一种基于MS5803和气象数据的高度测量方法

赵天成，饶和昌

（1.武汉大学遥感与信息工程学院，湖北武汉430079；2.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074）

基于GPS的各类便携式导航设备的应用日渐普及，另一方面，GPS在地面的垂直定位精度不高、甚至受城市道路环境的影响，导致定位精度下降甚至无法定位，因此，其应用受到限制。为此，人们寻求不同的方法，改善特殊环境下GPS的定位效果，其中方法之一就是采用气压高度计来辅助GPS导航定位。

利用气压测量高度具有简便易行的特点，但是其测量结果受天气影响明显，严重时，一天内的定点高度漂移可达数十米之多。因此，如何提高气压高度测量的精度，就成为定位及导航技术中急需解决的难题[1-3]。

为此，笔者提出一种以MS5803-01BA数字式气压传感器和当地准实时气象参数为基础的高度定位方法，并通过理论和实验，说明这种方法的可行性。其精度可满足民用移动导航的需要。

1 气压的高度测量原理及其误差补偿

1.1 气压高度测量原理

利用气压测量高度是成熟技术，其工作原理就通过测量测点上方气柱的重力，间接推算测点在地球等重力势面法线方向上的位置，这种高度又称重力势高度。若不考虑高程异常，可不区分几何高度与重力势高度的差别。

在标准大气条件下，重力势高度可用标准压高方程[4]来计算

其中，PH为测点气压，β为本层温度梯度系数，gn为标准重力加速度，Tb、Pb和Hb分别为本层温度、气压和高度的下限值。以对流层（H=0-11 km）为例，Hb=0 m，β=-6.5℃/km，Tb=15℃，Pb=1 013.25 mbar。

直接采用式（1），可以大致估算出测点的高度H，但是由于压高公式原理性误差及其他因素的影响，测点周围气象环境的变化就可能使测点高度定位产生较大的误差，漂移范围可达每天数十米之多。为了减少这种误差，可以考虑在测点附近寻找一个高度已知的参考点，通过对该参考点温度、压力的监测，补偿气象环境变化对测点高度测量结果的影响，提高高度定位的准确性。

若测点与参考点处在同层大气之中，设测点的高度、温度和气压分别为Hm、Tm和Pm，设参考点的高度、温度和气压分别为Hr、Tr和Pr，由式（1）则有

式（2）减式（3）得

另一方面，由本层的温度与高度的关系有

将式（3）带入式（5），可得

再将式（7）带入式（4），整理可得

注意到式（6），则有

式（8）和式（9）表明，只要知道同层之中参考点的高度及相关气象参数，就可推算测点的重力式高度，其结果与该层大气底面的状况无关。换而言之，通过式（8）和式（9），即可利用参考点的相关数据，实现对气压测高原理性误差的补偿。

两个公式的区别在于：计算时，式（8）用的是参考点温度Tr，式（9）用的是测点温度Tm。若为标准大气，两者结果相同；若对实际大气，结果会稍有差异。

1.2 参考点气象数据及位置参数的获取

上述分析表明，利用相邻参考点的实时气象数据，有可能得到更准确高度定位结果。因此，如何取得参考点的适时气象数据就成了成功进行气压测高一个前提。

文献[5]介绍了中国区域定位系统（CAPS）用的一种参考点实时气象数据获取方法，其核心是将中国及其周边1 860个气象自动站的数据搜集、处理后以专用报文的形式发送给其终端用户。这种方法相对封闭，普通移动定位导航系统无法使用。

事实上，经过多年建设，气象系统已经建成了覆盖全国的气象自动站，如国家级的自动站就有2 500多个。这些自动站测量数据都会在气象专业网站上发布，任何人都可以通过互联网获得自己所在地区的准实时气象数据。例如：

中国气象局的中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn/）不仅能提供每日4次数据更新，还能提供相应气象台站的海拔高度数据。

中央气象台的城市天气预报（http://www.weather.gov.cn/）提供全国主要城市逐小时气象数据更新。

省级气象局能提供本省更详细气象实时监测数据，如湖北省气象与生态自动监测站网（http://zdz.hbqx.gov.cn/bzqy.php）可提供全省县级区域的逐小时气象数据。

2 气压测高原型系统的组成

2.1 气压传感器

为了满足便携式导航定位设备的需要，经反复对比，决定选用瑞士精量电子生产的MS5803-01BA数字式气压传感器[6]。

MS5803-01BA是新一代高精度气压传感器模块，具有体积小（6.2×6.4 mm）、稳定性好、低电压（1.8～3.6 V）、低功耗（工作电流1 μA；待机电流＜0.15 μA）等特点。它备有I2C和SPI接口，采用Δ-Σ型A/D转换器，可输出24位压力和温度数字信号，转换时间最快1 ms。量程为10～1300 mbar，工作温度为-40～+85℃，可气密封装，尤其适合户外气压及高度测量，其高度分辨率可达0.1 m。

MS5803-01BA的内部结构如图1所示。由惠斯顿电桥组成传感器，既可检测绝对压力，也可检测温度，具体由多路开关切换：取电桥的差模信号检测压力，取电桥的共模信号检测温度。放大后的压力或温度信号由ADC转换成数字量，经数字滤波后保存在数字接口的D1和D2中，供主机读取。

图1 MS5803-01AB的内部结构Fig.1 Structure diagram of MS5803-01AB

此外，工厂对每个传感器都进行了温度和压力的标定，并算出6个16位的标定参数（C1～C6）存放在128位的PROM中，它们的具体含义参见图3。

MS5803使用起来非常方便，任何计算机或微控制器都可以通过I2C或SPI总线与之相连，进行气压和温度数据的采集和处理。

2.2 原型系统结构

为了方便算法研究，这里用MS5803气压传感器和笔记本电脑及USB-SPI适配器构成了一个便携式气压高度定位原型系统，其系统结构框图如图2所示。

图2 便携式气压测高原型系统结构Fig.2 Structure diagram of a portable barometric altimetry prototype

MS5803选择为SPI接口方式，直接与USB-SPI适配器的SPI端相连。GY7502型USB-SPI适配器一头插入笔记本电脑，另一头直接与传感器相连。

2.3 系统软件的主要功能与流程

笔记本的软件分为数据采集和数据处理两个相对独立的功能模块：前者负责数据的采集与存贮，后者负责数据的处理与分析。

数据采集模块的主要工作流程如图3所示，启动数据采集后，系统首先通过USB-SPI接口读取MS5803-01BA的PROM中存放的6个标定参数C1～C6，然后读出压力转换值D1和温度转换值D2，再算出温度TEMP和温度补偿后的压力P，并把温度TEMP和压力P写入文件。如无停止信号，就回头继续采样。反之，就结束采样，等待处理。

图3 数据采集模块主要工作流程Fig.3 Flow chart of data acquisition module

数据处理主要在Excel中完成，基本工作流程如图4所示。先读入已经保存的相关气象台逐小时气压、温度数据和对应的测点气压、温度记录，再按公式（1）、公式（8）和公式（9）解算测点高度，最后对结算结果进行统计分析，以了解高度定位的精度及稳定性。

图4 数据处理模块主要工作流程Fig.4 Flow chart of data processing module

3 实验及讨论

3.1 高度定位实验

为了检验根据本地气象参数和气压传感器进行高度定位方法的效果，进行了3种实验。

3.1.1 绝 对高度的测量

以武汉气象站（站号:57494，经度:30°37’，纬度:114°08’，海拔:23.1 m）为参考点，在距其约22.6 km的武汉市区某处，测量一组已知高程控制点的高度，所得结果如表1所示。

表1 绝对高度的测量Tab.1 Measurement of absolute altitude

3.1.2 相 对高度的测量

在一高层建筑内，从22层开始，沿消防通道下行，检测并记录各楼层窗台的气压和温度，最后以底层的气压和温度为基准计算各层的高度，得到楼层的测量高度与真实高度的实验曲线如图5所示。

图5 相对高度的测量Fig.5 Measurement of relative height

结果表明，测量值与真实值非常接近，其线性回归模型的决定系数R2＞0.999。

3.1.3 监 测固定位置高度值的时间漂移

仍以武汉气象站为参考点，在距其约28.5 km的市区某处固定位置将传感器固定，启动检测系统，以每10 min为间隔在1 s内连续采集10组本地气压和温度，并同步记录武汉气象站发布的逐小时气压和温度。

对2011年4月27日8:00到21:00的高度测量结果如表2所示。

结果表明，在13 h的观测时间内，依公式（8）、公式（9）测得该点高度值的漂移范围为3.7 m，明显低于公式（1）的21.4 m。

3.2 实验结果的讨论

表1和表2的实验数据表明，与公式（1）相比，公式（7）和公式（8）的计算结果更准确、更稳定，利用本地气象站的高度信息和准实时气象数据，可以有效提高气压测高的精度、减少漂移。

表2 固定点高度测量值的漂移Tab.2 Measured altitude drift of a fixed point

虽然利用本地气象数据能够明显改善气压高度定位的效果，但是简单利用气象数据对高度定位改进效果就会受到气象台气压数据的精度和发布时间的限制。

例如，气象台的气压数据分辨率为0.1 mbar，相当于标准海平面0.82 m的高度分辨率。另外，现在能够用的是气象台的逐小时数据，而环境气压在1 h内的变化可能超过1 mbar，即对应的高度值的漂移就可能超过8.2 m。因此，尽管采用了高精度的气压传感器，简单利用气象数据仍然很难将测量误差减少到1 m以内。

如要进一步提高气压高度定位精度和稳定性，可考虑通过对气象数据在空间和时间上进行插值，以获得更精密、更及时的基准。

4 结束语

本文结合移动导航的需要，提出了一种以高精度数字式气压传感器MS5803-01BA和本地准实时气象数据为基础的高度定位方法，并通过理论分析和实验，验证这种方法的可行性，其精度可满足民用移动导航的需要。

[1]郝振海，黄圣国.高精度气压高度表的研制[J].南京航空航天大学学报，2009（2）:134-138.

HAO Zhen-hai，HUANG Sheng-guo.Development of high precisionbarometric altimeter[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2009（2）:134-138.

[2]王志刚，唐飞，王晓浩，等.基于MS5534B的气压高度计系统的设计[J].MEMS器件与技术，2008（6）:351-355.

WANG Zhi-gang，TANG Fei，WANG Xiao-hao，et al.Design of altimeter system based on MS5534B[J].MEMS Device&Technology，2008（6）:351-355.

[3]宫晓琳，房建成，盛蔚.一种GPS与高精度气压高度表在线互标定方法[J].电子与信息学报，2009（4）:818-821.

GONG Xiao-lin，FANG Jian-cheng，SHENG Wei.A method of intercalibration for GPS and high precision baro-altimeter on line[J].Journal of Electronics&Information Technology，2009（4）:818-821.

[4]朱定国，林燕珊.航空测试系统[M].北京:国防工业出版社，1990:271-275.

[5]艾国祥，盛裴轩，杜金林，等.应用于CAPS的气压测高虚拟星座[J].中国科学G辑:物理学力学天文学，2008（12）:1702-1710.

AI Guo-xiang，SHENG Pei-xuan，DU Jin-lin，et al.Barometric altimetry system as virtual constellation applied in CAPS[J].Science in China Series G:Physics Mechanics and Astronomy，2008（12）:1702-1710.

[6]MEAS Switzerland SA.DS-MS5803-01BA.pdf[EB/OL].（2010-05-11）[2011-04-15].http://www.intersema.ch/index.php?option=com_rubberdoc&view=doc&id=88&format=raw.