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        航空氣象氣壓實時比對系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-12-09 09:12:48潘施瑾陳賢軍陳華生
        科技與創(chuàng)新 2022年23期
        關(guān)鍵詞:海平面氣象站氣壓

        潘施瑾,陳賢軍,陳華生

        (民航廣西空管分局,廣西 南寧 530048)

        氣壓數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致的不正常事件時有發(fā)生。受人為因素、環(huán)境因素、設(shè)備因素等方面的影響,會出現(xiàn)報文或通報中的氣壓存在差錯的情況,造成飛行效率低下,危及飛行安全。例如,vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)主用氣壓傳感器靜壓孔因昆蟲飛入堵塞導(dǎo)致測量的氣壓數(shù)據(jù)異常,造成自動氣象觀測系統(tǒng)采集處理和實時顯示的修正海平面氣壓數(shù)值異常,管制員提供給機組的修正海平面氣壓數(shù)值與通播中的相差高達6 hPa。1 hPa的氣壓值相當于8.25 m的高度,機組得到是氣壓高度誤差高達近50 m,嚴重影響航空安全。

        vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)不能對昆蟲進入氣壓傳感器靜壓孔造成氣壓數(shù)據(jù)異常進行告警提示。而南寧機場氣象臺提供的氣壓數(shù)據(jù)來自多種設(shè)備,如vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。這就需要將所有的氣壓數(shù)據(jù)進行橫向、縱向的對比和統(tǒng)一監(jiān)控,確保提供的氣壓數(shù)據(jù)準確無誤,從而保障飛行安全。

        1 常用3種氣壓概述

        依據(jù)《民用航空氣象地面觀測規(guī)范》,3種氣壓的概述如下。

        本站氣壓:氣象臺、氣象站的氣壓表(或傳感器)所在高度處的氣壓。

        場面氣壓(QFE):機場標高處的氣壓。精密進近跑道和跑道入口低于機場標高2 m或以上的非精密進近跑道,場面氣壓的數(shù)值應(yīng)當以該跑道入口的標高為基準。

        修正海平面氣壓(QNH):場面氣壓按國際標準大氣條件訂正到海平面的氣壓。

        2 常用氣壓計算

        2.1 場面氣壓的計算

        通過氣壓傳感器的海拔高度與機場標高(或跑道入口標高)的高度差對本站氣壓進行氣壓訂正,得到場面氣壓。場面氣壓的計算公式如下:

        式(1)中:QFE為場面氣壓,hPa;P為本站氣壓,hPa;Δh為氣壓傳感器的海拔高度與機場標高(或跑道入口標高)的高度差,m;g為重力加速度,m/s2;R為干空氣比氣體常數(shù),kg·K;T為溫度,K。

        根據(jù)AviMet系統(tǒng)pressure_srv.ini配置文件可知,計算QFE采用溫濕傳感器測量的實時溫度,P、Δh、g、R已設(shè)置定值。

        2.2 修正海平面氣壓的計算

        南寧機場采用vaisala自動氣象觀測系統(tǒng),根據(jù)vaisala廠家提供的技術(shù)資料,可得修正海平面氣壓的計算公式為:

        式(2)中:QNH為修正海平面氣壓,hPa;QFE為場面氣壓,hPa;z為機場標高,m;g為重力加速度,m/s2,R為干空氣比氣體常數(shù),kg·K;T0為標準大氣開氏溫度,K;a為溫度遞減率,K/m。

        根據(jù)AviMet系統(tǒng)pressure_srv.ini配置文件可知,z、g、R、T0、a已設(shè)置定值,QNH的值由QNF計算而來。

        3 氣壓數(shù)據(jù)格式

        目前,南寧機場氣象臺提供的氣壓數(shù)據(jù)來自vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端的氣壓傳感器、長春自動氣象站的氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。其中,長春氣象站位于人工觀測場,作為自動氣象觀測系統(tǒng)的備份設(shè)備;DY-100單振筒氣壓儀位于氣象觀測情報室,作為自動氣象觀測系統(tǒng)。這兩者均無法提供數(shù)據(jù)時的應(yīng)急設(shè)備。

        vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)航標9氣壓數(shù)據(jù)輸出格式[1]如下:

        自動氣象觀測系統(tǒng)航標9氣壓數(shù)據(jù)輸出格式參照MH/T 4016.9—2011《民用航空氣象第9部分:自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出格式》文件。

        長春自動氣象站UDP廣播數(shù)據(jù)格式如下:

        其中,num表示數(shù)據(jù)流地址編號,建議跑道南頭為03,跑道北頭為01,中間為02;time表示數(shù)據(jù)采集的時間,格式年月日時分秒14位,如:20030703123530;zdppp表示本站氣壓,指測壓儀高度處的氣壓,單位為hPa,如:1000.2,998.3,1010.5;zdqfe表示場面氣壓,單位為hPa,如:1000.2,998.3,1010.5;zdqnh表示修正海平面氣壓,單位為hPa,如:1000.2,998.3,1010.5。

        DY-100單振筒氣壓儀RS-232輸出數(shù)據(jù)格式如下:2020-02-17,20:03,1011.4,1012.2,1027.4,N

        格式內(nèi)容依次為時間日期、時間時分、瞬時氣壓、瞬時場面氣壓、瞬時修正海平面氣壓。

        4 數(shù)據(jù)采集與存儲

        采集數(shù)據(jù)軟件采用C++語言編譯,創(chuàng)建vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集線程、AMS-II-G長春自動氣象站數(shù)據(jù)采集線程和DY-100單振筒氣壓儀數(shù)據(jù)采集線程。使用SQL Server數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)進行存儲以便于查看歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)可視化。氣壓比對系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 氣壓實時比對系統(tǒng)拓撲圖

        4.1 vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)

        步驟1:在vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)CDU服務(wù)器中tcpmsgserv.ini配置文件里添加tcp對象。

        步驟2:根據(jù)步驟1新增對象中的RemoteAddress和RemotePort,建立套接字,對端口進行監(jiān)聽。

        步驟3:監(jiān)聽服務(wù)器端口,根據(jù)vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出格式進行解析,提取Time、PAINS、QFEINS和QNHINS氣象要素的數(shù)值。

        步驟4:對數(shù)值進行入庫處理。

        4.2 長春自動氣象站數(shù)據(jù)

        綁定主機的IP和3018端口,建立線程對主機端口進行監(jiān)聽。對接收到的報文進行解析,格式如2.2所述,獲取time、zdppp、zdqfe、zdqnh氣象要素的數(shù)值。對數(shù)值進行入庫處理。

        4.3 DY-100單振筒氣壓儀數(shù)據(jù)

        DY-100單振筒氣壓儀通過RS-232串口傳輸數(shù)據(jù),需要使用串口服務(wù)器。創(chuàng)建監(jiān)聽串口的線程,設(shè)置固定時間間隔(本系統(tǒng)使用1 min),發(fā)送指令"!P1 "至振筒,振筒接收到指令后,將最近一份數(shù)據(jù)以2.3的格式發(fā)送至振筒串口。對數(shù)值進行入庫處理。

        5 數(shù)據(jù)顯示與告警

        在同一界面上,顯示自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的實時氣壓數(shù)值(QFE和QNH),以及該數(shù)據(jù)生成時間,如圖2所示。

        圖2 實時氣壓數(shù)據(jù)顯示與對比

        同時,對自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的氣壓數(shù)值進行監(jiān)控和比對。設(shè)置氣壓比對閾值,當氣壓比對差值超過設(shè)置的閾值時,超出比對閾值的氣壓數(shù)值顯示變紅同時彈出數(shù)據(jù)異常或數(shù)據(jù)未更新的告警提示框,如圖3、圖4所示。

        圖3 設(shè)置氣壓比對閾值

        圖4 告警提示框

        并根據(jù)實時氣壓數(shù)值繪制當日本場各氣壓傳感器QFE和QNH的曲線圖,如圖5和圖6所示。這直觀地顯示當日的氣壓數(shù)值變化情況和氣壓數(shù)值的橫向及縱向比對。

        天氣狀況較為穩(wěn)定時,vaisala自動氣象觀測系統(tǒng)、長春氣象站和DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)差異不大;但當一個天氣過程經(jīng)過本場時,室外氣壓變化較快,而位于觀測室內(nèi)的DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)相差較為明顯,如圖7所示。此時,DY-100振筒氣壓儀的氣壓數(shù)據(jù)就不再具有參考意義。

        圖5 場面氣壓QFE對比曲線

        圖6 修正海平面氣壓QNH對比曲線

        圖7 本場復(fù)雜天氣時的氣壓變化

        6 結(jié)語

        利用C++語言開發(fā)的氣壓比對系統(tǒng),實現(xiàn)了南寧氣壓臺對所有氣壓數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一監(jiān)控。該氣壓比對系統(tǒng)讀取自動氣象觀測系統(tǒng)跑道兩端、長春自動站、振筒氣壓儀(DY-100)的氣壓實時數(shù)據(jù),并進行橫向、縱向比對。當比對差值達到設(shè)置的閾值時,產(chǎn)生告警提示框、字體變紅直到數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。同時,將當天的氣壓數(shù)據(jù)繪制曲線圖,更直觀地查看當日的氣壓數(shù)值變化情況。隨著民航業(yè)的發(fā)展,對氣象服務(wù)的要求與需求在不斷提高。不僅僅是氣壓數(shù)據(jù)的監(jiān)控,利用現(xiàn)有的系統(tǒng)技術(shù)資源還可以對其他氣象數(shù)據(jù)、氣象產(chǎn)品、數(shù)據(jù)傳輸、氣象設(shè)備的性能以及運行環(huán)境等方面進行監(jiān)控,構(gòu)建一個氣象設(shè)備業(yè)務(wù)管理監(jiān)控系統(tǒng)。產(chǎn)生的告警可以提示維護人員檢查相關(guān)設(shè)備,提高設(shè)備故障排查和應(yīng)急處置效率。從而減輕氣象工作人員的勞動強度,提高工作效率,更好地提供優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)。

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