海军试验气象数据处理系统设计*

马 林 昝兴海

(沈阳炮兵学院 沈阳 110867)



海军试验气象数据处理系统设计*

马 林 昝兴海

(沈阳炮兵学院 沈阳 110867)

为了使某型无线电经纬仪在海军试验气象分队应用,设计了海军试验气象数据处理系统的功能,提出了基于埃尔米特插值的探空数据处理算法和基于滑动矢量平均的测风数据处理算法。采用VC++完成了地面参数录入、装备标定、基值测定、探测数据采集、探测数据处理、数据显示六个功能模块的开发,实现了数据自动处理。满足了某型无线电经纬仪进行海军试验气象保障的需求。

海军试验; 无线电经纬仪; 数据处理; 气象

Class Number TP182

1 引言

海军武器试验气象保障是为遂行海军战略武器和常规武器试验任务提供气象信息和相应措施的专业活动[1],气象保障是否得力直接影响到试验的效果。目前装备到海军试验气象分队的某型无线电经纬仪所采用的数据处理系统是针对炮兵防空兵气象保障开发的[2],不能为海军武器试验提供所需要的气象保障数据。

海军试验气象数据处理系统是为配合某型无线电经纬仪在海军试验气象分队应用而研发的专用数据处理系统。主要完成探空数据、测风数据的采集和解码;对探测数据实施自动纠错;实时计算探空仪的高度、规定高度上的气温、气压、湿度和风向和风速,以满足海军试验气象保障的需要。该系统的成功开发与推广应用,对提高海军试验气象分队的保障能力和保障精度具有十分重要的意义。

2 系统设计

2.1 设计思路

海军试验气象数据处理系统采用Visual C++ 6.0进行开发,构建新的数学模型来处理地面及高空的探测数据。基本设计框架是能够适应海军试验气象分队实施气象保障的需要;自动化、智能化水平高,一是能对探测数据实施自动纠错,二是能对系统操作逐步提示;操作流程符合《高空气象探测规范》的规定和部队作业方法;使用新的算法和数学模型,适合计算机对数据的处理,提高探测成果的精度;通过读取无线电经纬仪操控软件提供的内存映射文件实现数据的采集;通过人机交互获取地面参量并存储,参与计算;根据数学模型对所获取的各种参量进行数据处理,得出不同高度上的所需的气象要素。

2.2 功能设计

根据海军试验气象保障的需求,气象数据处理系统主要包含地面参数录入、装备标定、基值测定、探测数据采集、探测数据处理、数据显示六个功能模块。

· 地面参数录入模块:主要完成本站名称、本站高程、本站经纬度、距放球点距离、方位、仰角等地面参数录入和保存功能。

· 装备标定模块:主要完成共同点法、反觇法和北极星法三种方法的天线角度标定功能。

基值测定模块:本模块主要完成探空仪号和检定证参数读取、地面标准气象要素录入、求取探空仪基测变量、合格判断等功能。

· 数据采集模块:主要实现探空数据和测风数据的采集,并进行智能判断数据是否有效并纠错。

数据处理模块:本模块根据录入的地面参数资料、实时探测的空中气象要素及仰角、方位角信息,实时进行探空、测风数据处理。

· 数据将显示模块:主要实现将采集到的探空数据、测风数据和计算成果显示在系统界面上,并提供气象探测报告打印功能。

2.3 数据处理算法设计

从20世纪50年代至今,气象保障一直使用传统的59-701系统的计算方法[3],此种处理算法是以牺牲计算的精度来提高作业的速度,以满足现阶段实时气象保障的需要。

2.3.1 测风数据处理算法

传统测风数据处理采用的是延长定位时间的方法。风的平均时间即是两次对气球定位之间的时间间隔。《高空气象探测规范》规定:20min及以内为1min,20min～40min之间为2min,40min及以上为4min[4～6]。

在规定X轴指向正北,Y轴指向正东的情况下,设某计算层相邻两个投影点的坐标分别为di(xi,yi)和di+1(xi+1,yi+1),用式(1)计算风速值。

(1)

式中:vi为某一层的风速值,单位m/s;Δx为气球投影点的坐标在南北方向上的变量,Δx=xi+1-xi,单位m;Δy为气球投影点的坐标在东西方向上的变量,Δy=yi+1-yi,单位m;Δt为两次观测的间隔时间,单位s。

风向的计算,先用式(2)计算在(X,Y)平面上某一象限的角度值D′。然后进行判断以得到实际的风向Di。

(2)

以上传统算法采样间隔过大,浪费掉了大量数据,若在采样时间内气球“转折”,就会缩短气流流过的实际路程,从而使气流“转折”的情况被掩盖,很难判断出风向突变[7]。为了合理利用无线电经纬仪获取的探测数据,得到更能反映实际情况空中风的数值,在文中采用滑动矢量平均的方法计算高空风。

所谓滑动矢量平均方法是将滑动窗口内的测风数据一起进行计算,在求取每个采样点气球在站心坐标平面的高度和水平距离以后,先不进行风向风速的计算,而是先求取水平距离在南北和东西方向上的距离分量,将南北和东西距离分量分别除以气球运动时间就可以得到两个风速矢量。矢量分解后对滑动窗口中所有数据将南北和东西矢量分别取平均值,将两个平均值以式(1)和式(2)合成整层的风向、风速,即是该窗口中间时刻的风向风速值。然后以1s为单位滑动窗口,也就是分别在前面去掉一组(第1s),后面按照顺序加上一组数据,使样本总数不变,用同样的方法计算第二个风向风速值,以此类推,直至探测的最后一组数据。

与传统测风方法不同的是,这种方法包括了每一规定高度层内气球运动的所有信息,对于测风装备而言数据利用率为100%。这种方法与风廓线雷达计算各层的风向风速方法是相同的,在进行气球定位方法与风廓线雷达测风进行数据比较时已得到了应用,证明是可行的。

2.3.2 探空数据处理算法

某型无线电经纬仪探测获取的温度、气压、湿度都是在时间上的离散数据,因为实施高空探测的时候一般认为探空仪所探测的数据是准确的,忽略其探测误差的影响,所以根据已探测数据采用插值这种函数逼近方法计算出某特定时间温、压、湿数据是比较适合的方式。

高空温度、气压、湿度随高度的变化是连续的,通常认为其变化率不存在突变。针对这一特点,并结合埃尔米特插值多项式不但满足插值多项式节点的函数值与被插函数的函数值相等,而且插值函数与被插函数的一阶导数的值也相等的数学特性[8],本文采用基于埃尔米特插值的探空数据处理算法。

以编号为504113213的某型电子探空仪探测数据为例,在高度1400m和2500m之间取五个采样点,采用传统算法和埃尔米特插值方法计算对应高度的温度,数据如表1所示。

表1 温度计算对比表

表1对比的共五组气温数据中,埃尔米特插值计算所得温度有三点与实际值相同,和实际值最大误差为0.03℃;反观传统算法其误差都大于0.6℃,最大误差接近1℃。由此可见,埃尔米特插值计算所得温度较传统算法值更接近于实际值。

3 系统实现

数据处理系统使用Visual C++ 6.0作为开发工具,采用模块化设计思想完成数据处理系统的开发实现。

3.1 地面参数录入模块

本模块主要完成地面参数录入功能。模块启动后操作员需输入气象站名称、气象站高程和气象站经纬度,并且当放球点距无线电经纬仪的距离超过10m时,在需在放球点参数输入栏中分别输入无线电经纬仪至放球点的仰角、方位角和水平距离值;当距离小于10m时均输入0。

3.2 装备标定模块

装备标定指的是装备天线法向(俗称机械轴)或波束(俗称电轴)的指向与地球正北方向进行直接或间接测量的过程[9],本模块根据用户需要提供三种标定方法,分别是共同点法、反觇法、北极星法。共同点法需要分别输入装备显示的天线至标定方位物的方位角和标准观测器材至标定方位物的方位角;反觇法需要输入装备显示的天线至标准观测器材的方位角和标准观测器材测量的至装备天线的方位角;北极星法需要输入装备显示的至北极星的方位角。

3.3 基值测定模块实现

探空仪是用来测量地面至35km高度范围大气温度、气压和相对湿度的高空气象探测仪器[10],如果其传感器特性不一致会影响探测结果的准确性。本模块主要完成求取探空仪基测变量、合格判断等功能。如果探空仪基值测定不合格则不能用该探空仪进行高空气象探测,需要更换新的探空仪再次基测,直至基测合格为止[11]。本模块流程如图1所示。

3.4 数据采集模块实现

本模块中数据采集是通过定时读取操控软件提供的内存映射文件来实现的。读取数据后对数据进行有效性判断,将乱码、错误数据、飞点数据剔除出去。本模块流程如图2所示。

图1 基值测定模块流程图

图2 数据采集模块流程图

3.5 数据处理模块实现

本模块采用本文提出的探空、测风数据处理算法,实时计算各层的气温、气压、风向和风速,进而得出各层的探空高度、风向、风速等数据。

3.6 数据显示模块实现

本模块采用双缓冲技术在界面上绘制时间—高度曲线、时间—温度曲线、时间—气压曲线、时间—湿度曲线、时间—方位角曲线和时间—仰角曲线,并可实时显示探测时间、风向、风速等气象数据。除此之外,本模块还可实现气象探测报告的显示和打印输出。

4 结语

本文针对海军试验气象保障需求,结合某型无线电经纬仪装备特点,在大量调研和论证的基础上提出了适合于计算机处理的海军试验气象数据处理算法,开发了海军试验气象数据处理系统。具有使用方便、运行稳定、模型先进、数据计算精度高、实时性和兼容性好等特点,能为海军试验部队提供有力的气象保障,具有良好的经济效益和广阔的推广应用前景。

[1] 李福林.中国军事百科全书(第二版)军事气象分册[M].北京:中国大百科全书出版社,2011:252-253.

[2] 马林,张本成.无线电经纬仪技术手册[M].北京:解放军出版社,2010:1-2.

[3] 吴泓,李永,郑清华,等.改进高空测风算法的试验[J].气象科学,2011,31(1):113-118.

[4] 林晔.大气探测学教程[M].北京:气象出版社,1993:288-289.

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[6] 张伟星,王晓蕾.WGS-84地心坐标系中高空风计算方法[J].气象科学,2005,25(5):484-489.

[7] 张玉存,赵炜.用矢量平均法计算空中风连续变量的方法[J].军事气象水文,2006(5):46-49.

[8] 周品,何正风.MATLAB数值分析[M].北京:机械工业出版社,2009:97-98.

[9] 曹长虹.机动雷达标定方法的研究[J].电子机械工程,2006,22(6):61-63.

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[11] 中国气象局.常规高空气象观测业务规范[M].北京:气象出版社,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

马林,男,硕士,讲师,研究方向:大气探测,弹道气象。昝兴海,男,硕士,讲师,研究方向:大气探测,弹道气象。

TP182

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.031