便携式自动气象站在深圳机场的应用研究

2024-01-08雷显辉袁山山喻思涵植炫惠夏昊玥

科技创新与应用 2024年1期

雷显辉，袁山山，喻思涵，谭震，植炫惠，夏昊玥

（中国民用航空深圳空中交通管理站，广东深圳 518000）

深圳机场位于广东省深圳市宝安区，总占地面积28.3 km2，终端规划3 条跑道、3 个航站区、1 个卫星厅。目前，深圳机场拥有2 条远距离平行跑道，能够满足所有民航机型起降的需求，日均保障航班1 000 余架次。由此可见，深圳机场的高效运行对跑道气象要素的实时性与准确性有较高的要求，当双跑道的自观系统出现故障时，便携式自动气象站可作为应急备份设备为气象观测员编发机场天气报告提供数据支持。苏小浩[1]对Vaisala 公司生产的MAWS201 型便携式自动气象站的系统组成和使用方法作了详细解读与分析；裴建宇[2]在8 个比赛场馆分别安装了3 种型号的便携式自动气象站，用于对风向、风速、雨量、气温、相对湿度和气压等气象要素进行实时现场监测。本文以长春雨睿电子科技有限责任公司的YRQX-20A 型便携式自动气象站为研究对象，对其组成结构进行分析，结合深圳机场运行概况及实际观测业务工作对其功能做可行性研究，以减少因数据丢失导致迟发和漏发机场天气报告的情况，对保障深圳机场安全高效运行具有重要意义。

1 深圳机场运行概况

1.1 基准观测点

根据《民用航空气象地面观测规范》第8 节第32条规定，机场气象台、机场气象站应当结合本机场运行情况选定任一沿跑道安装的自动气象站所在位置作为基准观测点，用于观测代表机场综合天气状况的气象要素，其观测到的地面风、温度、湿度、气压和降水量的数据用于电码格式的机场天气报告和机场气候资料统计，并且在观测实际业务中通报塔台自观系统数据也是以基准观测点为标准。

目前，深圳机场实行双跑道运行，东跑道15—33长度3 400 m，宽45 m；西跑道16—34 长度3 800 m，宽60 m；东、西跑道中心线间隔1 600 m，西跑道南端向北错开600 m，西跑道北端向北错开1 000 m。根据实际运行情况，选定R16 为深圳机场的基准观测点。R16 基准观测点位于北纬22°38′，东经113°48′，所在跑道方向160°，海拔高度4 m，机场标高4 m。

1.2 自观系统设备分布

东跑道自观系统设备型号为OBMAN 型，包括3套APOS200 型独立风站和3 套VPF730 型前向散射仪分布在东跑道北端（以下简称R15）、东跑道中间端（以下简称R15MID）、东跑道南端（以下简称R33）；1 套VPF750 型前向散射仪带天气现象仪分布在R15；2 套APOS300 型自动气象站和2 套CBME80 型云高仪分别分布在R15 和R33。

西跑道自观系统设备型号为AVIMET 型，包括3套LT31 型大气透射仪分布在西跑道北端（以下简称R16）、西跑道中间端（以下简称R16MID）、西跑道南端（以下简称R34）；2 套APOS200 型独立风站分别分布在R16 和R16MID；1 套FD12P 型前向散射仪分布在R16；2 套MAWS301 型自动气象站和2 套CL31 型云高仪分别分布在R16 和R34。

1.3 自观系统故障时气象要素取值点顺序

地面风：R16→R16 独立风→R16MID→R34→R34独立风站→R15→R15 独立风站→R15MID 独立风站→R33→R33 独立风站→便携式自动气象站。

场面气压、修正海平面气压：R16→R34→R15→R33→振筒气压仪→便携式自动气象站。

气温、露点温度、相对湿度、日最高气温、日最低气温和日降水量：R16→R34→R15→R33→便携式自动气象站。

2 YRQX-20A 型便携式自动气象站组成结构

YRQX-20A 型便携式自动气象站是一种可移动的地面自动气象站，可实现对风向、风速、气温、湿度、场面气压、修正海平面气压及雨量的测量，主要用于应急观测，也可作为常规自动气象站的备份。在组成结构上具有组合气象传感器（风传感器、温湿压传感器和雨量传感器）、数据采集单元、通信单元、供电单元、显示单元、手柄式底座、按键和便携三脚架[3-4]，其分布如图1 所示。

图1 YRQX-20A 型便携式自动气象站组成机构

2.1 组合气象传感器

组合气象传感器包括风传感器、温湿压传感器和雨量传感器，其测量性能见表1。其中，风传感器利用发送的声波脉冲，通过时差法来实现风速风向的测量；温度传感器采用铂电阻温度传感器，通过温度与电阻的对应关系计算出温度值；湿度传感器通过测量输出直流电压得出相应的湿度值；气压传感器通过测量薄膜变形与电阻阻值的对应关系计算出气压值；雨量传感器采用翻斗式雨量传感器，根据降雨量转换为可进行计量物理信号的原理来对雨量进行测量。

表1 测量性能

组合气象传感器的通信接口为RS-485，其输出数据包括风向、风速、气温、相对湿度、场面气压、修正海平面气压和雨量。

2.2 数据采集单元

数据采集单元由中央处理器、时钟电路、数据存储器、外部通信接口和控制电路等部分构成，主要完成组合气象传感器的数据采样，对采样数据进行计算与存储，实现数据通信传输，并监测充电电压和电池电压等工作状态。

数据采集单元的功能结构主要在于数据存储器、电子罗盘传感器、实时时钟及外部通信接口设备进行数据传输至嵌入式处理器，然后通过模数转换模块、外部看门狗方案等计算和传输数据至显示屏。

2.3 通信单元

通信单元实现数据采集单元和数据显示终端的通信，采集单元由RS-485 接口传输实时观测数据和参数信息，也可通过命令输出历史测量数据。其中RS-485 默认数据通信波特率为9 600 bps，8 位数据位、1位停止位，无校验，每秒通信1 次，数据以Ascii 格式传输，可通过命令更改波特率，同时还支持蓝牙连接无线通信接收端。

2.4 供电单元

供电单元采用锂电池组供电，单组锂电池续航时间大于等于8 h，其中，单组锂电池由4 节18650 锂电池2 串2 并组成，并配有12 V 直流适配器进行充电，具有过压、过流充电和放电保护功能。

2.5 显示单元

显示单元采用OLED 显示屏，镶嵌在手柄底座的上部。主要显示时钟、风向、风速、气温、相对湿度、场面气压、修正海平面气压、雨量和电池电量等数据信息，显示刷新频率为1 s。

2.6 手柄式底座和按键

手柄式底座用于安装组合气象传感器，手柄便于单手握持，底座上部镶嵌显示屏，内部安装采集单元线路板，显示屏下方依次排列2 个按键，上数第一个按键为电源键，第二个按键为数据保持键。手柄内部装有电池盒，盒内安装锂电池组，外部套装防滑橡胶套。

2.7 便携三脚架

便携三脚架有利于自动气象站进行移动便携式架设，整体材料为铝合金材质，三脚架中间立柱设计为2节，便于收缩携带。三脚架收起后外形尺寸约130 mm×755 mm，重量小于等于2.9 kg。

3 使用方法

3.1 安装环境要求

当常规自观数据发生故障时，应及时把便携式自动气象站安装在观测平台上，此时便携式自动气象站的屏幕应正对目测方向。根据《民用航空气象探测设施及探测环境管理办法》规定，气象观测平台应当紧邻观测值班室进行设立，观测平台与机场标高的高度差应小于20 m。在观测平台上观测员应当能够目视至少1条跑道及其航空器最后进近区域。

3.2 安装具体步骤

首先取出三脚架，打开其上端的3 个扳扣，向下延长调整至最底端后锁紧扳扣。然后逆时针旋转云台底座旋钮到可调节状态，调整云台至水平仪中的气泡位于中间位置，随即顺时针旋转旋钮进行锁死，即可完成云台的水平校准。之后快装板底部箭头沿着云台上部箭头方向进行滑动放置，完成放入且听到保险栓声音后顺时针旋转快装板旋钮进行锁死固定。最后，将手柄式便携式自动气象站放入对应的快装卡槽中，调整卡槽旋钮固定仪器即可完成架设安装。

3.3 配置与采集数据

3.3.1 直接采集

按住便携式自动气象站电源键3 s，待屏幕点亮10 s 后显示测量值，但由于编发机场天气报告时需采集10 min 的风向风速值、稳定的温湿度及其他要素值，因此需将便携式自动气象站提前放置在观测平台至少10 min。

3.3.2 PC 端采集

数据面板自动以列表的形式展示所有当前时刻采集的数据，如图2 所示。此方法需要在PC 端提前下载好相应软件进行串口设置[5]，利用专门的数据线连接好PC 端后设置串口号COM2、波特率9 600、数据位8、检验位None 及停止位1，然后配置海拔高度4 m、相对高度16 m 和采集间隔5 s。

图2 PC 端数据面板展示

3.3.3 移动端采集

点击APP 底部导航中间的数据面板，即可展示所有数据的当前时刻采集的数据。此方法需要提前通过蓝牙连接移动端，配置好海拔高度4 m、相对高度16 m和采集间隔5 s。

4 数据的可行性

为验证数据的可行性，本次研究从观测应急保障的实际情况出发，把便携式自动气象站架设于观测平台测量气温、露点温度、相对湿度、场面气压、修正海平面气压以及雨量，将其采集到的2022 年7 月9 日13时05 分、18 时05 分、23 时05 分以及2023 年7 月10日04 时05 分的间隔5 h 的4 个时刻值与R15、R16、R33、R34 的自观数据进行对比。由于观测平台南侧有建筑物遮挡，便携式自动气象站所采集的风数据不具有可比性。

4.1 气温和露点温度

图3 和图4 给出了上述4 个时刻便携式自动气象站所测气温和露点温度与4 个跑道头自观数据的误差值。整体来看，由于观测平台与跑道的海拔高度存在一定的高度差，使得便携式自动气象站所测气温和露点温度较实际自观数据偏低，同时气温整体误差相比露点温度整体误差较小。由图4 不难看出，便携式自动气象站所测气温与东跑道自观数据更贴近，与西跑道自观数据误差较大，最大可达0.9 ℃。根据《民用航空气象地面观测规范》要求，发布机场天气报告时，气温和露点温度以最接近的整数进行报告，分辨率为1 ℃，当气温在0 ℃以上时，小数点后的数值四舍五入。而深圳机场2007—2017 年最低气温不低于0 ℃，气温和露点温度的允许误差范围在±0.9 ℃，因此便携式自动气象站所测气温和露点温度与实际自观数据误差在允许范围内。

图3 便携式自动气象站与自观气温误差

图4 便携式自动气象站与自观露点温度误差

4.2 相对湿度和修正海平面气压

根据仪器配置及多组实测数据可得，便携式自动气象站所测场面气压与修正海平面气压差值固定为0.5 hPa，跑道自观所测场面气压与修正海平面气压差值固定为0.4 hPa。由于机场天气报告中无须编发场面气压，故在此仅对修正海平面气压作对比分析。

图5 和图6 给出了上述4 个时刻便携式自动气象站所测相对湿度和修正海平面气压与4 个跑道头自观数据的误差值。考虑西跑道较东跑道更靠近珠江口，且观测平台位置处于2 条跑道中间的延长线，因此由图5 可看出便携式自动气象站所测相对湿度较东跑道自观数据偏高，但误差较西跑道偏小，而与西跑道实际自观数据误差普遍达到3%。从图6 可看出，经配置订正后的便携式自动气象站所测修正海平面气压与实际自观数据高度吻合，误差可控制在0.2 hPa 以内，但与基准观测点R16 自观数据相比普遍偏高。根据相关要求规定，当相对湿度小于等于（大于）90%时，允许误差范围在±3（4）%；修正海平面气压在机场天气报告中的取值直接截取整数，配合深圳机场观测实际业务要求，允许误差在2 hPa 以内，因此便携式自动气象站所测相对湿度和修正海平面气压与实际自观数据误差在允许范围内。