【正文】 第四章 高空氣象探測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)是由高空氣象探測(cè)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)的傳輸。 2）CRC 校驗(yàn)CRC 校驗(yàn)即循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。選擇不同的擬合長度和擬合多項(xiàng)式冪次，會(huì)得到不同的擬合誤差。 [3]我們通過對(duì)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。我們?cè)谙旅娼榻B的幾種具體的數(shù)據(jù)處理方法中都會(huì)使用插值法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。()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(shí)，誤差可能會(huì)很小。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(gè)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 。于是一個(gè)插值問題可分解為幾個(gè)求基函數(shù)的特殊插值問題。首先我們來討論拉格朗日插值方法的線性插值法。壓力增加，頻率也增加。在使用壓轉(zhuǎn)換器的新型氣壓轉(zhuǎn)換器中，可以測(cè)出壓電元件的兩個(gè)共振頻率。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。 數(shù)字壓阻傳感器利用壓電（壓阻）效應(yīng)的大氣壓力測(cè)量已成為可能。大多數(shù)氣壓測(cè)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(hào)，例如電壓信號(hào)（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(hào)，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。適當(dāng)屏蔽導(dǎo)線可以使這種影響減至最?。唬╡）如果導(dǎo)線或接點(diǎn)沾水就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)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） 。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(gè)有限的溫度范圍內(nèi)使用，仍可以取得接近線性的輸出。在方法（a）中，電流表以串聯(lián)方式直接和兩個(gè)接點(diǎn)相連。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)。通過對(duì)該系統(tǒng)的事先校準(zhǔn)，電動(dòng)勢(shì)可以直接與兩個(gè)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。當(dāng)有多個(gè)接點(diǎn)的時(shí)候，能得到的電動(dòng)勢(shì)是各單個(gè)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。這樣，就能減少甚至可以消除對(duì)引線電阻及其變化的考慮。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。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(cè)顯示、記錄、存儲(chǔ)或傳送的信號(hào)輸出。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。它減少了大量在建立 Windows 程序時(shí)必須編寫的代碼。這對(duì)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。 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(gè) Visual Studio 的精華和靈魂，雖然我們很少能直接接觸到它。第 Developer Studio，這是一個(gè)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。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。系統(tǒng)軟件內(nèi)容包括了對(duì)地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、系統(tǒng)自檢及信號(hào)上傳、高空氣象探測(cè)系統(tǒng)基測(cè)、施放瞬間值、TPU 及GPS 原始數(shù)據(jù)的接收及處理（包括對(duì)基測(cè)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(bào)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。GPS 信號(hào)接收處理器采用并行碼相關(guān)技術(shù)，衛(wèi)星信號(hào)跟蹤通道數(shù)不少于8 個(gè)，數(shù)據(jù)采集部件預(yù)留了兩個(gè)數(shù)字或模擬通道。其探空的基本工作原理是：利用 GPS 衛(wèi)星信號(hào)實(shí)時(shí)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。相位觀測(cè)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(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位 精度也只能采用相位觀測(cè)值。GPS 定位技術(shù)的高度自動(dòng)化及其所達(dá)到的高精度和具有的巨大潛力，為測(cè)繪行業(yè)帶來了巨大的變革。高空氣象探測(cè)系統(tǒng)在完成初步設(shè)計(jì)之后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。第二章 GPS 高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件需求分析及概要設(shè)計(jì)。兩種高空氣象探測(cè)系統(tǒng)包括一種是直接提取無線電信號(hào)的多普勒頻移。還有軍用高空探測(cè)市場，在未來三年內(nèi)每年對(duì)高空探測(cè)系統(tǒng)大約有數(shù)十套的需求，高空氣象探測(cè)系統(tǒng)也有 4 萬只的需求；另外衛(wèi)星導(dǎo)航高空探測(cè)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(cè)系統(tǒng)約 2 萬只。到 40 年代，發(fā)明了氣象火箭，使探測(cè)高度達(dá)到了 100 公里以上。如何提高我國大氣探測(cè)水平刻不容緩。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(cè)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(cè)系統(tǒng)的顯示軟件，使各種大氣值能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)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)。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。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集，傳感器標(biāo)定，算法優(yōu)化。高空氣象觀測(cè)主要觀測(cè)大氣層中不同高度上的風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度、氣壓為主，另外還有一些特殊的項(xiàng)目，如大氣臭氧、輻射、成分、大氣電等的研究。60 年代以后,氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展大大極高了全球性的高空氣象探測(cè)的水平。利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的高空氣象探測(cè)系統(tǒng)已成為當(dāng)今世界高空氣象探測(cè)的發(fā)展主流。另一種是測(cè)距定位,然后測(cè)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的介紹了GPS 的定位原理，高空氣象探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，為后續(xù)章節(jié)內(nèi)容的描述和理解做鋪墊。第六章 總結(jié)與展望。十多年來，由于理論研究、新應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、軟、硬件的開發(fā)等方面的迅速發(fā)展，己使 GPS 定位技術(shù)廣泛滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的科學(xué)技術(shù)的諸多領(lǐng)域，尤其是對(duì)測(cè)繪學(xué)的各個(gè)方面都產(chǎn)生了極其深刻的影響從 1978 年發(fā)射第一顆 GPS 衛(wèi)星以來，利用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的研究、開發(fā)和實(shí)驗(yàn)工作發(fā)展迅速。 按定位方式，GPS 定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位） 。高空氣象探測(cè)系統(tǒng)上的 TPU 傳感器進(jìn)行溫、壓、濕氣象要素測(cè)量。高空氣象探測(cè)系統(tǒng)的難點(diǎn)主要涉及到各傳感器的特性的尋找，如何利用軟件來對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定和算法的確定，同時(shí)需要注意的就是發(fā)射機(jī)功率控制的問題，既要保證功率發(fā)射達(dá)到正常值又要盡量的降低功耗，這也要利用軟件很好的加以控制。 [15] 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用的開發(fā)平臺(tái)是 Visual C++ 。 這些組件通過一個(gè)名為 Developer Studio 的組件集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。其實(shí)不然，雖然 Developer Studio 提供了一個(gè)很好的編輯器和很多 Wizard，但實(shí)際上它沒有任何編譯和鏈接程序的功能，真正完成這些工作的幕后英雄后面會(huì)介紹。大致說來，Platform SDK 是以 Microsoft C/C++編譯器為核心（不是 Visual C++，看清楚了） ，配合 MASM，輔以其他一些工具和文檔資料。下一步，是要實(shí)現(xiàn)代碼。同時(shí)它還提供了所有一般 C++ 編程的優(yōu)點(diǎn)，例如繼承和封裝?？梢钥闯?，使用 MFC 進(jìn)行 Windows 編程時(shí)是一件比較容易的過程。最常用的傳感器是電阻元件、熱敏電阻和熱電偶。它們通常用玻璃或陶瓷進(jìn)行密封絕緣，但它們的時(shí)間常數(shù)仍然比玻璃液體溫度表要小。（b）元件能夠做得非常小，因而熱容量很小，可得到小的時(shí)間常數(shù)。任意接點(diǎn)接觸電動(dòng)勢(shì)的大小和符號(hào)，取決于連接的金屬類型和接點(diǎn)處的溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，任何兩種金屬的電動(dòng)勢(shì)可用下式表示： （）??????2TSSSEaT?????式中 E T 是在溫度 T 處的接觸電動(dòng)勢(shì)， E S 是在某一標(biāo)準(zhǔn)溫度 T S 處的電動(dòng)勢(shì)， a 和 β 是常數(shù)。通常在氣象學(xué)的研究工作中，當(dāng)需要溫度表有非常小的時(shí)間常數(shù)（約 1 或 2 秒）并能遠(yuǎn)距離讀數(shù)和記錄時(shí)，熱電偶用得最多。避免這一情況的方法是用恒流電源供給橋路，并且測(cè)量不平衡電壓以取得溫度讀第三章 GPS 高空氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析15數(shù)。如果要求測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于 %時(shí)，通常采用方法（b） 。因此必須采取措施，對(duì)這種非線性進(jìn)行補(bǔ)償。這決不會(huì)影響用電位法測(cè)取的讀數(shù)，但會(huì)影響直接讀數(shù)的儀器。模擬信號(hào)可以用多種電子顯示方式。通常的構(gòu)型是在整塊硅基板的柔性表面上形成 4 個(gè)電阻，互連成惠斯登電橋電路。所加的壓力分散地作用在膜片上，進(jìn)而，由膜片提供彎曲應(yīng)力以及應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變電阻。在校準(zhǔn)后，通過計(jì)算可以獲得這些頻率與相應(yīng)的一組變量的線性函數(shù)，由微處理器計(jì)算出氣壓，所得氣壓值不受傳感器溫度的影響。薄壁筒具有能滿足設(shè)計(jì)壓力測(cè)量范圍所要求的足夠的剛性和質(zhì)量，它安裝在結(jié)實(shí)的基座上。已知數(shù)據(jù)（ 0x， y） ， （ 1x， y）求滿足插值條件： 0)(L?，11)(L?的線性插值函數(shù)： xa0?。 拋物插值若已知數(shù)據(jù)為：（ kx， y） ， （ 2,10?k） ，求滿足插值條件 02)(yxL?，12)(yxL?， 22)(?的二次插值函數(shù) )(xL。也就是說，由 n+1 個(gè) n 次代數(shù)多項(xiàng)式 線性01,ny? ()()ll?生成的多項(xiàng)式(4) ，就是滿足插值條件的 n 次代數(shù)多項(xiàng)式。而在一般情況下，不能保證誤差會(huì)很小，這將取決于 nM以及???jjx0的值，如果 n和 ?jj0的值較大時(shí)，誤差可能會(huì)較大，說明當(dāng) ??時(shí)，誤差不一定趨向于零，即插值多項(xiàng)式隨次數(shù)的增加不一定收斂于被插值函數(shù)。 [27] 最小二乘法在實(shí)際科學(xué)以及工程實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)、勘測(cè)或測(cè)試常常會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，為了解釋這些數(shù)據(jù)進(jìn)而利用這些數(shù)據(jù)，我們常常需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)建立各種模型，尋找能近似反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律的一種函數(shù)。其經(jīng)驗(yàn)公式確定為 n 次多項(xiàng)式，即??010njjxaxa?????由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量比較大，因而選擇分段擬合，它具有較好的靈活性和穩(wěn)定性，本質(zhì)上適合這種大數(shù)據(jù)量的問題。 [29] 數(shù)據(jù)校驗(yàn)為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每幀傳輸過程中都加了 CRC 校驗(yàn)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)控及通信領(lǐng)域。我們首先制定好通信協(xié)議，地面和高空氣象探測(cè)系統(tǒng)按照制定后的協(xié)議進(jìn)行通信，地面接收系統(tǒng)讀取串口數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議進(jìn)行解析；完整正確的解析數(shù)據(jù)后就是本次研究的重點(diǎn)數(shù)據(jù)處理了。 [30] 小結(jié)本章主要介紹了溫度、壓力等的測(cè)量方法，以及使用的各種傳感器敏感元件的特點(diǎn)和原理，這樣我們就可以為我們選定什么樣的傳感器做好準(zhǔn)備；然后介紹了數(shù)據(jù)處理的各種算法和誤碼處理的原理，依托這些原理可以很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化和曲線的平滑顯示，是數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。從而能檢測(cè)出內(nèi)存是否錯(cuò)誤，但奇偶校驗(yàn)只能檢測(cè)出錯(cuò)誤而無法對(duì)其進(jìn)行改正，同時(shí)奇偶校驗(yàn)卻無法檢測(cè)出雙位同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。上述過程主要采用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行數(shù)值求解及畫圖，既方便且又能相應(yīng)提高擬合精度。上述擬合過程在數(shù)控加工的編程工作中，一般被稱為第一次逼近（或稱第一次數(shù)學(xué)描述） ，由于受數(shù)控機(jī)床控制功能的限制，第一次逼近所取得的結(jié)果一般都不能直接用于編程，而必須取得逼近列表曲線的直線或圓弧數(shù)據(jù)，這一擬合過第三章 GPS 高空氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析23程在編程中被稱為第二次逼近（或稱為第二次數(shù)學(xué)描述） 。我們?cè)趯?shí)際處理中常常存在測(cè)試點(diǎn)丟失或出現(xiàn)野值舍棄等情況，插值法可以很好的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性、一致性。同時(shí)注意以下問題：（1）若 本身就是次數(shù)不超過 n次的多項(xiàng)式，則有： 。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。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。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。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。通常用發(fā)光管或液晶顯示器顯示被測(cè)氣壓值。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。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(cè)量壓力的分隔空間。氣壓測(cè)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(cè)量和校準(zhǔn)必須具有一致性。因此，電路其余部分的溫