獲取。系統(tǒng)可于便攜終端完成觀測點的定位以及地面參數(shù)如基線參數(shù)、凈舉力參數(shù)等的計算獲取。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由計算機終端、便攜式終端、北斗用戶機、測風經(jīng)緯儀等部分組成。如圖1所示。

系統(tǒng)中，計算機終端采用Windows主流系統(tǒng)，作為觀測數(shù)據(jù)的管理中心，可對觀測數(shù)據(jù)進行入庫、管理、復(fù)算等；便攜式終端采用加固Android便攜式用戶機，內(nèi)置北斗模塊，可實現(xiàn)觀測點的定位、導(dǎo)航及氣象報文的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于觀測數(shù)據(jù)的實時采集、實時處理、實時傳輸，便于攜行作業(yè)。

測風經(jīng)緯儀每隔一分鐘實時采集一次觀測數(shù)據(jù)，以觀測時間、仰角、方位角的形式通過串口傳輸至便攜式終端；便攜式終端根據(jù)觀測數(shù)據(jù)實時計算各高度的風向風速信息，編制氣象報文，并可通過北斗短報文功能將其傳輸至北斗用戶機。計算機終端通過串口與北斗用戶機相連，對觀測的氣象數(shù)據(jù)進行采集和管理。便攜式終端與計算機終端可通過串口進行通信，實現(xiàn)觀測資料的入庫管理。

在小球測風作業(yè)模式中，可將便攜式終端作為數(shù)據(jù)采集處理端，計算機終端作為數(shù)據(jù)管理端；在基線測風作業(yè)模式中，兩觀測點分別配備便攜式終端及測風經(jīng)緯儀，各測風經(jīng)緯儀通過北斗模塊授時功能實現(xiàn)時間上的協(xié)同，兩觀測點可選取一處作為數(shù)據(jù)處理端，另一觀測點每隔一分鐘將采集的實時數(shù)據(jù)通過北斗模塊傳輸至數(shù)據(jù)處理終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時運算。

2.3 數(shù)據(jù)存儲與管理

由于便攜式終端存儲空間相對較小，其數(shù)據(jù)以文件形式存儲，主要存儲實時觀測資料及少量歷史觀測資料，并定期匯交至計算機終端。計算機終端作為數(shù)據(jù)主管理終端，可完成實時觀測資料、歷史觀測資料的存儲與管理，由數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)完成，主要包括系統(tǒng)基礎(chǔ)庫及觀測信息庫，如圖2所示。

其中，系統(tǒng)基礎(chǔ)庫主要存放用戶信息、用戶配置信息、通信信息、臺站信息等。觀測信息庫主要存放地面參數(shù)信息，如觀測時間、觀測地點、臺站高程、臺站經(jīng)緯度、地面風、基線參數(shù)等數(shù)據(jù)；空中觀測信息，如采集時間、仰角、方位角等數(shù)據(jù)；空中風結(jié)果數(shù)據(jù)，如各計算層風向風速、各高度真風風向風速、各彈道高度風向風速等；氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)，如氣象通報、自由報文等。

圖2 計算機終端數(shù)據(jù)庫組成圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 計算機終端數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

計算機終端數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)采用VC++與Matlab混合編程［11～12］研發(fā)，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、通信模塊組成。如圖3所示。

其中數(shù)據(jù)處理模塊用于小球測風、基線測風歷史觀測資料的數(shù)據(jù)運算或復(fù)算；數(shù)據(jù)分析模塊用于歷史觀測資料原始數(shù)據(jù)、氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)的顯示和分析；數(shù)據(jù)管理模塊可完成便攜式終端觀測資料的匯交、入庫，同時完成數(shù)據(jù)庫中歷史觀測的管理；通信模塊由串口通信、北斗通信組成，串口通信可對串口號、波特率、校驗位等進行設(shè)置，以實現(xiàn)對北斗用戶機的訪問控制，北斗通信主要完成北斗通信的地址管理以及氣象報文信息的查閱和實時接收。

分系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 計算機終端分系統(tǒng)軟件主界面

3.2 便攜式終端數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)

便攜式終端數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)基于Android編程環(huán)境研發(fā)，主要由小球測風模塊、基線測風模塊、結(jié)果顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、定位模塊、凈舉力計算模塊、基線參數(shù)計算模塊、通信模塊8個模塊組成。

小球測風模塊、基線測風模塊是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要模塊，主要用于地面參數(shù)的錄入、氣球升速的選擇、各時段測風經(jīng)緯儀仰角方位角數(shù)據(jù)的采集或錄入、以及各高度風向風速的計算。

結(jié)果顯示模塊用于各規(guī)定高度運算結(jié)果和氣象產(chǎn)品的數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示。

數(shù)據(jù)管理模塊用于少量歷史觀測資料的查看、復(fù)算、修改、刪除等管理操作，增強數(shù)據(jù)的利用率。

定位模塊用于觀測臺站的定位，可通過北斗、GPS、網(wǎng)絡(luò)及混合定位模式實現(xiàn)臺站經(jīng)緯度坐標及高斯坐標的獲取，為基線參數(shù)測量及氣象臺站高程參數(shù)的獲取提供支撐。

凈舉力計算模塊用于小球測風作業(yè)模式下固定升速的凈舉力查算，文中通過曲線擬合將氣象常用表中的離散數(shù)據(jù)連續(xù)化，根據(jù)實時氣溫、氣壓及附加物中獲取規(guī)定升速下的標準空氣密度值及凈舉力，簡化小球測風的作業(yè)準備流程。

基線參數(shù)計算模塊用于基線測風作業(yè)模式下基線長度、基線仰角、基線方位角、兩觀高程差等基線參數(shù)的計算。

通信模塊用于通串口通信和北斗通信的設(shè)置。其中串口通信可對串口參數(shù)進行設(shè)置，以實現(xiàn)與測風經(jīng)緯儀實時采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸；北斗通信用于與北斗用戶機或其他便攜式終端進行通信匹配，實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)、報文數(shù)據(jù)的通信傳輸。

數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 便攜式終端數(shù)據(jù)處理流程圖

分系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

圖6 便攜式終端分系統(tǒng)軟件主界面

4 系統(tǒng)分析

光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在保持光學(xué)測風作業(yè)靈活性的基礎(chǔ)上，通過配置便攜式終端，可實現(xiàn)測風經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)的實時采集、實時處理、實時傳輸，有效提高作業(yè)效率和保障時效性，通過計算機終端，完成數(shù)據(jù)匯交及管理，提高了野外觀測數(shù)據(jù)的利用率，對分析區(qū)域性風要素變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐。

圖7 數(shù)據(jù)處理精度對比圖

為分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的準確性，文中結(jié)合大量實裝觀測數(shù)據(jù)，分別通過光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、某型氣象計算器及手工作業(yè)模式對數(shù)據(jù)進行了比對分析。以沈陽地區(qū)2018年9月某次實裝觀測數(shù)據(jù)為例，如圖7所示。

圖中分別為各高度真風風向風速變化曲線，其中風向以密位為單位。從圖中可以看出，光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與氣象計算器處理結(jié)果具有較好的一致性，各高度風向最大誤差48密位，約2.88°，風速最大誤差0.7m/s，這主要是由于數(shù)據(jù)處理模型的差異，光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用了更為精密的矢量分解模型［13～14］。手工作業(yè)由于運算中進行了大量的簡化和近似，精度稍差，但風向風速隨高度的總體變化趨勢相同。

5 結(jié)語

本文采用北斗通信、嵌入式開發(fā)等技術(shù)，對光學(xué)測風數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行了設(shè)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、人機環(huán)程度高，可有效解決測風作業(yè)數(shù)據(jù)處理精度低、時效性差、通信傳輸難等問題，簡化測風作業(yè)流程，提升氣象分隊測風作業(yè)的訓(xùn)練效率和訓(xùn)練效果，滿足復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的測風保障需求。