北斗低空数字探空仪的系统设计

孙 宁，张颖超，毛伟民，张卫国，夏浩然

（1.南京信息工程大学滨江学院，江苏 无锡 214000；2.南京信息工程大学 自动化学院，江苏 南京 210044；3.三江学院 机械与电气工程学院，江苏 南京 210012）

0 引言

低空大气波导对电波传播和探测通信系统等具有重要影响，由于大气波导层的存在，无线电（如雷达等）系统会出现盲区[1]；电磁波波导传播损耗较小，且探测距离远远大于普通探测距离，这种探测被称为超视距探测[2⁃3]。因此，研究大气波导环境和开发其应用系统具有重要的科学意义和应用价值。但无论国内外的数字探空仪，都是高空的气象探测，探测距离远，体积、重量过于庞大，大多数在气象部门的固定站用的比较多，但是对于低空探测存在测量分辨率过低，体积、重量过于庞大，不适合移动[4]；而火箭探空测量距离过短、安全性不好、测量周期短、成本大，难以满足各种低空探测的需求。所以，研发一种不仅满足大气波导探测精度要求，而且需要重量轻、体积小、使用便携、成本低的低空数字探空仪具有重大意义[5]。

1 北斗低空数字探空系统概述

北斗低空数字系统整体示意图如图1 所示。大气探空设备包括探空气球、探空仪、接收天线、数字接收机、计算机终端以及上位机数据监控应用软件、打印机等[6]。探空气球携带无线探空仪升入空中，探空仪进行温度、湿度、气压、风速、风向等参数的采集，利用无线通信系统将传感器所采集的气象数据传输到计算机终端[7⁃8]。数据监控应用软件对传输回来的气象要素值进行数据处理、存储及显示，能够实现对大气边界层气象进行实时探测[9⁃10]。

图1 探空系统整体框图

2 探空仪硬件设计

硬件电路的设计主要包括单片机处理器模块、无线发射机模块、传感器模块、北斗模块以及其他电路部分，如图2 所示。

图2 硬件电路设计原理图

2.1 单片机控制模块

本设计主要的控制芯片是TI公司的MSP430单片机。MSP430 系列单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富以及高效的开发环境等优点，比较适合于具有低功耗要求的探空仪的开发与设计。

2.2 测量部分

在整个硬件电路设计中，主要用到的元器件有：低功耗微处理器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、附温电阻、高精度的A/D 转换器、北斗定位模块、北斗天线、无线发射机、发射机天线等。温度测量采用的温度传感器为热敏电阻，因其电阻温度系数大、灵敏度高、体积较小、使用寿命长、测量距离远等特点被大量运用。热敏电阻的阻值与温度之间的关系为：

式中：RT为T时的电阻值；R0为温度为T0时的电阻值；B为常数。热敏电阻的热电特性曲线如图3 所示。温度测量接口电路如图4 所示。

图3 热敏电阻的热电特性

图4 温度测量接口电路

湿度测量采用湿度传感器为高分子薄膜电容制成的湿敏电容。阻容式湿度测量基本原理是湿度分子渗透改变电容值，温度变化改变电阻值，湿度的含量与阻容值的变化频率成函数关系[7]。基于平板电容式湿度传感器对微量湿度测量，由含水介质构成的平板电容器及其等效电路如图5 所示。

图5 电容式湿度传感器及其等效电路

图中：R是电阻，其电阻值因湿度而变化；C为电容，其值与湿度含量有关。当忽略电容的边缘效应时，平行板电容器电容的计算公式为：

式中：C为传感电容；S为单块极板的面积；d为两极板间的距离；ε为介质的介电常数；ε0为真空介电常数；εr为介质的相对介电常数，εr=所以式（2）可改写为：

由式（3）可知，当d，S一定时，电容C的大小由相对介电常数εr决定。对于两种成分的混合介质而言，可将其相对介电常数写成一般表达式：

式中：εr1为水的相对介电常数；εr1为背景气体的相对介电常数；α为水的体积分数；1-α为背景气体的体积分数。则平行板电容器电容的计算公式可写为：

经过公式推导可解得：

式中：K=，均为常数。由式（6）可知，大气中的湿度含量α（体积分数）与传感电容C的对数呈线性关系。图6 为阻容式湿度传感器内部湿敏元件结构。湿度测量电路如图7 所示。

图6 阻容式湿度传感器内部湿敏元件结构

图7 湿度测量电路

气压测量采用的压力传感器为NPP 系列的表面安装的硅电桥压力传感器，其原理利用压电效应。半导体材料电阻的变化率取决于半导体材料的压阻效应，所以可表示为：

式中：π为压阻系数；σ为应力；ρ为半导体材料的电阻率。大气压力硬件电路如图8 所示。

图8 大气压力硬件电路

北斗模块选用CC50⁃BG 卫星导航接收模块，该模块具有出色的导航及定位功能，实时接收导航卫星信号，实现机动载体的实时高精度的定位、测速和授时，支持单系统独立定位及多系统联合定位，低成本及高性价比使其广泛地应用于交通、航运、气象等领域。北斗模块接口电路如图9 所示。

图9 北斗模块接口电路

2.3 通信部分

数字无线发射机采用晶体振荡器频率合成技术，其频率稳定性高、结构简单、重量轻，可采用计算机调频，实现了探空仪的数字化。探测系统采用P 波段频率（403±3 MHz）。本文采用窄带和多信道的射频发射器芯片1070，它是一款1 GHz 以下频带的低功耗、片上系统解决方案的RF 芯片，芯片用于低功耗及低电压无线通信应用，调制方式支持FSK、ASK、GFSK 等。

2.4 电源部分

探空仪的供电电压为9 V，为确保各芯片所需的电压，分别采用不同的稳压模块，使得输出电压分别为5 V 和3.3 V，分别在电源的输入端和输出端加入滤波电容，保证电压稳定输出。电源电路如图10 所示。探空仪主控电路如图11 所示。

图10 电源电路

图11 探空仪主控电路

3 系统软件设计

3.1 探空仪软件设计

低空数字探空系统数据采集与处理软件设计体现了高内聚、低耦合的特点，采用模块化设计，使得程序设计简单化、通俗易懂以及便于修改和移植，利于以后实现功能扩展。

1）探空仪数据采集程序主要分为如下几个功能模块：气压、温度以及湿度采集模块，通信模块等其他模块。模块相互之间只有数据传递联系，无控制关系。探空仪程序流程图如图12 所示。

图12 探空数据采集程序流程图

系统上电后，MCU 对各个模块进行初始化，并自检系统，若自检不通过则进入报警子程序。然后，启动定时器TB 进行计时，以1 s 为定时中断周期，轮流采集温度、湿度、大气压力、经纬度、海拔、电源电压等数据。最后，将每个周期的数据打包通过发射模块发送给温湿压廓线数据采集与处理设备。

2）基于实验仿真和现场实测结合的相向微幅迭代算法，温湿压廓线数据采集与处理设备，将探空仪发射的温湿压数据进行处理，过滤出其中的盲点，分别对采样数据进行数据质量控制，计算存储瞬时值、极值、状态值等信息，形成文件存储加密后，输出给数据通信模块。数据处理软件流程图如图13 所示。

图13 数据处理软件流程图

3）数据通信软件主要由解调信号处理、频谱信号处理、频谱问答信号处理组成。

①解调信号：包含温度、气压、湿度等探空数据，以及GPS/BD 导航数据，共99 个字节，两路数据内容相同。在存储和显示时，只选择校验正确的一路，如果两路都正确，任选一路即可。

②频谱信号：频率在400～406 MHz 之间，以每隔50 kHz 进行信号幅度的采样，共计120 个采样数据。

③频谱问答信号：只作用于探空仪改频命令。

3.2 监测中心软件设计

监测中心的软件设计主要包括数据接收模块和数据库模块。数据接收模块获取数据并解析协议包，然后将有效数据写入数据库。监测中心实时数据显示界面如图14 所示。

图14 监测中心实时数据显示界面

4 实验测试比对

按照《北斗⁃GPS 导航卫星高空气象观测系统考核大纲》，在南京市气象局进行动态比对实验，同时施放两个探空仪，探测高度0～3 km，一次施放一个BD⁃3 型探空仪，一个芬兰RS92 型探空仪。测试对比数据如下：以芬兰RS92高空探测系统的测量结果作为参考标准值，以时间同步，每隔1 s 取一次比对数据，对被试探空仪所测温度、湿度、气压、位势高度的动态测量误差，并进行了统计[8]。温度、湿度、气压测试数据对比图如图15～图17所示。

图15 温度测试数据对比图

图17 气压测试数据对比图

由图15 可以看出，被测探空仪测量的温度均呈随气压降低，先降低后升高趋势，最大值出现在近地面，以后有逐渐变小；BD⁃3 型探空仪与RS92 变化趋势基本一致，没有明显的系统误差，最大偏差为-0.3 ℃，最小偏差0.1 ℃。说明该探空仪在温度测量上满足精度指标，符合设计要求。

由图16 可以看出，被测探空仪测量的相对湿度均呈随气压降低，先降低后增大的趋势，最大值出现在200 s 左右，以后又逐渐变小；BD⁃3 型探空仪与RS92 相比，相对湿度偏低，最大偏差为5.3%RH，最小偏差为0.6%RH。说明该探空仪在湿度测量上满足精度指标，符合设计要求。

图16 湿度测试数据对比图

由图17 可以看出，被测探空仪测量的大气压力随高度上升逐渐变小；BD⁃3 型探空仪与RS932 变化趋势一致，偏差区间在-0.3～0.5 hPa 之间，平均偏差为-0.24 hPa。说明该探空仪在气压测试上满足精度指标，符合设计要求。

5 结语

低空大气探测在现代气象观测中占有十分重要的地位，本文介绍一种基于北斗卫星导航系统的低空数字探空仪，主要介绍了探空仪的硬件模块设计以及软件模块设计，探空仪将测量的温度、湿度、气压、定位及测风数据，通过无线发射机实现探空仪与监测中心的数据通信。经过数次放飞试验，进行系统性能测试，数据表明该探空仪统能较好地完成低空气象数据采集，经过大量数据测试，性能较稳定，对于气象科学研究具有实际意义。