曾俊威，鐘曉勇，高瑞泉

（深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，廣東深圳 518040）

深圳市區(qū)域自動(dòng)氣象站網(wǎng)近10年來(lái)迅速擴(kuò)大，探測(cè)裝備不斷增加，已具備一定規(guī)模的綜合性探測(cè)網(wǎng)，其區(qū)域自動(dòng)氣象站數(shù)量已從2007年初的44站增加到2019年初的210站［1-2］?！秴^(qū)域自動(dòng)氣象站維護(hù)技術(shù)規(guī)范》［3］要求定期對(duì)風(fēng)向傳感器進(jìn)行校北。目前常用的校北儀主要有傳統(tǒng)磁羅盤(pán)和電子羅盤(pán)。傳統(tǒng)磁羅盤(pán)利用磁化后的磁針去感應(yīng)天然地磁場(chǎng)來(lái)指示方向，但如果有磁性金屬礦，或強(qiáng)磁場(chǎng)在附近，指南針的指針會(huì)發(fā)生指向偏移或漫無(wú)目的的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致無(wú)法校北；電子羅盤(pán)通常采用三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，即通過(guò)電子元器件來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)，具有體積小、精度高、可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示等優(yōu)點(diǎn)，但同樣如果周邊磁場(chǎng)環(huán)境改變也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確校北。國(guó)內(nèi)氣象行業(yè)中使用的校北儀主要為傳統(tǒng)磁羅盤(pán)（指南針）以及在地面觀測(cè)場(chǎng)上采用太陽(yáng)方位法進(jìn)行儀器設(shè)備校北，存在誤差較大和程序繁瑣的缺點(diǎn)。國(guó)際上目前主要采用三維電子羅盤(pán)進(jìn)行指北，例如輪船、飛機(jī)上普遍安裝此類設(shè)備，但在局地磁場(chǎng)干擾較大的環(huán)境下，仍無(wú)法準(zhǔn)確校北。因此，為滿足氣象上風(fēng)向5°的允許誤差，特別是提高對(duì)局地小氣候的精細(xì)化風(fēng)向觀測(cè)能力，獲取更加精確的風(fēng)向，必須配備更加精準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器。

抗干擾校北儀采用的世界上更為先進(jìn)電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)方法，其磁傳感器技術(shù)是采用Honeywell的先進(jìn)各向異性磁阻（AMR）傳感技術(shù)，傳感器采用透磁合金（Nife）薄膜能夠根據(jù)外部磁場(chǎng)變化來(lái)改變電阻系數(shù)。該薄膜材料與磁帶相似，通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾薄膜粒子的磁場(chǎng)，從而使散亂的方向轉(zhuǎn)變到固定方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)。同時(shí)抗干擾校北儀Honeywell的專利設(shè)計(jì)Set／Reset回路，以消除余磁的干擾。

1 總體設(shè)計(jì)

抗干擾校北儀總體設(shè)計(jì)分為硬件和客戶端兩部分設(shè)計(jì)：

1）硬件設(shè)計(jì)。

原理：抗干擾校北儀主要采用電子羅盤(pán)和陀螺儀相結(jié)合的方式［4］，當(dāng)電子羅盤(pán)監(jiān)測(cè)到磁場(chǎng)環(huán)境超出了允許范圍，即啟動(dòng)和調(diào)用陀螺儀數(shù)據(jù)，陀螺儀通過(guò)物理方式精確記錄傳感器旋轉(zhuǎn)的的方位角度，從而避免磁場(chǎng)的干擾，精準(zhǔn)記錄傳感器方位和姿態(tài)角度。其核心部件陀螺儀是采用Honeywell的先進(jìn)AMR以及MEMS原理的傳感技術(shù)［5］，包含 WMM（全球磁場(chǎng)模型數(shù)據(jù)庫(kù)），在任一地點(diǎn)都能在缺失GPS（或北斗）的數(shù)據(jù)情況下，準(zhǔn)確找到“真北”。其檢測(cè)風(fēng)向的角度可以達(dá)到5°內(nèi)的偏差，通過(guò)藍(lán)牙傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)的方位、姿態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，實(shí)現(xiàn)戶外簡(jiǎn)單便捷的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

輔件組成設(shè)計(jì)?？垢蓴_校北儀外殼采用的是純鋁材質(zhì)，純鋁不產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)陀螺儀更不會(huì)產(chǎn)生影響；內(nèi)部裝載藍(lán)牙，實(shí)時(shí)與移動(dòng)客戶端保持通訊聯(lián)系傳送數(shù)據(jù)；與之配套專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)套筒，便于固定在VAISALA WMT700型的超聲風(fēng)傳感器頂部進(jìn)行校北；抗干擾校北儀內(nèi)置一塊高性能的鋰電池，續(xù)航能力高達(dá)30 h，滿足野外復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行要求。

2）客戶端設(shè)計(jì)。

客戶端采用客戶／服務(wù)器（C／S）架構(gòu)，主要有5個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、手機(jī)客戶端、數(shù)據(jù)分析、服務(wù)器端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示［6］。

圖1 客戶端設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)揭苿?dòng)客戶端，傳輸數(shù)據(jù)格式為16進(jìn)制格式，數(shù)據(jù)信息中包括翻滾角、俯仰角、航向角及磁場(chǎng)值等信息。校北儀的數(shù)據(jù)采集類似于GPS數(shù)據(jù)包的主動(dòng)發(fā)送方式，一旦建立連接就會(huì)持續(xù)向客戶端傳輸數(shù)據(jù)，直到連接關(guān)閉。

（2）客戶端。

移動(dòng)客戶端是集數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)展示和上傳于一體的手機(jī)應(yīng)用程序，支持在Android、IOS操作系統(tǒng)上的手機(jī)或平板電腦上安裝。客戶端包括數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)展示和上傳等模塊。

數(shù)據(jù)解析：采集的數(shù)據(jù)格式為固定長(zhǎng)度的16進(jìn)制格式，當(dāng)客戶端與抗干擾校北儀通過(guò)藍(lán)牙建立連接后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端通過(guò)截取超過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)單位長(zhǎng)度的固定長(zhǎng)度值進(jìn)行分析解碼。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：為通過(guò)藍(lán)牙接收的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，解析并在客戶端中實(shí)時(shí)顯示，用戶可通過(guò)客戶端查看翻滾角、俯仰角、航向角及磁場(chǎng)值等信息，根據(jù)需要可進(jìn)行打開(kāi)（關(guān)閉）陀螺儀等與設(shè)備進(jìn)行交互的操作。

數(shù)據(jù)展示：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看功能，可按時(shí)段查詢或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，展示形式采用數(shù)據(jù)表格和圖表數(shù)據(jù)可視化形式。

上傳模塊：采集的數(shù)據(jù)支持一鍵上傳，通過(guò)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器。當(dāng)手機(jī)無(wú)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，上傳任務(wù)自動(dòng)掛起，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后后臺(tái)自動(dòng)傳輸。僅支持WIFI環(huán)境上傳設(shè)置，以節(jié)省手機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）數(shù)據(jù)分析。

采集的數(shù)據(jù)格式為固定長(zhǎng)度的16進(jìn)制格式，當(dāng)客戶端與抗干擾校北儀通過(guò)藍(lán)牙建立連接后，會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端通過(guò)截取超過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)單位長(zhǎng)度的固定長(zhǎng)度值進(jìn)行分析解碼。

（4）服務(wù)器端。

服務(wù)器端是基于HTTP協(xié)議的Web服務(wù)端，數(shù)據(jù)接收通過(guò)HTTP接口。接口實(shí)現(xiàn)基于JAVA-WEB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸采用json格式數(shù)據(jù)。為防止惡意請(qǐng)求，數(shù)據(jù)傳輸加密進(jìn)行身份識(shí)別。

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。建立基于站點(diǎn)的校北儀數(shù)據(jù)表，存儲(chǔ)包含站點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)間基礎(chǔ)信息，翻滾角、俯仰角、航向角及磁場(chǎng)值等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。

2 客戶端功能模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)手機(jī)客戶端擁有實(shí)況角度監(jiān)測(cè)、磁異常警告、打開(kāi)／關(guān)閉陀螺儀、上傳云端等多個(gè)功能模塊。

實(shí)況角度監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)顯示抗干擾校北儀的旋轉(zhuǎn)角度，其中包括航角度、俯仰角度、翻滾角度。界面中間的仿羅盤(pán)指針用于真實(shí)、靈敏地反映抗干擾校北儀旋轉(zhuǎn)的航向角度，即對(duì)比角度（圖2）。

磁異常警告：當(dāng)測(cè)量環(huán)境的磁場(chǎng)值超出正常閥值時(shí)顯示紅色表示警告，其中磁場(chǎng)正常閥值可以更改，陀螺儀的默認(rèn)閥值是2 858，超出閥值5%時(shí)會(huì)顯示警告（圖3）。

打開(kāi)／關(guān)閉陀螺儀：在磁場(chǎng)正常的情況可根據(jù)需要進(jìn)行打開(kāi)／關(guān)閉陀螺儀與設(shè)備進(jìn)行交互的操作。若需在磁異常的環(huán)境下找到“真北”，用戶先要在一個(gè)正常的磁場(chǎng)環(huán)境下，打開(kāi)陀螺儀再進(jìn)入到磁場(chǎng)異常的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。

圖2 實(shí)況角度監(jiān)測(cè)模塊

3 應(yīng)用案例

海洋自動(dòng)氣象站運(yùn)用。深圳市的海洋自動(dòng)氣象站安裝在海上石油平臺(tái)生產(chǎn)區(qū)域，電磁干擾強(qiáng)，其中平臺(tái)上的電磁干擾主要有2種途徑：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾主要是指由電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)公共電源線或者導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行傳輸，相互產(chǎn)生干擾的一種電磁污染；輻射干擾是指電磁波發(fā)射源向空間不斷發(fā)射電磁波形式的電磁能量所造成的干擾。傳導(dǎo)干擾需要一定的傳播介質(zhì)，即公共電源線或者導(dǎo)電物質(zhì)。由于這兩種電磁波相互干擾，會(huì)導(dǎo)致很多的電子設(shè)備造成影響。由于干擾導(dǎo)致一般的指南針或電子羅盤(pán)無(wú)法正常使用。經(jīng)測(cè)試，普通的對(duì)北工具的誤差在85°至138°。由于海平面沒(méi)有參照物，導(dǎo)致風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)對(duì)北是一項(xiàng)非常艱難的工作。平臺(tái)鉆井大型器械、電機(jī)等產(chǎn)生的電磁干擾極強(qiáng)，需采用精度較高的陀螺校北儀精確對(duì)北。采用深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)自主開(kāi)發(fā)的抗干擾校北儀，在石油平臺(tái)能有效幫助風(fēng)向傳感器對(duì)北校準(zhǔn)，該設(shè)備夾具套在VAISALAWMT700型超聲風(fēng)傳感器上，通過(guò)藍(lán)牙傳輸技術(shù)，手機(jī)接收并顯示抗干擾校北儀發(fā)出的精確度數(shù)，能快速精準(zhǔn)對(duì)北（圖4）。

圖3 磁異常警告模塊

該校北儀對(duì)深圳已部署的城市氣候站的風(fēng)向準(zhǔn)確度有明顯提高。誤差值控制在0.5°以內(nèi)，比傳統(tǒng)的磁羅盤(pán)校北誤差控制范圍提高了10倍；粗尋北時(shí)間顯著提高［7］，由原來(lái)的3～5 min降低到10 s內(nèi)。以往使用磁羅盤(pán)對(duì)風(fēng)向?qū)Ρ?，需要維護(hù)人員爬到風(fēng)桿頂部，謹(jǐn)慎細(xì)致地操作羅盤(pán)指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度；現(xiàn)在運(yùn)用抗干擾校北儀，可直接套在風(fēng)向傳感器頂部，然后隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)藍(lán)牙傳輸技術(shù)，地面人員可通過(guò)手機(jī)APP觀察航向角角度，并讓操作人員對(duì)角度進(jìn)行矯正，工作高效、安全。

圖4 海上石油平臺(tái)氣象站的超聲風(fēng)傳感器校北儀

自動(dòng)氣象站屬于高精度的多要素自動(dòng)觀測(cè)儀器，多安裝在野外高塔上，為了使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)、維護(hù)工作更安全高效，必須使用更加精準(zhǔn)便捷的校北工具［8-11］。深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)開(kāi)發(fā)的抗干擾較北儀其效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的磁羅盤(pán)顯著，而且充分發(fā)揮手機(jī)高性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)藍(lán)牙點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，多平臺(tái)APP顯示，從而簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)戶外長(zhǎng)距離對(duì)抗干擾較北儀數(shù)據(jù)讀取、記錄、分析和顯示功能；有效地簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)操作流程，縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，減低現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度并大大提高了維護(hù)人員的工作效率和安全性。更加精確的校北數(shù)據(jù)對(duì)于局地小氣候精細(xì)化觀測(cè)應(yīng)用上具有重要的推廣價(jià)值。