聶增臻，謝英偉，劉乃和

(民航重慶空管分局，重慶 401120)

0 引言

依據(jù)《民用航空機場氣象臺建設(shè)指南》，每條機場跑道應(yīng)配置2套氣壓傳感器。目前，民航大中型機場自動氣象觀測系統(tǒng)普遍采用維薩拉公司搭建的AVIMET系統(tǒng)，主流氣壓傳感器型號為PTB330。業(yè)界內(nèi)部關(guān)于AVIMET系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)采集與處理方式的資料較少的情況，機務(wù)人員對其內(nèi)部運行機制概念模糊，因此數(shù)據(jù)異常往往難以排查處置。文章結(jié)合重慶江北機場業(yè)務(wù)運行中氣壓異常處置實例，對AVIMET系統(tǒng)氣壓服務(wù)處理流程進行梳理與整合[1]。

1 原理簡述

1.1 硬件工作原理

氣壓傳感器 PTB330能在苛刻環(huán)境下精確測量壓力。氣壓計是基于 RC 震蕩和基準電容器持續(xù)測量電容性壓力[2，3]。

氣壓傳感器PTB330一般采用DB9接口，輸出波特率為9600、8、N、1串行氣壓數(shù)據(jù)。氣壓數(shù)據(jù)傳送至自動氣象站數(shù)據(jù)采集器QML201的MOD1接口，由DSU232模塊調(diào)解。QML201統(tǒng)一對氣象6要素數(shù)據(jù)封裝后將其傳送至服務(wù)器AVIMET系統(tǒng)ROA結(jié)構(gòu)下對應(yīng)的服務(wù)與對象中。

1.2 計算原理

AVIMET系統(tǒng)中氣壓傳感器PTB330測得本站氣壓PAINS。系統(tǒng)根據(jù)本站氣壓數(shù)據(jù)、高度參數(shù)和溫度參數(shù)計算修訂場面氣壓QFE和修正海壓QNH。

場面氣壓QFE計算公式為：

(1)

式中，P為儀器測量氣壓，單位：hPa；hQFE為儀器測量點高度與機場基準高度的差值，單位：m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；R為計算常量，R=287 J/kg/K；T為跑道入口點溫度，單位：K。

修正海壓QNH計算公式為：

(2)

式中，hQNH為機場參考高度，單位：m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；R為計算常量，R=287 J/kg/K；T0為計算常量，T0=288.15 K；α為計算常量，α=-0.0065 K/m。

重慶江北機場參考高度hQNH=415.6 m，則QNH=QFE·e0.04953185。

1.3 系統(tǒng)氣壓輸出

1.3.1 規(guī)范輸出

AVIMET系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議搭建的ROA結(jié)構(gòu)。ROA結(jié)構(gòu)包含“對象”和“服務(wù)”，AVIMET系統(tǒng)服務(wù)嵌入Windows底層，隨CDU開機啟動運行，對各類數(shù)據(jù)對象進行處理與分發(fā)。

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，AVIMET系統(tǒng)為氣壓數(shù)據(jù)創(chuàng)建不同的“數(shù)據(jù)對象源”進行輸出。AVIMET系統(tǒng)輸出的“氣壓數(shù)據(jù)對象源”嚴格按照MH/T 4016.9-2008《中華人民共和國民用航空行業(yè)標準》進行配置。

1.3.2 修正海平面氣壓QNH

根據(jù)規(guī)范要求，自動氣象觀測系統(tǒng)輸出QNH與QFE等重要數(shù)據(jù)。其中，修正海平面氣壓QNH為航空器以海平面為基準的唯一高度參考。

截取重慶江北機場AVIMET系統(tǒng)輸出的1組航標九氣壓數(shù)據(jù)，參考行業(yè)標準對其進行對比驗證，結(jié)果符合行業(yè)標準要求。

2 AVIMET系統(tǒng)氣壓配置

2.1 傳感器分布

重慶江北國際機場共有3條跑道，每條跑道的南北端各配置1套型號為MAWS301的自動氣象站，用于測量跑道端的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、雨量和壓強數(shù)據(jù)。6套自動氣象站分別部署于跑道02L、20R、02R、20L、03和21端，02L端為機場氣象基準點。MAWS301自動氣象站氣壓傳感器型號為PTB330，溫濕度傳感器型號為HMP155。

2.2 系統(tǒng)配置文件

AVIMET自動觀測系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)采集與處理流程中，氣壓數(shù)據(jù)處理主要配置文件為“pressure_srv.ini”、“sensor.ini”和“dualserv.ini”。

配置文件pressure_srv.ini對QFESYNOP、QFF和QFE計算所需參數(shù)進行定義，如計算修正海壓QNH所需的溫度、重力加速度、機場高度、測量范圍等參數(shù)。

3 AVIMET系統(tǒng)氣壓顯示

AVIMET系統(tǒng)主要擇取QNH、QFE、PAINS等數(shù)據(jù)進行顯示。其中，PAINS為傳感器實際測量氣壓值，QNH、QFE為基于PAINS、高度、溫度的修訂值。

3.1 場面氣壓QFE

配置文件dualserv.ini [PRESSURE_PRIMARY]字段定義氣壓輸入源優(yōu)先級，02L作為機場氣象基準點，優(yōu)先級最高。02L端傳感器正常情況下，跑道各點(02L、20R、02R、20L、03、21)的場面氣壓QFE值，均由02L端PTB330儀器測得的氣壓值PAINS根據(jù)“儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh”、 “跑道入口點溫度T”修訂到對應(yīng)跑道入口端。

根據(jù)AVIMET系統(tǒng)氣壓配置，sensor.ini文件定義DEVICE_HEIGHT=“傳感器高度”-“機場標高”=hQFE；pressure_srv.ini文件定義OUTPUT_X_HEIGHT =“跑道端頭入口高度”-“機場標高”；則儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh= DEVICE_HEIGHT- OUTPUT_X_HEIGHT=“傳感器高度”-“跑道端頭入口高度”。

若02L端PTB330儀器出現(xiàn)故障，AVIMET系統(tǒng)則根據(jù)配置文件定義的優(yōu)先級順序依次切換。

3.2 修正海平面氣壓QNH

與系統(tǒng)采用單一數(shù)據(jù)源計算場面氣壓QFE的方式不同，AVIMET系統(tǒng)在計算修正海平面氣壓QNH時，分別對跑道6個點的傳感器測量氣壓(PAINS1至PAINS6)進行修訂，修訂值分別存入PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1至QNH_TDZ6中。02L作為機場氣象基準點，其優(yōu)先級最高。02L端傳感器正常情況下，PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1數(shù)據(jù)對象將寫入海壓顯示對象PRESSURE_FSRV.QNH。若02L端PTB330儀器出現(xiàn)故障，AVIMET則根據(jù)配置文件dualserv.ini定義的海壓優(yōu)先級進行切換。

4 氣壓異常處置案例分析

4.1 海壓顯示異常處置

Sensor Control作為AVIMET系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)切換軟件，可實現(xiàn)RVR、風(fēng)向風(fēng)速、修正海壓在不同數(shù)據(jù)源間的手動、自動切換。Sensor Control的氣壓界面中，顯示的各點QNH均根據(jù)儀器自測數(shù)據(jù)PAINS與高度差hQFE修正計算。自動模式下，根據(jù)“dualserv.ini”文件定義的優(yōu)先級進行輸出。用戶可通過手動模式選取任意氣壓源修訂QNH值，在主界面進行顯示。

2017-05-18，重慶江北機場3條跑道建設(shè)及自動觀測系統(tǒng)升級項目中，機務(wù)員發(fā)現(xiàn)Sensor Control軟件中，21端海壓偏高，與其他端修訂值相差0.3～0.6 hPa。

為找到差異原因，分析海壓相關(guān)的配置文件“PRSSURE_SRV.ini”與“SENSOR.ini”中對高度的定義，形成江北機場AVIMET系統(tǒng)氣壓高度表(表1)。

表1 江北機場AVIMET系統(tǒng)氣壓高度 m

表1中，儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh=DEVICE_HEIGHT-OUTPUT_X_HEIGHT=“傳感器高度”-“跑道端頭入口高度”。根據(jù)上式，21端跑道入口高度與傳感器高度相差5.1 m，與常規(guī)明顯不符。核對原始測繪文件，21端氣壓傳感器高度為398.88 m，減去機場標高，21端DEVICE_HEIGHT實際值應(yīng)為-16.72 m，與配置文件定義的-13.3 m相差3.42 m。

為驗證3.42 m的高度差帶來的海壓差異，由式(1)、(2)進行推算，形成式(3)、(4)。

(3)

ΔQNH=ΔQFE·e0.04953185

(4)

AVIMET系統(tǒng)日志記錄2017-05-18T09：00，自動氣象站測量溫度25 ℃(T=298 K)，21端儀器測量氣壓PAINS=956.4 hPa，則ΔQFE=0.375178 hPa，ΔQNH=0.3994 hPa，與實際差異相符。

根據(jù)上述驗證，更新配置文件sensor.ini，將其21端DEVICE_HEIGHT高度配置修訂為-16.72 m后，Sensor Control界面顯示21端傳感器QNH數(shù)據(jù)正常，與其余各端差異不超過0.2 hPa。

4.2 系統(tǒng)間QNH顯示差異

2018-03-10T09：53，塔臺管制員反映“AVIMET自動觀測系統(tǒng)”面板修正海壓數(shù)據(jù)顯示1018 hPa，“綜合信息處理顯示系統(tǒng)SIPDS”面板顯示修正海壓數(shù)據(jù)為1019 hPa，相差1 hPa。

“綜合信息處理顯示系統(tǒng)SIPDS”是依據(jù)管制需求，融合重要數(shù)據(jù)的顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)顯示的QNH數(shù)據(jù)引接至“自動氣象觀測系統(tǒng)”串口航標九數(shù)據(jù)。

針對上述情況，文章根據(jù)AVIMET系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)源的定義進行分析。在航標九中的QNH數(shù)據(jù)，是對象源PRESSURE.QNHINS保留2位小數(shù)輸出的數(shù)據(jù)。對象源PRESSURE.QNHINS則是一個精確的計算值，包含8位小數(shù)；例如1，016.83063083 hPa。

按照規(guī)范標準，“AVIMET自動觀測系統(tǒng)”界面上顯示與其自帶的發(fā)報功能中QNH需整數(shù)位向下進行取整。經(jīng)檢查，“自動氣象觀測系統(tǒng)”界面顯示的QNH數(shù)據(jù)對象源為PRESSURE_FSRV.QNHINS。若服務(wù)器CDU計算到瞬時修正海平面氣壓為1，016.83063083 hPa，對象源PRESSURE_FSRV.QNHINS將對上述數(shù)據(jù)進行整數(shù)位的向下取整，界面顯示為1016 hPa。

綜上所述，“AVIMET自動觀測系統(tǒng)”與“綜合信息處理顯示系統(tǒng)SIPDS”顯示QNH取值對象不同。在某些極其特殊的情況下，數(shù)值會存在差異，例如，當PRESSURE里面的QNHINS數(shù)值為1，018.99998888時，界面會直接向下取整為1018，而航標九數(shù)據(jù)中小數(shù)部分第2位會進行四舍五入，從而變?yōu)?，019.00，導(dǎo)致系統(tǒng)間修正海壓QNH相差1 hPa的情況。

此外，QNH計算的周期為1 min，計算后AVIMET系統(tǒng)界面會同時顯示其數(shù)值。航標九中的壓力數(shù)據(jù)輸出也是以1 min為周期對外輸出，雖然周期一致，但是在時間點上會有秒級的差異，例如QNH計算和顯示是在每分鐘第15秒時完成，航標九數(shù)據(jù)中的輸出是在每分鐘第45秒完成，當時間到達09：52：15時QNH計算和輸出為1019 hpa，當?shù)竭_09：52：45時會將此1，019.00 hpa數(shù)據(jù)通過航標九進行輸出。當?shù)竭_下一周期，即09：53：15時，QNH已經(jīng)完成最新計算和顯示，數(shù)值為1018 hpa，而此時還沒有到達航標九數(shù)據(jù)的最新輸出時間，加之自身系統(tǒng)對串口數(shù)據(jù)處理的延遲，航標九數(shù)據(jù)仍為上一次的1，019.00 hpa，導(dǎo)致系統(tǒng)間修正海壓QNH相差1 hPa的情況。

為解決自動觀測系統(tǒng)界面顯示QNH向下取整，帶來讀數(shù)上的誤差，修改系統(tǒng)UI文件，將原系統(tǒng)界面頂部海壓的數(shù)據(jù)源由PRESSURE_FSRV.QNHINS改為PRESSURE_FSRV.QNHINS_DECIMAL。

4.3 溫度對QNH的影響

2018-11-06，計量檢定工作中，機務(wù)員在更換遙測站系統(tǒng)02L(TDZ1)端溫濕度傳感器時，發(fā)現(xiàn)02L端場面氣壓數(shù)據(jù)丟失、遙測站海壓數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)式(1)，場面氣壓QFE計算需要引入?yún)?shù)“跑道入口點溫度T”。經(jīng)分析，當02L端溫濕度數(shù)據(jù)缺失，將直接影響對應(yīng)點場壓數(shù)據(jù)。同時，遙測站系統(tǒng)修正海平面氣壓QNH內(nèi)部配置數(shù)據(jù)源為02L，無類似自動觀測系統(tǒng)海壓數(shù)據(jù)源的切換機制，02L端遙測場壓丟失將直接影響遙測站系統(tǒng)修正海平面氣壓數(shù)據(jù)的提供。

為驗證參數(shù)“跑道入口點溫度T”對“AVIMET自動觀測系統(tǒng)”場壓QFE、海壓數(shù)據(jù)QNH的影響，進行了02L溫濕度傳感器短時拆除工作。經(jīng)驗證，自動觀測系統(tǒng)02L端溫濕度傳感器HMP155在拆除后，并不影響02L端場壓數(shù)據(jù)的提供，即修正海壓不受影響，系統(tǒng)diagnostic軟件并未生成氣壓類相關(guān)告警。為確定其系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)量控制機制，查看配置文件“pressure_srv.ini”對溫度參數(shù)取值定義。其中，QFE溫度數(shù)據(jù)源選取字段定義如下：

TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ1″

BACKUP_TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ2″

可見，重慶機場各點場壓QFE及修正海壓QNH溫度計算參數(shù)T取值為一跑道南端(02L)，備份源為一跑道北端(20R)。同時“pressure_srv.ini”文件定義中，在主備溫度源均丟失情況下，系統(tǒng)將使用國際標準大氣(ISA)參考溫度引入計算，其字段定義如下：

ENABLE_ISA_REFERENCE_TEMPERATURE=[I]1

在國際標準大氣(ISA) 溫度模型的建立中，國際標準的基礎(chǔ)是海平面溫度15 ℃。在對流層頂以下，溫度以恒定的速率-6.5 ℃/1000 m隨著高度變化。因此，在ISA模型中被認為是理想氣體的空氣具有以下特性。

在平均海平面(MSL)：

ISA溫度=T=+15 ℃=288.15 K

在MSL以上，對流層頂以下(36，089英尺)：

ISA溫度=T-6.5 ℃·[高度(m)/1000(m)]

因此，在給定參考高度hQNH=415.6 m情況下，重慶江北機場ISA參考溫度T=12.2986 ℃，即在主用源02L與備份源20R溫度丟失的情況下，場壓、海壓的溫度計算參數(shù)將設(shè)置常數(shù)12.2986 ℃。

5 結(jié)束語

文章通過對AVIMET自動觀測系統(tǒng)氣壓數(shù)據(jù)采集與處理機制分析，結(jié)合重慶江北機場AVIMET系統(tǒng)3起氣壓異常處置實例，闡述了氣壓配置、氣壓輸出對象及溫度參數(shù)對氣壓數(shù)據(jù)的影響，對于自動觀測設(shè)備運行維護工作具有一定參考意義。