【正文】 陳小平 高 工作 者 姓 名 章 勇學(xué) 號 202292504013 分類號 密級 UDC 注 1 學(xué) 位 論 文基于 GPS 的高空氣象探測地面系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（題名和副題名）章 勇（作者姓名）指導(dǎo)教師姓名 陳小平 高 工 電子科技大學(xué) 成 都 宋建琳 高 工 （職務(wù)、職稱、學(xué)位、單位名稱及地址） 申請專業(yè)學(xué)位級別 碩士 專業(yè)學(xué)位類別 工 程 碩 士 工程領(lǐng)域名稱 軟 件 工 程提交論文日期 2022 論文答辯日期 2022 學(xué)位授予單位和日期 電 子 科 技 大 學(xué) 答辯委員會主席 評閱人 2022 年 月 日注 1：注明《國際十進(jìn)分類法 UDC》的類號3獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。簽名： 日期： 年 月 日論 文 使 用 授 權(quán)本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。GPS 探空測量高空中的 GPS、溫度、濕度、壓力等信息，地面接收處理系統(tǒng)接收該信息并完成解算。進(jìn)過研究我們完成的主要內(nèi)容包括：首先制定適合本系統(tǒng)的通信協(xié)議，完成了高空氣象探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與解析；其次進(jìn)行了各種傳感器的選型與標(biāo)定工作，建立了各種數(shù)學(xué)模型和算法，使各種傳感器較為準(zhǔn)確的反映了大氣環(huán)境；最后完成了高空氣象探測系統(tǒng)的顯示軟件，使各種大氣值能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時的數(shù)據(jù)和曲線顯示，通過最小二乘法、差值、濾波等方法使曲線更加平滑、連續(xù)、真實(shí)。 finally, pleted the display software of the highaltitude meteorological observation system, so that the realtime data and curves of atmosphere could be displayed. To make the curves much smoother by the methods least squares, Dvalue and filtering. Key words: data acquisition。如何提高我國大氣探測水平刻不容緩。 高空氣象探測的發(fā)展趨勢各國進(jìn)行高空探測歷史早在 18 世紀(jì)中葉就開始了，人們先后用風(fēng)箏和氣球攜帶探測儀器進(jìn)行直接高空探測的試驗(yàn)。到 40 年代，發(fā)明了氣象火箭，使探測高度達(dá)到了 100 公里以上。目前芬蘭的 GPS 探空儀處于全球領(lǐng)先水平。還有軍用高空探測市場，在未來三年內(nèi)每年對高空探測系統(tǒng)大約有數(shù)十套的需求，高空氣象探測系統(tǒng)也有 4 萬只的需求；另外衛(wèi)星導(dǎo)航高空探測在森林防火部門、民用航空等領(lǐng)域也有一定的市場需求，到2022 消耗高空氣象探測系統(tǒng)約 2 萬只。除了提供高精度的定位信息外，還具有系統(tǒng)設(shè)備簡單、故障低、自動化程度高、功耗低、操作簡易等優(yōu)點(diǎn)。兩種高空氣象探測系統(tǒng)包括一種是直接提取無線電信號的多普勒頻移。地面接收處理系統(tǒng)由 UHF 接收機(jī)處理器、GPS 接收機(jī)、PC 機(jī)組成。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)。為討論數(shù)據(jù)處理結(jié)果提供預(yù)備知識。高空氣象探測系統(tǒng)在完成初步設(shè)計(jì)之后進(jìn)行實(shí)際測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。它是新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS 定位技術(shù)的高度自動化及其所達(dá)到的高精度和具有的巨大潛力，為測繪行業(yè)帶來了巨大的變革。對 0A 碼測得的偽距稱為 UA碼偽距，精度約為 20 米左右，對 P 碼測得的偽距稱為 P 碼偽距，精度約為 2 米左右。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達(dá)到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。在 GPS 觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別） ，應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。其探空的基本工作原理是：利用 GPS 衛(wèi)星信號實(shí)時確定探空氣球飛行軌跡所在位置的三維坐標(biāo)，從而得到任意高度上的風(fēng)矢量。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)7GPS 探測設(shè)備可用于陸地，也可用于活動平臺( 如船艦、飛機(jī)及車輛等)，可以隨時隨地完成氣象保障任務(wù)。GPS 信號接收處理器采用并行碼相關(guān)技術(shù)，衛(wèi)星信號跟蹤通道數(shù)不少于8 個，數(shù)據(jù)采集部件預(yù)留了兩個數(shù)字或模擬通道。同時地面設(shè)備也需要計(jì)算出自身的 GPS 位置信息，我們通過差分 GPS 這項(xiàng)技術(shù)來提供了高精度的位置信息，這要對于我們進(jìn)行后期的位置處理是很有幫助的。系統(tǒng)軟件內(nèi)容包括了對地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、系統(tǒng)自檢及信號上傳、高空氣象探測系統(tǒng)基測、施放瞬間值、TPU 及GPS 原始數(shù)據(jù)的接收及處理（包括對基測差值等數(shù)據(jù)的訂正） 、質(zhì)量檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)化，各規(guī)定層記錄的計(jì)算，各特性層的挑選及記錄的計(jì)算，報文編發(fā)及各類數(shù)據(jù)的存檔、根據(jù)需要輸出溫、壓、濕、風(fēng)等基本要素轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件等功能。自 1993 年 Microsoft 公司推出 Visual C++ 后，隨著其新版本的不斷問世，Visual C++已成為專業(yè)程序員進(jìn)行軟件開發(fā)的首選工具。Visual C++由許多組件組成，包括編輯器、調(diào)試器以及程序向?qū)?AppWizard、類向?qū)?Class Wizard 等開發(fā)工具。掌握了 C++，必須掌握 Microsoft 基本類庫 (MFC) 的層次結(jié)構(gòu)。第 Developer Studio，這是一個集成開發(fā)環(huán)境， 我們?nèi)粘９ぷ鞯?99%都是在它上面完成的，再加上它的標(biāo)題赫然寫著“Microsoft Visual C++”，所以很多人理所當(dāng)然的認(rèn)為，那就是 Visual C++了。這一點(diǎn)請切記！ 第二、MFC,從理論上來講， MFC 也不是專用于 Visual C++，Borland C++， C++Builder 和 Symantec C++同樣可以處理 MFC。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10第三、Platform SDK,這才是 Visual C++和整個 Visual Studio 的精華和靈魂，雖然我們很少能直接接觸到它。首先，要決定什么樣的用戶能使用該程序并根據(jù)需要來設(shè)置相應(yīng)的用戶界面對象。這對于一些比較小的項(xiàng)目，以及一些大項(xiàng)目的早期原型階段是可以的。該界面是由幾百個 C 函數(shù)所組成，這些函數(shù)在 Windows API 參考手冊中都有介紹。它減少了大量在建立 Windows 程序時必須編寫的代碼。當(dāng)是使用 MFC 時，編寫的代碼是用來建立必要的用戶界面控制并定制其外觀。一旦應(yīng)用程序正確的響應(yīng)了所有允許的控制，它的任務(wù)也就完成了。另外關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容是對于探測所獲取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行曲線擬合。它的主要優(yōu)點(diǎn)在于，能夠提供適用于溫度數(shù)據(jù)遙測顯示、記錄、存儲或傳送的信號輸出。以 0℃作為參考溫度，公式（）變?yōu)椋? （）??01TRt??溫度變化較大時，對于某些合金，公式表示的關(guān)系式較為準(zhǔn)確： （）????2022TaT??????以 0℃作為參考溫度，公式變?yōu)椋? ? （）201TRt??這些公式給出了真實(shí)溫度表的電阻隨溫度成比例的變化，根據(jù)對有關(guān)溫度表的校準(zhǔn)，可以得出系數(shù) a 與 β 的數(shù)值。氣象用的實(shí)用溫度表，通常都是由鉑合金、鎳或銅（偶爾用鎢）制成，在使用前都經(jīng)人工老化。金屬燒結(jié)氧化物的混合體，適合于制作實(shí)用熱敏電阻。這樣，就能減少甚至可以消除對引線電阻及其變化的考慮。在40℃到+40℃溫度范圍內(nèi)，典型的熱敏電阻的阻值有 100 或 200 倍的變化。當(dāng)有多個接點(diǎn)的時候，能得到的電動勢是各單個電動勢的代數(shù)和。對于氣象用途來說，可能常常將 b 忽略，因?yàn)榕c a 相比它總是很小。通過對該系統(tǒng)的事先校準(zhǔn)，電動勢可以直接與兩個連接點(diǎn)間溫差建立聯(lián)系，這樣通過已知校準(zhǔn)溫度加上差值的代數(shù)和，就可得出未知的溫度。銅康銅或鐵 康銅組合適用于氣象工作，因?yàn)樗鼈兠繑z氏度產(chǎn)生的電動勢高于高溫測量用的稀有金屬和貴金屬的熱電偶。然而，這一電流不單是溫度的函數(shù)，而且還部分地依賴于其他效應(yīng)。數(shù)字電壓表可以用一恒流電源聯(lián)接，以測量溫度表元件兩端隨溫度而變的電壓降；其輸出可直接以溫度來標(biāo)度。在方法（a）中，電流表以串聯(lián)方式直接和兩個接點(diǎn)相連。自身加熱的發(fā)生是因?yàn)殡娮柙须娏魍ㄟ^而產(chǎn)生熱量，這樣，溫度表元件的溫度比周圍介質(zhì)溫度要高。在擴(kuò)大的溫度范圍內(nèi)，電阻溫度表和熱敏電阻溫度表都不是線性的，但是如果在一個有限的溫度范圍內(nèi)使用，仍可以取得接近線性的輸出。除非定期進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)檢查，否則可能不易覺察。適當(dāng)屏蔽導(dǎo)線可以使這種影響減至最??；（e）如果導(dǎo)線或接點(diǎn)沾水就會產(chǎn)生激勵電流；（f）電流計(jì)的溫度變化引起其特性改變（首要的是改變其電阻） 。當(dāng)要求的準(zhǔn)確度非常高時，誤差（a）和（f）使電位測量法的優(yōu)勢顯得更加突出。大多數(shù)氣壓測量設(shè)備都使用了轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把敏感元件的響應(yīng)轉(zhuǎn)換為與壓力相應(yīng)的電氣量，用兩種形式的模擬信號，例如電壓信號（直流電壓 DC、或頻率與實(shí)際壓力相關(guān)的交流電壓 AC） ；或數(shù)字信號，例如脈沖頻率；或使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，諸如 RS23RS422 或 IEEE488。已在使用的這類轉(zhuǎn)換器有很多種，包括電容式位移探測器、電位器式探測器、安裝在傳感器關(guān)鍵點(diǎn)上的應(yīng)變片和能保持傳感器的大小不隨壓力變化的力平衡伺服系統(tǒng)。 數(shù)字壓阻傳感器利用壓電（壓阻）效應(yīng)的大氣壓力測量已成為可能。經(jīng)柔性傳壓管加到輸入口上的壓力引起軸向力，形成施加在石英晶體元件上的壓縮力。在用擴(kuò)散法制作的應(yīng)變片元件中，硅集成片本身就是感應(yīng)壓力的膜片。這種工作模式的原理是，大氣壓作用在敏感元件所覆蓋的抽空的小盒上，通過小盒使電阻受到壓縮或拉伸應(yīng)力的作用，由壓電效應(yīng)，電阻值的變化與大氣壓成正比。在使用壓轉(zhuǎn)換器的新型氣壓轉(zhuǎn)換器中，可以測出壓電元件的兩個共振頻率。輸入壓力引起機(jī)械振蕩系統(tǒng)自振頻率的變化。壓力增加，頻率也增加。然而，在校準(zhǔn)時確定的這種關(guān)系還會受到溫度和氣體密度的影響，所以需要溫度補(bǔ)償和推薦采用干空氣。首先我們來討論拉格朗日插值方法的線性插值法。在這一表達(dá)式中， )(1是兩個函數(shù)值0y和 1的線性組合，組合系數(shù)是兩個線性函數(shù)：)(xl??， 011)(xl??，并且 )(10??xl。于是一個插值問題可分解為幾個求基函數(shù)的特殊插值問題。以 (0xl為例，由公式（3）可知，插值結(jié)點(diǎn) 1x與 2為)(0l的兩個零點(diǎn)，故應(yīng)有 )()21xc??，而在 0處， )(l的值為 1。如果取滿足條件： ?????kixlik01)(的一組 n 次代數(shù)多項(xiàng)式作為上述線性空間的基（讀者試證(,01,2)ik??明，滿足上述條件的一組代數(shù)多項(xiàng)式必定線性無關(guān)） ，則容易看出： ???nknxlyxlyxlyl 010 )()()(? （）必定是一個次數(shù)不高于 n 次的代數(shù)多項(xiàng)式，而且它在結(jié)點(diǎn) 上的值01,nx?依次為 。 其中???nkknx01(?， ),(ba?且依賴于 x。()fx ()nfxL?（2）在誤差估計(jì)公式 )(xRn≤ ???jjxM0)!1中，當(dāng)插值點(diǎn) 在某結(jié)點(diǎn)的鄰域內(nèi)時，誤差可能會很小。 但對絕大多數(shù)函數(shù)而言，插值余項(xiàng)會隨插值結(jié)點(diǎn)的增加而減小，因而可以用增加插值結(jié)點(diǎn)的方法來提高插值的精度。我們在下面介紹的幾種具體的數(shù)據(jù)處理方法中都會使用插值法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。最小二乘法的基本思想是對應(yīng)數(shù)據(jù)確定的擬合曲線與各坐標(biāo)點(diǎn)的偏差的平方和最小。 [3]我們通過對幾次放球試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)最小二乘法和線性插值是可以進(jìn)行溫度曲線的擬合處理的。與其他方法相比，奇異值分解善于診斷和解決病態(tài)矩陣，對于最小二乘法是一個比較有效的方法。選擇不同的擬合長度和擬合多項(xiàng)式冪次，會得到不同的擬合誤差。而奇偶校驗(yàn)就是在每一字節(jié)之后增加了一位作為錯誤檢測位。 2）CRC 校驗(yàn)CRC 校驗(yàn)即循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。在接收端則根據(jù) CRC 碼和信息碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行校驗(yàn)，以確定傳送中是否發(fā)生錯誤。第四章 高空氣象探測系統(tǒng)地面軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)25第四章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)地面軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 軟件總體框架設(shè)計(jì)GPS 高空氣象探測系統(tǒng)是由高空氣象探測系統(tǒng)和地面系統(tǒng)等部分組成的，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳