便攜式自動氣象站在深圳機場的應(yīng)用研究

雷顯輝，袁山山，喻思涵，譚 震，植炫惠，夏昊玥

（中國民用航空深圳空中交通管理站，廣東 深圳 518000）

深圳機場位于廣東省深圳市寶安區(qū)，總占地面積28.3 km2，終端規(guī)劃3 條跑道、3 個航站區(qū)、1 個衛(wèi)星廳。目前，深圳機場擁有2 條遠距離平行跑道，能夠滿足所有民航機型起降的需求，日均保障航班1 000 余架次。由此可見，深圳機場的高效運行對跑道氣象要素的實時性與準確性有較高的要求，當(dāng)雙跑道的自觀系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，便攜式自動氣象站可作為應(yīng)急備份設(shè)備為氣象觀測員編發(fā)機場天氣報告提供數(shù)據(jù)支持。蘇小浩[1]對Vaisala 公司生產(chǎn)的MAWS201 型便攜式自動氣象站的系統(tǒng)組成和使用方法作了詳細解讀與分析；裴建宇[2]在8 個比賽場館分別安裝了3 種型號的便攜式自動氣象站，用于對風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣溫、相對濕度和氣壓等氣象要素進行實時現(xiàn)場監(jiān)測。本文以長春雨睿電子科技有限責(zé)任公司的YRQX-20A 型便攜式自動氣象站為研究對象，對其組成結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)合深圳機場運行概況及實際觀測業(yè)務(wù)工作對其功能做可行性研究，以減少因數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致遲發(fā)和漏發(fā)機場天氣報告的情況，對保障深圳機場安全高效運行具有重要意義。

1 深圳機場運行概況

1.1 基準觀測點

根據(jù)《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》第8 節(jié)第32條規(guī)定，機場氣象臺、機場氣象站應(yīng)當(dāng)結(jié)合本機場運行情況選定任一沿跑道安裝的自動氣象站所在位置作為基準觀測點，用于觀測代表機場綜合天氣狀況的氣象要素，其觀測到的地面風(fēng)、溫度、濕度、氣壓和降水量的數(shù)據(jù)用于電碼格式的機場天氣報告和機場氣候資料統(tǒng)計，并且在觀測實際業(yè)務(wù)中通報塔臺自觀系統(tǒng)數(shù)據(jù)也是以基準觀測點為標準。

目前，深圳機場實行雙跑道運行，東跑道15—33長度3 400 m，寬45 m；西跑道16—34 長度3 800 m，寬60 m；東、西跑道中心線間隔1 600 m，西跑道南端向北錯開600 m，西跑道北端向北錯開1 000 m。根據(jù)實際運行情況，選定R16 為深圳機場的基準觀測點。R16 基準觀測點位于北緯22°38′，東經(jīng)113°48′，所在跑道方向160°，海拔高度4 m，機場標高4 m。

1.2 自觀系統(tǒng)設(shè)備分布

東跑道自觀系統(tǒng)設(shè)備型號為OBMAN 型，包括3套APOS200 型獨立風(fēng)站和3 套VPF730 型前向散射儀分布在東跑道北端（以下簡稱R15）、東跑道中間端（以下簡稱R15MID）、東跑道南端（以下簡稱R33）；1 套VPF750 型前向散射儀帶天氣現(xiàn)象儀分布在R15；2 套APOS300 型自動氣象站和2 套CBME80 型云高儀分別分布在R15 和R33。

西跑道自觀系統(tǒng)設(shè)備型號為AVIMET 型，包括3套LT31 型大氣透射儀分布在西跑道北端（以下簡稱R16）、西跑道中間端（以下簡稱R16MID）、西跑道南端（以下簡稱R34）；2 套APOS200 型獨立風(fēng)站分別分布在R16 和R16MID；1 套FD12P 型前向散射儀分布在R16；2 套MAWS301 型自動氣象站和2 套CL31 型云高儀分別分布在R16 和R34。

1.3 自觀系統(tǒng)故障時氣象要素取值點順序

地面風(fēng)：R16→R16 獨立風(fēng)→R16MID→R34→R34獨立風(fēng)站→R15→R15 獨立風(fēng)站→R15MID 獨立風(fēng)站→R33→R33 獨立風(fēng)站→便攜式自動氣象站。

場面氣壓、修正海平面氣壓：R16→R34→R15→R33→振筒氣壓儀→便攜式自動氣象站。

氣溫、露點溫度、相對濕度、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量：R16→R34→R15→R33→便攜式自動氣象站。

2 YRQX-20A 型便攜式自動氣象站組成結(jié)構(gòu)

YRQX-20A 型便攜式自動氣象站是一種可移動的地面自動氣象站，可實現(xiàn)對風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度、場面氣壓、修正海平面氣壓及雨量的測量，主要用于應(yīng)急觀測，也可作為常規(guī)自動氣象站的備份。在組成結(jié)構(gòu)上具有組合氣象傳感器（風(fēng)傳感器、溫濕壓傳感器和雨量傳感器）、數(shù)據(jù)采集單元、通信單元、供電單元、顯示單元、手柄式底座、按鍵和便攜三腳架[3-4]，其分布如圖1 所示。

圖1 YRQX-20A 型便攜式自動氣象站組成機構(gòu)

2.1 組合氣象傳感器

組合氣象傳感器包括風(fēng)傳感器、溫濕壓傳感器和雨量傳感器，其測量性能見表1。其中，風(fēng)傳感器利用發(fā)送的聲波脈沖，通過時差法來實現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的測量；溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器，通過溫度與電阻的對應(yīng)關(guān)系計算出溫度值；濕度傳感器通過測量輸出直流電壓得出相應(yīng)的濕度值；氣壓傳感器通過測量薄膜變形與電阻阻值的對應(yīng)關(guān)系計算出氣壓值；雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，根據(jù)降雨量轉(zhuǎn)換為可進行計量物理信號的原理來對雨量進行測量。

表1 測量性能

組合氣象傳感器的通信接口為RS-485，其輸出數(shù)據(jù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對濕度、場面氣壓、修正海平面氣壓和雨量。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由中央處理器、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲器、外部通信接口和控制電路等部分構(gòu)成，主要完成組合氣象傳感器的數(shù)據(jù)采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行計算與存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信傳輸，并監(jiān)測充電電壓和電池電壓等工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集單元的功能結(jié)構(gòu)主要在于數(shù)據(jù)存儲器、電子羅盤傳感器、實時時鐘及外部通信接口設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式處理器，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部看門狗方案等計算和傳輸數(shù)據(jù)至顯示屏。

2.3 通信單元

通信單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)顯示終端的通信，采集單元由RS-485 接口傳輸實時觀測數(shù)據(jù)和參數(shù)信息，也可通過命令輸出歷史測量數(shù)據(jù)。其中RS-485 默認數(shù)據(jù)通信波特率為9 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無校驗，每秒通信1 次，數(shù)據(jù)以Ascii 格式傳輸，可通過命令更改波特率，同時還支持藍牙連接無線通信接收端。

2.4 供電單元

供電單元采用鋰電池組供電，單組鋰電池續(xù)航時間大于等于8 h，其中，單組鋰電池由4 節(jié)18650 鋰電池2 串2 并組成，并配有12 V 直流適配器進行充電，具有過壓、過流充電和放電保護功能。

2.5 顯示單元

顯示單元采用OLED 顯示屏，鑲嵌在手柄底座的上部。主要顯示時鐘、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對濕度、場面氣壓、修正海平面氣壓、雨量和電池電量等數(shù)據(jù)信息，顯示刷新頻率為1 s。

2.6 手柄式底座和按鍵

手柄式底座用于安裝組合氣象傳感器，手柄便于單手握持，底座上部鑲嵌顯示屏，內(nèi)部安裝采集單元線路板，顯示屏下方依次排列2 個按鍵，上數(shù)第一個按鍵為電源鍵，第二個按鍵為數(shù)據(jù)保持鍵。手柄內(nèi)部裝有電池盒，盒內(nèi)安裝鋰電池組，外部套裝防滑橡膠套。

2.7 便攜三腳架

便攜三腳架有利于自動氣象站進行移動便攜式架設(shè)，整體材料為鋁合金材質(zhì)，三腳架中間立柱設(shè)計為2節(jié)，便于收縮攜帶。三腳架收起后外形尺寸約130 mm×755 mm，重量小于等于2.9 kg。

3 使用方法

3.1 安裝環(huán)境要求

當(dāng)常規(guī)自觀數(shù)據(jù)發(fā)生故障時，應(yīng)及時把便攜式自動氣象站安裝在觀測平臺上，此時便攜式自動氣象站的屏幕應(yīng)正對目測方向。根據(jù)《民用航空氣象探測設(shè)施及探測環(huán)境管理辦法》規(guī)定，氣象觀測平臺應(yīng)當(dāng)緊鄰觀測值班室進行設(shè)立，觀測平臺與機場標高的高度差應(yīng)小于20 m。在觀測平臺上觀測員應(yīng)當(dāng)能夠目視至少1條跑道及其航空器最后進近區(qū)域。

3.2 安裝具體步驟

首先取出三腳架，打開其上端的3 個扳扣，向下延長調(diào)整至最底端后鎖緊扳扣。然后逆時針旋轉(zhuǎn)云臺底座旋鈕到可調(diào)節(jié)狀態(tài)，調(diào)整云臺至水平儀中的氣泡位于中間位置，隨即順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕進行鎖死，即可完成云臺的水平校準。之后快裝板底部箭頭沿著云臺上部箭頭方向進行滑動放置，完成放入且聽到保險栓聲音后順時針旋轉(zhuǎn)快裝板旋鈕進行鎖死固定。最后，將手柄式便攜式自動氣象站放入對應(yīng)的快裝卡槽中，調(diào)整卡槽旋鈕固定儀器即可完成架設(shè)安裝。

3.3 配置與采集數(shù)據(jù)

3.3.1 直接采集

按住便攜式自動氣象站電源鍵3 s，待屏幕點亮10 s 后顯示測量值，但由于編發(fā)機場天氣報告時需采集10 min 的風(fēng)向風(fēng)速值、穩(wěn)定的溫濕度及其他要素值，因此需將便攜式自動氣象站提前放置在觀測平臺至少10 min。

3.3.2 PC 端采集

數(shù)據(jù)面板自動以列表的形式展示所有當(dāng)前時刻采集的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。此方法需要在PC 端提前下載好相應(yīng)軟件進行串口設(shè)置[5]，利用專門的數(shù)據(jù)線連接好PC 端后設(shè)置串口號COM2、波特率9 600、數(shù)據(jù)位8、檢驗位None 及停止位1，然后配置海拔高度4 m、相對高度16 m 和采集間隔5 s。

圖2 PC 端數(shù)據(jù)面板展示

3.3.3 移動端采集

點擊APP 底部導(dǎo)航中間的數(shù)據(jù)面板，即可展示所有數(shù)據(jù)的當(dāng)前時刻采集的數(shù)據(jù)。此方法需要提前通過藍牙連接移動端，配置好海拔高度4 m、相對高度16 m和采集間隔5 s。

4 數(shù)據(jù)的可行性

為驗證數(shù)據(jù)的可行性，本次研究從觀測應(yīng)急保障的實際情況出發(fā)，把便攜式自動氣象站架設(shè)于觀測平臺測量氣溫、露點溫度、相對濕度、場面氣壓、修正海平面氣壓以及雨量，將其采集到的2022 年7 月9 日13時05 分、18 時05 分、23 時05 分以及2023 年7 月10日04 時05 分的間隔5 h 的4 個時刻值與R15、R16、R33、R34 的自觀數(shù)據(jù)進行對比。由于觀測平臺南側(cè)有建筑物遮擋，便攜式自動氣象站所采集的風(fēng)數(shù)據(jù)不具有可比性。

4.1 氣溫和露點溫度

圖3 和圖4 給出了上述4 個時刻便攜式自動氣象站所測氣溫和露點溫度與4 個跑道頭自觀數(shù)據(jù)的誤差值。整體來看，由于觀測平臺與跑道的海拔高度存在一定的高度差，使得便攜式自動氣象站所測氣溫和露點溫度較實際自觀數(shù)據(jù)偏低，同時氣溫整體誤差相比露點溫度整體誤差較小。由圖4 不難看出，便攜式自動氣象站所測氣溫與東跑道自觀數(shù)據(jù)更貼近，與西跑道自觀數(shù)據(jù)誤差較大，最大可達0.9 ℃。根據(jù)《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》要求，發(fā)布機場天氣報告時，氣溫和露點溫度以最接近的整數(shù)進行報告，分辨率為1 ℃，當(dāng)氣溫在0 ℃以上時，小數(shù)點后的數(shù)值四舍五入。而深圳機場2007—2017 年最低氣溫不低于0 ℃，氣溫和露點溫度的允許誤差范圍在±0.9 ℃，因此便攜式自動氣象站所測氣溫和露點溫度與實際自觀數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。

圖3 便攜式自動氣象站與自觀氣溫誤差

圖4 便攜式自動氣象站與自觀露點溫度誤差

4.2 相對濕度和修正海平面氣壓

根據(jù)儀器配置及多組實測數(shù)據(jù)可得，便攜式自動氣象站所測場面氣壓與修正海平面氣壓差值固定為0.5 hPa，跑道自觀所測場面氣壓與修正海平面氣壓差值固定為0.4 hPa。由于機場天氣報告中無須編發(fā)場面氣壓，故在此僅對修正海平面氣壓作對比分析。

圖5 和圖6 給出了上述4 個時刻便攜式自動氣象站所測相對濕度和修正海平面氣壓與4 個跑道頭自觀數(shù)據(jù)的誤差值?？紤]西跑道較東跑道更靠近珠江口，且觀測平臺位置處于2 條跑道中間的延長線，因此由圖5 可看出便攜式自動氣象站所測相對濕度較東跑道自觀數(shù)據(jù)偏高，但誤差較西跑道偏小，而與西跑道實際自觀數(shù)據(jù)誤差普遍達到3%。從圖6 可看出，經(jīng)配置訂正后的便攜式自動氣象站所測修正海平面氣壓與實際自觀數(shù)據(jù)高度吻合，誤差可控制在0.2 hPa 以內(nèi)，但與基準觀測點R16 自觀數(shù)據(jù)相比普遍偏高。根據(jù)相關(guān)要求規(guī)定，當(dāng)相對濕度小于等于（大于）90%時，允許誤差范圍在±3（4）%；修正海平面氣壓在機場天氣報告中的取值直接截取整數(shù)，配合深圳機場觀測實際業(yè)務(wù)要求，允許誤差在2 hPa 以內(nèi)，因此便攜式自動氣象站所測相對濕度和修正海平面氣壓與實際自觀數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。

圖5 便攜式自動氣象站與自觀相對濕度誤差

圖6 便攜式自動氣象站與自觀修正海平面氣壓誤差

綜上，各項數(shù)據(jù)（除風(fēng)數(shù)據(jù)）誤差均在地面觀測規(guī)范及行業(yè)標準要求的允許最大誤差范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)的可行性得以驗證。

5 日常維護

當(dāng)便攜式自動氣象站發(fā)生故障時，可參照表2 進行簡單排查[6]。

表2 常見故障及排除方法

6 優(yōu)點與缺點

YRQX-20A 便攜式自動氣象站具有輕量化、低功耗、易搭建和自動定北等優(yōu)勢[7]。具體表現(xiàn)在主機部分重量小于等于1.6 kg，含三腳架重量小于等于4.5 kg；功耗小于等于1 W，單組電池續(xù)航時間大于等于8 h；觀測員應(yīng)急搭建完成時間小于等于1 min；配備電子羅盤傳感器。

可儲存24 h 的每分鐘氣象要素值，同時在移動端可查看任意歷史數(shù)據(jù)并以Excel 表格輸出數(shù)據(jù)，另外PC 端還具備數(shù)據(jù)實時可視化功能，可展示最近10 組數(shù)據(jù)的趨勢曲線。

不足之處在于，目前無法接入現(xiàn)有CAMOASS 觀測編發(fā)報軟件來實時與跑道各點數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ取?/p>

7 結(jié)束語

便攜式自動氣象站是每個觀測員必須熟練掌握的工作，其作為應(yīng)急觀測業(yè)務(wù)的重要組成部分，極大地保障了航空氣象數(shù)據(jù)的實時性，有效地減少了因數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的遲發(fā)和漏發(fā)機場天氣報告的情況。未來，將研究如何提高便攜式自動氣象站數(shù)據(jù)的準確性與穩(wěn)定性，進一步提高航空運行安全保障效率。