航空氣象氣壓實時比對系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

潘施瑾，陳賢軍，陳華生

（民航廣西空管分局，廣西 南寧 530048）

氣壓數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的不正常事件時有發(fā)生。受人為因素、環(huán)境因素、設(shè)備因素等方面的影響，會出現(xiàn)報文或通報中的氣壓存在差錯的情況，造成飛行效率低下，危及飛行安全。例如，vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)主用氣壓傳感器靜壓孔因昆蟲飛入堵塞導(dǎo)致測量的氣壓數(shù)據(jù)異常，造成自動氣象觀測系統(tǒng)采集處理和實時顯示的修正海平面氣壓數(shù)值異常，管制員提供給機(jī)組的修正海平面氣壓數(shù)值與通播中的相差高達(dá)6 hPa。1 hPa的氣壓值相當(dāng)于8.25 m的高度，機(jī)組得到是氣壓高度誤差高達(dá)近50 m，嚴(yán)重影響航空安全。

vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)不能對昆蟲進(jìn)入氣壓傳感器靜壓孔造成氣壓數(shù)據(jù)異常進(jìn)行告警提示。而南寧機(jī)場氣象臺提供的氣壓數(shù)據(jù)來自多種設(shè)備，如vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。這就需要將所有的氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向、縱向的對比和統(tǒng)一監(jiān)控，確保提供的氣壓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，從而保障飛行安全。

1 常用3種氣壓概述

依據(jù)《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》，3種氣壓的概述如下。

本站氣壓：氣象臺、氣象站的氣壓表（或傳感器）所在高度處的氣壓。

場面氣壓（QFE）：機(jī)場標(biāo)高處的氣壓。精密進(jìn)近跑道和跑道入口低于機(jī)場標(biāo)高2 m或以上的非精密進(jìn)近跑道，場面氣壓的數(shù)值應(yīng)當(dāng)以該跑道入口的標(biāo)高為基準(zhǔn)。

修正海平面氣壓（QNH）：場面氣壓按國際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件訂正到海平面的氣壓。

2 常用氣壓計算

2.1 場面氣壓的計算

通過氣壓傳感器的海拔高度與機(jī)場標(biāo)高（或跑道入口標(biāo)高）的高度差對本站氣壓進(jìn)行氣壓訂正，得到場面氣壓。場面氣壓的計算公式如下：

式（1）中：QFE為場面氣壓，hPa；P為本站氣壓，hPa；Δh為氣壓傳感器的海拔高度與機(jī)場標(biāo)高（或跑道入口標(biāo)高）的高度差，m；g為重力加速度，m/s2；R為干空氣比氣體常數(shù)，kg·K；T為溫度，K。

根據(jù)AviMet系統(tǒng)pressure_srv.ini配置文件可知，計算QFE采用溫濕傳感器測量的實時溫度，P、Δh、g、R已設(shè)置定值。

2.2 修正海平面氣壓的計算

南寧機(jī)場采用vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)，根據(jù)vaisala廠家提供的技術(shù)資料，可得修正海平面氣壓的計算公式為：

式（2）中：QNH為修正海平面氣壓，hPa；QFE為場面氣壓，hPa；z為機(jī)場標(biāo)高，m；g為重力加速度，m/s2，R為干空氣比氣體常數(shù)，kg·K；T0為標(biāo)準(zhǔn)大氣開氏溫度，K；a為溫度遞減率，K/m。

根據(jù)AviMet系統(tǒng)pressure_srv.ini配置文件可知，z、g、R、T0、a已設(shè)置定值，QNH的值由QNF計算而來。

3 氣壓數(shù)據(jù)格式

目前，南寧機(jī)場氣象臺提供的氣壓數(shù)據(jù)來自vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端的氣壓傳感器、長春自動氣象站的氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。其中，長春氣象站位于人工觀測場，作為自動氣象觀測系統(tǒng)的備份設(shè)備；DY-100單振筒氣壓儀位于氣象觀測情報室，作為自動氣象觀測系統(tǒng)。這兩者均無法提供數(shù)據(jù)時的應(yīng)急設(shè)備。

vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)航標(biāo)9氣壓數(shù)據(jù)輸出格式[1]如下：

自動氣象觀測系統(tǒng)航標(biāo)9氣壓數(shù)據(jù)輸出格式參照MH/T 4016.9—2011《民用航空氣象第9部分：自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出格式》文件。

長春自動氣象站UDP廣播數(shù)據(jù)格式如下：

其中，num表示數(shù)據(jù)流地址編號，建議跑道南頭為03，跑道北頭為01，中間為02；time表示數(shù)據(jù)采集的時間，格式年月日時分秒14位，如：20030703123530；zdppp表示本站氣壓，指測壓儀高度處的氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5；zdqfe表示場面氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5；zdqnh表示修正海平面氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5。

DY-100單振筒氣壓儀RS-232輸出數(shù)據(jù)格式如下：2020-02-17，20：03，1011.4，1012.2，1027.4，N

格式內(nèi)容依次為時間日期、時間時分、瞬時氣壓、瞬時場面氣壓、瞬時修正海平面氣壓。

4 數(shù)據(jù)采集與存儲

采集數(shù)據(jù)軟件采用C++語言編譯，創(chuàng)建vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集線程、AMS-II-G長春自動氣象站數(shù)據(jù)采集線程和DY-100單振筒氣壓儀數(shù)據(jù)采集線程。使用SQL Server數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以便于查看歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)可視化。氣壓比對系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣壓實時比對系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4.1 vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)

步驟1：在vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)CDU服務(wù)器中tcpmsgserv.ini配置文件里添加tcp對象。

步驟2：根據(jù)步驟1新增對象中的RemoteAddress和RemotePort，建立套接字，對端口進(jìn)行監(jiān)聽。

步驟3：監(jiān)聽服務(wù)器端口，根據(jù)vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出格式進(jìn)行解析，提取Time、PAINS、QFEINS和QNHINS氣象要素的數(shù)值。

步驟4：對數(shù)值進(jìn)行入庫處理。

4.2 長春自動氣象站數(shù)據(jù)

綁定主機(jī)的IP和3018端口，建立線程對主機(jī)端口進(jìn)行監(jiān)聽。對接收到的報文進(jìn)行解析，格式如2.2所述，獲取time、zdppp、zdqfe、zdqnh氣象要素的數(shù)值。對數(shù)值進(jìn)行入庫處理。

4.3 DY-100單振筒氣壓儀數(shù)據(jù)

DY-100單振筒氣壓儀通過RS-232串口傳輸數(shù)據(jù)，需要使用串口服務(wù)器。創(chuàng)建監(jiān)聽串口的線程，設(shè)置固定時間間隔（本系統(tǒng)使用1 min），發(fā)送指令"!P1 "至振筒，振筒接收到指令后，將最近一份數(shù)據(jù)以2.3的格式發(fā)送至振筒串口。對數(shù)值進(jìn)行入庫處理。

5 數(shù)據(jù)顯示與告警

在同一界面上，顯示自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的實時氣壓數(shù)值（QFE和QNH），以及該數(shù)據(jù)生成時間，如圖2所示。

圖2 實時氣壓數(shù)據(jù)顯示與對比

同時，對自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的氣壓數(shù)值進(jìn)行監(jiān)控和比對。設(shè)置氣壓比對閾值，當(dāng)氣壓比對差值超過設(shè)置的閾值時，超出比對閾值的氣壓數(shù)值顯示變紅同時彈出數(shù)據(jù)異?；驍?shù)據(jù)未更新的告警提示框，如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)置氣壓比對閾值

圖4 告警提示框

并根據(jù)實時氣壓數(shù)值繪制當(dāng)日本場各氣壓傳感器QFE和QNH的曲線圖，如圖5和圖6所示。這直觀地顯示當(dāng)日的氣壓數(shù)值變化情況和氣壓數(shù)值的橫向及縱向比對。

天氣狀況較為穩(wěn)定時，vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)、長春氣象站和DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)差異不大；但當(dāng)一個天氣過程經(jīng)過本場時，室外氣壓變化較快，而位于觀測室內(nèi)的DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)相差較為明顯，如圖7所示。此時，DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)就不再具有參考意義。

圖5 場面氣壓QFE對比曲線

圖6 修正海平面氣壓QNH對比曲線

圖7 本場復(fù)雜天氣時的氣壓變化

6 結(jié)語

利用C++語言開發(fā)的氣壓比對系統(tǒng)，實現(xiàn)了南寧氣壓臺對所有氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。該氣壓比對系統(tǒng)讀取自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端、長春自動站、振筒氣壓儀（DY-100）的氣壓實時數(shù)據(jù)，并進(jìn)行橫向、縱向比對。當(dāng)比對差值達(dá)到設(shè)置的閾值時，產(chǎn)生告警提示框、字體變紅直到數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。同時，將當(dāng)天的氣壓數(shù)據(jù)繪制曲線圖，更直觀地查看當(dāng)日的氣壓數(shù)值變化情況。隨著民航業(yè)的發(fā)展，對氣象服務(wù)的要求與需求在不斷提高。不僅僅是氣壓數(shù)據(jù)的監(jiān)控，利用現(xiàn)有的系統(tǒng)技術(shù)資源還可以對其他氣象數(shù)據(jù)、氣象產(chǎn)品、數(shù)據(jù)傳輸、氣象設(shè)備的性能以及運行環(huán)境等方面進(jìn)行監(jiān)控，構(gòu)建一個氣象設(shè)備業(yè)務(wù)管理監(jiān)控系統(tǒng)。產(chǎn)生的告警可以提示維護(hù)人員檢查相關(guān)設(shè)備，提高設(shè)備故障排查和應(yīng)急處置效率。從而減輕氣象工作人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，更好地提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)。