雷顯輝，袁山山，喻思涵，譚 震，植炫惠，夏昊玥

（中國(guó)民用航空深圳空中交通管理站，廣東 深圳 518000）

深圳機(jī)場(chǎng)位于廣東省深圳市寶安區(qū)，總占地面積28.3 km2，終端規(guī)劃3 條跑道、3 個(gè)航站區(qū)、1 個(gè)衛(wèi)星廳。目前，深圳機(jī)場(chǎng)擁有2 條遠(yuǎn)距離平行跑道，能夠滿足所有民航機(jī)型起降的需求，日均保障航班1 000 余架次。由此可見(jiàn)，深圳機(jī)場(chǎng)的高效運(yùn)行對(duì)跑道氣象要素的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性有較高的要求，當(dāng)雙跑道的自觀系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，便攜式自動(dòng)氣象站可作為應(yīng)急備份設(shè)備為氣象觀測(cè)員編發(fā)機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告提供數(shù)據(jù)支持。蘇小浩[1]對(duì)Vaisala 公司生產(chǎn)的MAWS201 型便攜式自動(dòng)氣象站的系統(tǒng)組成和使用方法作了詳細(xì)解讀與分析；裴建宇[2]在8 個(gè)比賽場(chǎng)館分別安裝了3 種型號(hào)的便攜式自動(dòng)氣象站，用于對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣溫、相對(duì)濕度和氣壓等氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。本文以長(zhǎng)春雨睿電子科技有限責(zé)任公司的YRQX-20A 型便攜式自動(dòng)氣象站為研究對(duì)象，對(duì)其組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合深圳機(jī)場(chǎng)運(yùn)行概況及實(shí)際觀測(cè)業(yè)務(wù)工作對(duì)其功能做可行性研究，以減少因數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致遲發(fā)和漏發(fā)機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告的情況，對(duì)保障深圳機(jī)場(chǎng)安全高效運(yùn)行具有重要意義。

1 深圳機(jī)場(chǎng)運(yùn)行概況

1.1 基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)

根據(jù)《民用航空氣象地面觀測(cè)規(guī)范》第8 節(jié)第32條規(guī)定，機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)、機(jī)場(chǎng)氣象站應(yīng)當(dāng)結(jié)合本機(jī)場(chǎng)運(yùn)行情況選定任一沿跑道安裝的自動(dòng)氣象站所在位置作為基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)，用于觀測(cè)代表機(jī)場(chǎng)綜合天氣狀況的氣象要素，其觀測(cè)到的地面風(fēng)、溫度、濕度、氣壓和降水量的數(shù)據(jù)用于電碼格式的機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告和機(jī)場(chǎng)氣候資料統(tǒng)計(jì)，并且在觀測(cè)實(shí)際業(yè)務(wù)中通報(bào)塔臺(tái)自觀系統(tǒng)數(shù)據(jù)也是以基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)。

目前，深圳機(jī)場(chǎng)實(shí)行雙跑道運(yùn)行，東跑道15—33長(zhǎng)度3 400 m，寬45 m；西跑道16—34 長(zhǎng)度3 800 m，寬60 m；東、西跑道中心線間隔1 600 m，西跑道南端向北錯(cuò)開(kāi)600 m，西跑道北端向北錯(cuò)開(kāi)1 000 m。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，選定R16 為深圳機(jī)場(chǎng)的基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)。R16 基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)位于北緯22°38′，東經(jīng)113°48′，所在跑道方向160°，海拔高度4 m，機(jī)場(chǎng)標(biāo)高4 m。

1.2 自觀系統(tǒng)設(shè)備分布

東跑道自觀系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)為OBMAN 型，包括3套APOS200 型獨(dú)立風(fēng)站和3 套VPF730 型前向散射儀分布在東跑道北端（以下簡(jiǎn)稱R15）、東跑道中間端（以下簡(jiǎn)稱R15MID）、東跑道南端（以下簡(jiǎn)稱R33）；1 套VPF750 型前向散射儀帶天氣現(xiàn)象儀分布在R15；2 套APOS300 型自動(dòng)氣象站和2 套CBME80 型云高儀分別分布在R15 和R33。

西跑道自觀系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)為AVIMET 型，包括3套LT31 型大氣透射儀分布在西跑道北端（以下簡(jiǎn)稱R16）、西跑道中間端（以下簡(jiǎn)稱R16MID）、西跑道南端（以下簡(jiǎn)稱R34）；2 套APOS200 型獨(dú)立風(fēng)站分別分布在R16 和R16MID；1 套FD12P 型前向散射儀分布在R16；2 套MAWS301 型自動(dòng)氣象站和2 套CL31 型云高儀分別分布在R16 和R34。

1.3 自觀系統(tǒng)故障時(shí)氣象要素取值點(diǎn)順序

地面風(fēng)：R16→R16 獨(dú)立風(fēng)→R16MID→R34→R34獨(dú)立風(fēng)站→R15→R15 獨(dú)立風(fēng)站→R15MID 獨(dú)立風(fēng)站→R33→R33 獨(dú)立風(fēng)站→便攜式自動(dòng)氣象站。

場(chǎng)面氣壓、修正海平面氣壓：R16→R34→R15→R33→振筒氣壓儀→便攜式自動(dòng)氣象站。

氣溫、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量：R16→R34→R15→R33→便攜式自動(dòng)氣象站。

2 YRQX-20A 型便攜式自動(dòng)氣象站組成結(jié)構(gòu)

YRQX-20A 型便攜式自動(dòng)氣象站是一種可移動(dòng)的地面自動(dòng)氣象站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度、場(chǎng)面氣壓、修正海平面氣壓及雨量的測(cè)量，主要用于應(yīng)急觀測(cè)，也可作為常規(guī)自動(dòng)氣象站的備份。在組成結(jié)構(gòu)上具有組合氣象傳感器（風(fēng)傳感器、溫濕壓傳感器和雨量傳感器）、數(shù)據(jù)采集單元、通信單元、供電單元、顯示單元、手柄式底座、按鍵和便攜三腳架[3-4]，其分布如圖1 所示。

圖1 YRQX-20A 型便攜式自動(dòng)氣象站組成機(jī)構(gòu)

2.1 組合氣象傳感器

組合氣象傳感器包括風(fēng)傳感器、溫濕壓傳感器和雨量傳感器，其測(cè)量性能見(jiàn)表1。其中，風(fēng)傳感器利用發(fā)送的聲波脈沖，通過(guò)時(shí)差法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量；溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器，通過(guò)溫度與電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出溫度值；濕度傳感器通過(guò)測(cè)量輸出直流電壓得出相應(yīng)的濕度值；氣壓傳感器通過(guò)測(cè)量薄膜變形與電阻阻值的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出氣壓值；雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，根據(jù)降雨量轉(zhuǎn)換為可進(jìn)行計(jì)量物理信號(hào)的原理來(lái)對(duì)雨量進(jìn)行測(cè)量。

表1 測(cè)量性能

組合氣象傳感器的通信接口為RS-485，其輸出數(shù)據(jù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、場(chǎng)面氣壓、修正海平面氣壓和雨量。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由中央處理器、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、外部通信接口和控制電路等部分構(gòu)成，主要完成組合氣象傳感器的數(shù)據(jù)采樣，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信傳輸，并監(jiān)測(cè)充電電壓和電池電壓等工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集單元的功能結(jié)構(gòu)主要在于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、電子羅盤(pán)傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及外部通信接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式處理器，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、外部看門(mén)狗方案等計(jì)算和傳輸數(shù)據(jù)至顯示屏。

2.3 通信單元

通信單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)顯示終端的通信，采集單元由RS-485 接口傳輸實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和參數(shù)信息，也可通過(guò)命令輸出歷史測(cè)量數(shù)據(jù)。其中RS-485 默認(rèn)數(shù)據(jù)通信波特率為9 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無(wú)校驗(yàn)，每秒通信1 次，數(shù)據(jù)以Ascii 格式傳輸，可通過(guò)命令更改波特率，同時(shí)還支持藍(lán)牙連接無(wú)線通信接收端。

2.4 供電單元

供電單元采用鋰電池組供電，單組鋰電池續(xù)航時(shí)間大于等于8 h，其中，單組鋰電池由4 節(jié)18650 鋰電池2 串2 并組成，并配有12 V 直流適配器進(jìn)行充電，具有過(guò)壓、過(guò)流充電和放電保護(hù)功能。

2.5 顯示單元

顯示單元采用OLED 顯示屏，鑲嵌在手柄底座的上部。主要顯示時(shí)鐘、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、場(chǎng)面氣壓、修正海平面氣壓、雨量和電池電量等數(shù)據(jù)信息，顯示刷新頻率為1 s。

2.6 手柄式底座和按鍵

手柄式底座用于安裝組合氣象傳感器，手柄便于單手握持，底座上部鑲嵌顯示屏，內(nèi)部安裝采集單元線路板，顯示屏下方依次排列2 個(gè)按鍵，上數(shù)第一個(gè)按鍵為電源鍵，第二個(gè)按鍵為數(shù)據(jù)保持鍵。手柄內(nèi)部裝有電池盒，盒內(nèi)安裝鋰電池組，外部套裝防滑橡膠套。

2.7 便攜三腳架

便攜三腳架有利于自動(dòng)氣象站進(jìn)行移動(dòng)便攜式架設(shè)，整體材料為鋁合金材質(zhì)，三腳架中間立柱設(shè)計(jì)為2節(jié)，便于收縮攜帶。三腳架收起后外形尺寸約130 mm×755 mm，重量小于等于2.9 kg。

3 使用方法

3.1 安裝環(huán)境要求

當(dāng)常規(guī)自觀數(shù)據(jù)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)把便攜式自動(dòng)氣象站安裝在觀測(cè)平臺(tái)上，此時(shí)便攜式自動(dòng)氣象站的屏幕應(yīng)正對(duì)目測(cè)方向。根據(jù)《民用航空氣象探測(cè)設(shè)施及探測(cè)環(huán)境管理辦法》規(guī)定，氣象觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)緊鄰觀測(cè)值班室進(jìn)行設(shè)立，觀測(cè)平臺(tái)與機(jī)場(chǎng)標(biāo)高的高度差應(yīng)小于20 m。在觀測(cè)平臺(tái)上觀測(cè)員應(yīng)當(dāng)能夠目視至少1條跑道及其航空器最后進(jìn)近區(qū)域。

3.2 安裝具體步驟

首先取出三腳架，打開(kāi)其上端的3 個(gè)扳扣，向下延長(zhǎng)調(diào)整至最底端后鎖緊扳扣。然后逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)云臺(tái)底座旋鈕到可調(diào)節(jié)狀態(tài)，調(diào)整云臺(tái)至水平儀中的氣泡位于中間位置，隨即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕進(jìn)行鎖死，即可完成云臺(tái)的水平校準(zhǔn)。之后快裝板底部箭頭沿著云臺(tái)上部箭頭方向進(jìn)行滑動(dòng)放置，完成放入且聽(tīng)到保險(xiǎn)栓聲音后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)快裝板旋鈕進(jìn)行鎖死固定。最后，將手柄式便攜式自動(dòng)氣象站放入對(duì)應(yīng)的快裝卡槽中，調(diào)整卡槽旋鈕固定儀器即可完成架設(shè)安裝。

3.3 配置與采集數(shù)據(jù)

3.3.1 直接采集

按住便攜式自動(dòng)氣象站電源鍵3 s，待屏幕點(diǎn)亮10 s 后顯示測(cè)量值，但由于編發(fā)機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告時(shí)需采集10 min 的風(fēng)向風(fēng)速值、穩(wěn)定的溫濕度及其他要素值，因此需將便攜式自動(dòng)氣象站提前放置在觀測(cè)平臺(tái)至少10 min。

3.3.2 PC 端采集

數(shù)據(jù)面板自動(dòng)以列表的形式展示所有當(dāng)前時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)，如圖2 所示。此方法需要在PC 端提前下載好相應(yīng)軟件進(jìn)行串口設(shè)置[5]，利用專門(mén)的數(shù)據(jù)線連接好PC 端后設(shè)置串口號(hào)COM2、波特率9 600、數(shù)據(jù)位8、檢驗(yàn)位None 及停止位1，然后配置海拔高度4 m、相對(duì)高度16 m 和采集間隔5 s。

圖2 PC 端數(shù)據(jù)面板展示

3.3.3 移動(dòng)端采集

點(diǎn)擊APP 底部導(dǎo)航中間的數(shù)據(jù)面板，即可展示所有數(shù)據(jù)的當(dāng)前時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)。此方法需要提前通過(guò)藍(lán)牙連接移動(dòng)端，配置好海拔高度4 m、相對(duì)高度16 m和采集間隔5 s。

4 數(shù)據(jù)的可行性

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可行性，本次研究從觀測(cè)應(yīng)急保障的實(shí)際情況出發(fā)，把便攜式自動(dòng)氣象站架設(shè)于觀測(cè)平臺(tái)測(cè)量氣溫、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、場(chǎng)面氣壓、修正海平面氣壓以及雨量，將其采集到的2022 年7 月9 日13時(shí)05 分、18 時(shí)05 分、23 時(shí)05 分以及2023 年7 月10日04 時(shí)05 分的間隔5 h 的4 個(gè)時(shí)刻值與R15、R16、R33、R34 的自觀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由于觀測(cè)平臺(tái)南側(cè)有建筑物遮擋，便攜式自動(dòng)氣象站所采集的風(fēng)數(shù)據(jù)不具有可比性。

4.1 氣溫和露點(diǎn)溫度

圖3 和圖4 給出了上述4 個(gè)時(shí)刻便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)氣溫和露點(diǎn)溫度與4 個(gè)跑道頭自觀數(shù)據(jù)的誤差值。整體來(lái)看，由于觀測(cè)平臺(tái)與跑道的海拔高度存在一定的高度差，使得便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)氣溫和露點(diǎn)溫度較實(shí)際自觀數(shù)據(jù)偏低，同時(shí)氣溫整體誤差相比露點(diǎn)溫度整體誤差較小。由圖4 不難看出，便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)氣溫與東跑道自觀數(shù)據(jù)更貼近，與西跑道自觀數(shù)據(jù)誤差較大，最大可達(dá)0.9 ℃。根據(jù)《民用航空氣象地面觀測(cè)規(guī)范》要求，發(fā)布機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告時(shí)，氣溫和露點(diǎn)溫度以最接近的整數(shù)進(jìn)行報(bào)告，分辨率為1 ℃，當(dāng)氣溫在0 ℃以上時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)值四舍五入。而深圳機(jī)場(chǎng)2007—2017 年最低氣溫不低于0 ℃，氣溫和露點(diǎn)溫度的允許誤差范圍在±0.9 ℃，因此便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)氣溫和露點(diǎn)溫度與實(shí)際自觀數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。

圖3 便攜式自動(dòng)氣象站與自觀氣溫誤差

圖4 便攜式自動(dòng)氣象站與自觀露點(diǎn)溫度誤差

4.2 相對(duì)濕度和修正海平面氣壓

根據(jù)儀器配置及多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)場(chǎng)面氣壓與修正海平面氣壓差值固定為0.5 hPa，跑道自觀所測(cè)場(chǎng)面氣壓與修正海平面氣壓差值固定為0.4 hPa。由于機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告中無(wú)須編發(fā)場(chǎng)面氣壓，故在此僅對(duì)修正海平面氣壓作對(duì)比分析。

圖5 和圖6 給出了上述4 個(gè)時(shí)刻便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)相對(duì)濕度和修正海平面氣壓與4 個(gè)跑道頭自觀數(shù)據(jù)的誤差值?？紤]西跑道較東跑道更靠近珠江口，且觀測(cè)平臺(tái)位置處于2 條跑道中間的延長(zhǎng)線，因此由圖5 可看出便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)相對(duì)濕度較東跑道自觀數(shù)據(jù)偏高，但誤差較西跑道偏小，而與西跑道實(shí)際自觀數(shù)據(jù)誤差普遍達(dá)到3%。從圖6 可看出，經(jīng)配置訂正后的便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)修正海平面氣壓與實(shí)際自觀數(shù)據(jù)高度吻合，誤差可控制在0.2 hPa 以內(nèi)，但與基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)R16 自觀數(shù)據(jù)相比普遍偏高。根據(jù)相關(guān)要求規(guī)定，當(dāng)相對(duì)濕度小于等于（大于）90%時(shí)，允許誤差范圍在±3（4）%；修正海平面氣壓在機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告中的取值直接截取整數(shù)，配合深圳機(jī)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)際業(yè)務(wù)要求，允許誤差在2 hPa 以內(nèi)，因此便攜式自動(dòng)氣象站所測(cè)相對(duì)濕度和修正海平面氣壓與實(shí)際自觀數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)。

圖5 便攜式自動(dòng)氣象站與自觀相對(duì)濕度誤差

圖6 便攜式自動(dòng)氣象站與自觀修正海平面氣壓誤差

綜上，各項(xiàng)數(shù)據(jù)（除風(fēng)數(shù)據(jù)）誤差均在地面觀測(cè)規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的允許最大誤差范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)的可行性得以驗(yàn)證。

5 日常維護(hù)

當(dāng)便攜式自動(dòng)氣象站發(fā)生故障時(shí)，可參照表2 進(jìn)行簡(jiǎn)單排查[6]。

表2 常見(jiàn)故障及排除方法

6 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

YRQX-20A 便攜式自動(dòng)氣象站具有輕量化、低功耗、易搭建和自動(dòng)定北等優(yōu)勢(shì)[7]。具體表現(xiàn)在主機(jī)部分重量小于等于1.6 kg，含三腳架重量小于等于4.5 kg；功耗小于等于1 W，單組電池續(xù)航時(shí)間大于等于8 h；觀測(cè)員應(yīng)急搭建完成時(shí)間小于等于1 min；配備電子羅盤(pán)傳感器。

可儲(chǔ)存24 h 的每分鐘氣象要素值，同時(shí)在移動(dòng)端可查看任意歷史數(shù)據(jù)并以Excel 表格輸出數(shù)據(jù)，另外PC 端還具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化功能，可展示最近10 組數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線。

不足之處在于，目前無(wú)法接入現(xiàn)有CAMOASS 觀測(cè)編發(fā)報(bào)軟件來(lái)實(shí)時(shí)與跑道各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

7 結(jié)束語(yǔ)

便攜式自動(dòng)氣象站是每個(gè)觀測(cè)員必須熟練掌握的工作，其作為應(yīng)急觀測(cè)業(yè)務(wù)的重要組成部分，極大地保障了航空氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，有效地減少了因數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致的遲發(fā)和漏發(fā)機(jī)場(chǎng)天氣報(bào)告的情況。未來(lái)，將研究如何提高便攜式自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高航空運(yùn)行安全保障效率。