【正文】 se information with the ground temperature, air pressure, humidity and wind data. Since the atmospheric environment can not be imitated, it had to measure the various parameters by the ball. Our main content was to study how the variety of sensors to reflect the real atmospheric environment, whether the data obtained was accurate and how was it displayed and so on.Our main content for this study were as followed: firstly, formulated the munication protocol for the system and pleted the transmission and analysis of the data for the highaltitude meteorological observation。由于大氣環(huán)境無法模擬，只能通過放球來進(jìn)行各種參數(shù)的測量。（保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘要I摘 要基于 GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高空氣象探測系統(tǒng)是未來高空氣象探測的發(fā)展趨勢，為了滿足不斷提高的氣象觀測需求，提高我國氣象觀測事業(yè)的整體水平，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展新一代探空儀系統(tǒng)，對氣象傳感器、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使我國的新一代探空系統(tǒng)能夠進(jìn)入世界一流的行列。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。GPS 高空探測系統(tǒng)由 GPS 探空儀與地面接收處理系統(tǒng)組成。各種傳感器如何真實(shí)的反映大氣環(huán)境，得到的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、如何進(jìn)行顯示等是我們主要的研究內(nèi)容。 Secondly, pleted the selection and calibration for the variety of sensors, and established the mathematical models and algorithms to ensure the sensors can reflect the atmospheric environment accurately。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，每年我國因各種氣象災(zāi)害造成的受災(zāi)面積達(dá) 6000 萬公頃，受暴雨、臺風(fēng)、雷電、沙塵暴、冰雹、大霧、霜凍和干旱等重大氣象災(zāi)害影響的人口達(dá) 4 億多，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失很大。在氣象觀測領(lǐng)域中高空氣象探測提供了及其重要的第一手資料，所得信息直觀、方便的反映了高空氣象的環(huán)境。進(jìn)入 20 世紀(jì) 20～30 年代，在電報(bào)、短波無線電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研制了無線電經(jīng)緯儀和測風(fēng)雷達(dá)，這為建立全球高空觀測站網(wǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 【1】 加拿大、美國、澳大利亞、芬蘭都把GPS 作為未來高空探測體制的重要組成部分。 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)的選題依據(jù)我國幅員遼闊，各個(gè)地區(qū)的氣候差異較大，全國擁有眾多的氣象站，對高空氣象高空氣象探測系統(tǒng)的需求極大，主要包括以下幾個(gè)市場：從高空氣象探測民用市場，到 2022 年我國將建成 100 個(gè) GPS 高空氣象探測站，每個(gè)氣象臺站按每年高空氣象探測系統(tǒng)的消耗約 900 只，到 2022 我國年消耗高空氣象探測系統(tǒng)約 16 萬只。GPS 定位系統(tǒng)在高空氣象探測系統(tǒng)有著及其廣泛的應(yīng)用。GPS 高空氣象探測系統(tǒng)有多普勒 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)和測距定位 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)兩種設(shè)備。高空氣象探測系統(tǒng)主要完成大氣環(huán)境參數(shù)的測量，自身位置、移動(dòng)速度和方向測量，并將測量數(shù)據(jù)經(jīng)過通信鏈路發(fā)送到地面接收處理系統(tǒng)。介紹了高空氣象探測系統(tǒng)，闡述了研究的背景和意義，并給出了論文各章節(jié)的內(nèi)容安排。主要介紹了在高空氣象探測數(shù)據(jù)處理過程中可能使用到的算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。第五章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)測試及分析。第二章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)軟件需求分析及概要設(shè)計(jì)5第二章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)軟件需求分析及概要設(shè)計(jì) GPS 定位原理GPS 全球定位系統(tǒng)(Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Positioning System)是美國國防部 . Department of Defence 為滿足軍事部門對海上、陸地和空中進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位要求而建立的,系統(tǒng)始建于 1973 年，1994 年全部建成。全球定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展，引起各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關(guān)注。GPS 接收機(jī)對碼的量測就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤 差，故稱為偽距。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。 [13] GPS 高空氣象探測系統(tǒng)原理GPS 高空探測系統(tǒng)由 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)與地面接收處理系統(tǒng)組成。GPS 高空探測系統(tǒng)的特點(diǎn)十分明顯，主要呈現(xiàn)設(shè)備簡單，使用方便，自動(dòng)化程度高；測風(fēng)精度優(yōu)于 m/s，測風(fēng)和測高精度明顯得到提高；被動(dòng)接收體制使地面接收系統(tǒng)處于電磁的隱蔽狀態(tài)，避免測站受到電磁對抗和襲擊；機(jī)動(dòng)性能好。圖 21 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)系統(tǒng)框架圖地面接收處 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)主要將接收到的 GPS 信號、溫度濕度壓力傳感器測量到的 PTU 數(shù)據(jù)通過采集和編碼部件進(jìn)行編碼，利用發(fā)射機(jī)發(fā)送到地面設(shè)備。溫度傳感器 濕度傳感器 氣壓傳感器編 碼 發(fā)射機(jī)數(shù)字測量其它傳感器GPS 信號接收、變換電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8報(bào)文 I/O 用 戶探空接收機(jī) 解調(diào)器 數(shù)據(jù)終端市 電 UPS 電源 基測箱圖 22 GPS 探空系統(tǒng)地面接收處理設(shè)備框架圖地面接收處理系統(tǒng)對高空氣象探測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤以保證接收到實(shí)時(shí)的高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)通過解調(diào)設(shè)備進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)終端使用的軟件僅指數(shù)據(jù)處理終端的專業(yè)應(yīng)用軟件，首先在后臺進(jìn)行了對原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差進(jìn)行的修正，包括 PTU 數(shù)據(jù)的訂正、誤碼的處理等；高空氣象探測系統(tǒng)、差分 GPS 數(shù)據(jù)處理機(jī)的固化軟件。Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具。 Visual C++ 不僅是一個(gè) C++編譯器，而且是一個(gè)基于 Windows 操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment,IDE） 。為了能充分利用這些特性，必須理解 C++ 程序設(shè)計(jì)語言。用 MFC 所建立的代碼是完全可移植的。所以不要把 Developer Studio 當(dāng)成 Visual C++， 它充其量只是 Visual C++的一個(gè)殼子而已。但是，Visual C++也不等于 MFC。下面介紹如何建立一個(gè) Windows 應(yīng)用程序？好的開端是從設(shè)計(jì)用戶界面開始。傳統(tǒng)上，需要在紙上做一下用戶界面的草圖，直到對各元素感到滿意為止。 使用 C，程序員是在 Windows 應(yīng)用程序界面 ( API ) 的水平上編寫代碼。它就是 Microsoft 基本類庫 (MFC)，該庫的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高。因此，MFC 很值得推薦的開發(fā) Windows 應(yīng)用程序的方法，在本教程自始至終使用的都是 MFC。這就是事件驅(qū)動(dòng)代碼，它構(gòu)成了所有應(yīng)用程序。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文12第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析在高空氣象探測數(shù)據(jù)處理過程中，高空氣象探測系統(tǒng)首先需要選擇溫度濕度壓力等傳感器，并對傳感器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的標(biāo)定和處理。 溫度測量原理 溫度測量元件在氣象工作中用于測量溫度的電測傳感器正在普及。溫度變化小時(shí)，純金屬電阻的增加正比于溫度變化，如公式（）所示： （）??001TRaT???????式中：(T T0) 為很小值；R t 為一固定量金屬在溫度 T （以 K 為單位）時(shí)的電阻； R0 是其在參考溫度 T0 時(shí)的電阻；a 是在 T0 附近該金屬電阻的溫度系數(shù)。銅是適用于二級標(biāo)準(zhǔn)器的材料。這是一種電阻溫度系數(shù)相對大的半導(dǎo)體，隨實(shí)際材料的不同，電阻溫度系數(shù)可能為正值或?yàn)樨?fù)值。從測溫的觀點(diǎn)看，熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是：（a）在獲得相同靈敏度的前提下，大的電阻溫度系數(shù)能夠降低加在電阻橋兩端的電壓。因此，必須注意保持小的功耗。如果變動(dòng)一下其中一個(gè)接點(diǎn)的溫度，兩個(gè)電動(dòng)勢就不再平衡，電路里電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文14會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凈電動(dòng)勢，形成電流。E n 也可由給出的二次公式近似表示為： （）12n?? （）????2EaTbT?式中 a 和 b 是與兩種金屬有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)用于測量溫度時(shí)，將一個(gè)連接點(diǎn)保持在一個(gè)已知的標(biāo)準(zhǔn)溫度，用另一個(gè)接點(diǎn)感受需要測量的溫度，計(jì)算這時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢。采用適當(dāng)?shù)撵`敏儀表，熱電偶溫度表的精密度可以非常高，但是需要經(jīng)常檢定。在不平衡電橋中，可以用一電流表測量不平衡電流。可以采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施以避免這種誤差。 熱電偶測量熱電偶電動(dòng)勢的方法主要有兩種：（a）用一個(gè)靈敏的電流表測量電路的電流；（b）用一個(gè)已知的電動(dòng)勢來平衡熱電電動(dòng)勢，使熱電偶本身實(shí)際上沒有電流流過。 誤差來源 電阻和熱敏電阻用電阻溫度表測量溫度的主要誤差來源是：（a）溫度表元件自身加熱；（b）導(dǎo)線電阻補(bǔ)償不當(dāng)；（c）傳感器或處理儀器非線性補(bǔ)償不當(dāng)；（d）開關(guān)接觸電阻的突變。這些誤差可以用外接導(dǎo)體（平衡電阻）和一個(gè)合適的電橋網(wǎng)路來補(bǔ)償。當(dāng)開關(guān)使用年限增加時(shí)，就會(huì)發(fā)生開關(guān)接觸電阻的突變。因此，電路其余部分的溫差必須盡量的小；當(dāng)被測電動(dòng)勢較小的時(shí)候尤其重要（這種情況需要定期重新校準(zhǔn)） ；（d）電源電路近旁會(huì)有泄漏電流。如果使用校正過的標(biāo)準(zhǔn)電池，而且電位計(jì)的電流只在溫度測量前進(jìn)行調(diào)整，這種誤差一般很小。氣壓測量應(yīng)該達(dá)到技術(shù)上允許的高準(zhǔn)確度，而且在全國范圍內(nèi)氣壓測量和校準(zhǔn)必須具有一致性。下面介紹三種傳感器：第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析17 膜盒位移傳感器膜盒位移的非接觸式測量考慮作為氣象用的精密氣壓測量儀器，是很有必要的。裝氣壓敏感元件的盒子必須有氣密性，只允許從外部連通到需要測量壓力的分隔空間。選擇石英晶體是由于它的壓阻特性、穩(wěn)定的頻率特性、小的溫度影響及精確的頻率復(fù)現(xiàn)性。應(yīng)變片或者是貼在一個(gè)薄的圓形膜片上，膜片環(huán)繞在應(yīng)變片的周圍，或者是原子直接擴(kuò)散到硅膜片上。于是電橋輸出正比于加在膜片上的凈壓差。通常用發(fā)光管或液晶顯示器顯示被測氣壓值。這種傳感器是電磁維持的環(huán)形振蕩器。振動(dòng)的自然諧振頻率精確地隨施加于筒內(nèi)外的壓力差形成的應(yīng)力而變化。因?yàn)橥驳闹C振頻率與壓力之間有唯一的關(guān)系，所以大氣壓就可以從測得的頻率計(jì)算出來。常用的方法是插值基函數(shù)法，具有代表性的函數(shù)是拉格朗日函數(shù)，由此而構(gòu)造的插值多項(xiàng)式稱為拉格朗日插值多項(xiàng)式。由直線的點(diǎn)斜式方程（也可以用兩點(diǎn)式方程） ，所求線性插值函數(shù)可表示為： )()(0101 xxy??? （）為了將兩點(diǎn)插值公式推廣到多點(diǎn)插值問題，公式（1）可以寫成對稱形式： 10011)(yxyxL??? （）上式被稱為拉格朗日線性插值函數(shù)。公式（2）揭示了拉格朗日插值的特點(diǎn)，即插值多項(xiàng)式由插值基函數(shù)組成，插值基函數(shù)是一類簡單而有特點(diǎn)的多項(xiàng)式。由于每個(gè)插值基函數(shù)的零點(diǎn)都是插值結(jié)點(diǎn)，利用待定系數(shù)法及零點(diǎn)原理可以寫出三個(gè)插值基函數(shù)。所以，拉格朗日二次插值函數(shù)為： 020222 *)()(yxxL?? 12101*)(y?? 2022)(???0)(kkyl kkjjx?????????0 n 次插值由線性代數(shù)的基本理論，所有不高于 n 次的代數(shù)多項(xiàng)式全體組成一個(gè) n+1 維線性空間，其基有各種不同的取法。與計(jì)算二次拉格()nLx朗日插值基函數(shù)的方法類似，利用待定系數(shù)法及零點(diǎn)原理可以求出 n 次拉格朗日插值基函數(shù)的表達(dá)式： )())(()() 110 nkkkkk xxxxl ?????? ??， ,10??第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析21則 n 次拉格朗日插值多項(xiàng)式可寫成以下形式：??nkxlyxL0)()(＝ )()(10 xlyxlyl n?? ＝????nkjjk0)( 余項(xiàng)及誤差估計(jì)若函數(shù) )(xf在區(qū)間 ],[ba上有直到 n＋1 階的導(dǎo)數(shù)， )(xLn是 f在 n+1 個(gè)結(jié)點(diǎn) kx,10(n??處的 n 次拉格朗日插值多項(xiàng)式