【正文】 第四章 高空氣象探測系統(tǒng)地面軟件詳細設計及實現25第四章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)地面軟件詳細設計及實現 軟件總體框架設計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，通過通信模塊實現了數據的傳輸。 2）CRC 校驗CRC 校驗即循環(huán)冗余碼校驗。選擇不同的擬合長度和擬合多項式冪次，會得到不同的擬合誤差。 [3]我們通過對幾次放球試驗得到的數據進行比較，發(fā)現最小二乘法和線性插值是可以進行溫度曲線的擬合處理的。我們在下面介紹的幾種具體的數據處理方法中都會使用插值法來對數據進行優(yōu)化。()fx ()nfxL?（2）在誤差估計公式 )(xRn≤ ???jjxM0)!1中，當插值點 在某結點的鄰域內時，誤差可能會很小。如果取滿足條件： ?????kixlik01)(的一組 n 次代數多項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多項式必定線性無關） ，則容易看出： ???nknxlyxlyxlyl 010 )()()(? （）必定是一個次數不高于 n 次的代數多項式，而且它在結點 上的值01,nx?依次為 。于是一個插值問題可分解為幾個求基函數的特殊插值問題。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。在使用壓轉換器的新型氣壓轉換器中，可以測出壓電元件的兩個共振頻率。在用擴散法制作的應變片元件中，硅集成片本身就是感應壓力的膜片。 數字壓阻傳感器利用壓電（壓阻）效應的大氣壓力測量已成為可能。大多數氣壓測量設備都使用了轉換器，轉換器把敏感元件的響應轉換為與壓力相應的電氣量，用兩種形式的模擬信號，例如電壓信號（直流電壓 DC、或頻率與實際壓力相關的交流電壓 AC） ；或數字信號，例如脈沖頻率；或使用標準數據通信協(xié)議，諸如 RS23RS422 或 IEEE488。適當屏蔽導線可以使這種影響減至最??；（e）如果導線或接點沾水就會產生激勵電流；（f）電流計的溫度變化引起其特性改變（首要的是改變其電阻） 。在擴大的溫度范圍內，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，電流表以串聯方式直接和兩個接點相連。然而，這一電流不單是溫度的函數，而且還部分地依賴于其他效應。通過對該系統(tǒng)的事先校準，電動勢可以直接與兩個連接點間溫差建立聯系，這樣通過已知校準溫度加上差值的代數和，就可得出未知的溫度。當有多個接點的時候，能得到的電動勢是各單個電動勢的代數和。這樣，就能減少甚至可以消除對引線電阻及其變化的考慮。氣象用的實用溫度表，通常都是由鉑合金、鎳或銅（偶爾用鎢）制成，在使用前都經人工老化。它的主要優(yōu)點在于，能夠提供適用于溫度數據遙測顯示、記錄、存儲或傳送的信號輸出。一旦應用程序正確的響應了所有允許的控制，它的任務也就完成了。它減少了大量在建立 Windows 程序時必須編寫的代碼。這對于一些比較小的項目，以及一些大項目的早期原型階段是可以的。 電子科技大學碩士學位論文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。第 Developer Studio，這是一個集成開發(fā)環(huán)境， 我們日常工作的 99%都是在它上面完成的，再加上它的標題赫然寫著“Microsoft Visual C++”，所以很多人理所當然的認為，那就是 Visual C++了。Visual C++由許多組件組成，包括編輯器、調試器以及程序向導 AppWizard、類向導 Class Wizard 等開發(fā)工具。系統(tǒng)軟件內容包括了對地面設備進行監(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 原始數據的接收及處理（包括對基測差值等數據的訂正） 、質量檢驗及標準化，各規(guī)定層記錄的計算，各特性層的挑選及記錄的計算，報文編發(fā)及各類數據的存檔、根據需要輸出溫、壓、濕、風等基本要素轉換成數據文件等功能。GPS 信號接收處理器采用并行碼相關技術，衛(wèi)星信號跟蹤通道數不少于8 個，數據采集部件預留了兩個數字或模擬通道。其探空的基本工作原理是：利用 GPS 衛(wèi)星信號實時確定探空氣球飛行軌跡所在位置的三維坐標，從而得到任意高度上的風矢量。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碩士學位論文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，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。GPS 定位技術的高度自動化及其所達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。高空氣象探測系統(tǒng)在完成初步設計之后進行實際測試，并對測試結果進行了分析。第二章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)軟件需求分析及概要設計。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。還有軍用高空探測市場，在未來三年內每年對高空探測系統(tǒng)大約有數十套的需求，高空氣象探測系統(tǒng)也有 4 萬只的需求；另外衛(wèi)星導航高空探測在森林防火部門、民用航空等領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。到 40 年代，發(fā)明了氣象火箭，使探測高度達到了 100 公里以上。如何提高我國大氣探測水平刻不容緩。進過研究我們完成的主要內容包括：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)的數據傳輸與解析；其次進行了各種傳感器的選型與標定工作，建立了各種數學模型和算法，使各種傳感器較為準確的反映了大氣環(huán)境；最后完成了高空氣象探測系統(tǒng)的顯示軟件，使各種大氣值能夠實現實時的數據和曲線顯示，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。簽名： 日期： 年 月 日論 文 使 用 授 權本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權電子科技大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。關鍵詞：數據采集，傳感器標定，算法優(yōu)化。高空氣象觀測主要觀測大氣層中不同高度上的風向、風速、濕度、溫度、氣壓為主，另外還有一些特殊的項目，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)星技術的發(fā)展大大極高了全球性的高空氣象探測的水平。利用衛(wèi)星導航定位技術的高空氣象探測系統(tǒng)已成為當今世界高空氣象探測的發(fā)展主流。另一種是測距定位,然后測速系統(tǒng)。系統(tǒng)的介紹了GPS 的定位原理，高空氣象探測系統(tǒng)設計框架，為后續(xù)章節(jié)內容的描述和理解做鋪墊。第六章 總結與展望。十多年來，由于理論研究、新應用領域的開拓、軟、硬件的開發(fā)等方面的迅速發(fā)展，己使 GPS 定位技術廣泛滲透到經濟建設的科學技術的諸多領域，尤其是對測繪學的各個方面都產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)進行定位的研究、開發(fā)和實驗工作發(fā)展迅速。 按定位方式，GPS 定位分為單點定位和相對定位（差分定位） 。高空氣象探測系統(tǒng)上的 TPU 傳感器進行溫、壓、濕氣象要素測量。高空氣象探測系統(tǒng)的難點主要涉及到各傳感器的特性的尋找，如何利用軟件來對傳感器進行標定和算法的確定，同時需要注意的就是發(fā)射機功率控制的問題，既要保證功率發(fā)射達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)平臺本系統(tǒng)軟件設計使用的開發(fā)平臺是 Visual C++ 。 這些組件通過一個名為 Developer Studio 的組件集成為和諧的開發(fā)環(huán)境。其實不然，雖然 Developer Studio 提供了一個很好的編輯器和很多 Wizard，但實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，是要實現代碼。同時它還提供了所有一般 C++ 編程的優(yōu)點，例如繼承和封裝?？梢钥闯?，使用 MFC 進行 Windows 編程時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行密封絕緣，但它們的時間常數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，可得到小的時間常數。任意接點接觸電動勢的大小和符號，取決于連接的金屬類型和接點處的溫度，根據經驗，任何兩種金屬的電動勢可用下式表示： （）??????2TSSSEaT?????式中 E T 是在溫度 T 處的接觸電動勢， E S 是在某一標準溫度 T S 處的電動勢， a 和 β 是常數。通常在氣象學的研究工作中，當需要溫度表有非常小的時間常數（約 1 或 2 秒）并能遠距離讀數和記錄時，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，并且測量不平衡電壓以取得溫度讀第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數據處理方法分析15數。如果要求測量準確度優(yōu)于 %時，通常采用方法（b） 。因此必須采取措施，對這種非線性進行補償。這決不會影響用電位法測取的讀數，但會影響直接讀數的儀器。模擬信號可以用多種電子顯示方式。通常的構型是在整塊硅基板的柔性表面上形成 4 個電阻，互連成惠斯登電橋電路。所加的壓力分散地作用在膜片上，進而，由膜片提供彎曲應力以及應變片產生的應變電阻。在校準后，通過計算可以獲得這些頻率與相應的一組變量的線性函數，由微處理器計算出氣壓，所得氣壓值不受傳感器溫度的影響。薄壁筒具有能滿足設計壓力測量范圍所要求的足夠的剛性和質量，它安裝在結實的基座上。已知數據（ 0x， y） ， （ 1x， y）求滿足插值條件： 0)(L?，11)(L?的線性插值函數： xa0?。 拋物插值若已知數據為：（ kx， y） ， （ 2,10?k） ，求滿足插值條件 02)(yxL?，12)(yxL?， 22)(?的二次插值函數 )(xL。也就是說，由 n+1 個 n 次代數多項式 線性01,ny? ()()ll?生成的多項式(4) ，就是滿足插值條件的 n 次代數多項式。而在一般情況下，不能保證誤差會很小，這將取決于 nM以及???jjx0的值，如果 n和 ?jj0的值較大時，誤差可能會較大，說明當 ??時，誤差不一定趨向于零，即插值多項式隨次數的增加不一定收斂于被插值函數。 [27] 最小二乘法在實際科學以及工程實踐中，實驗、勘測或測試常常會產生大量的數據，為了解釋這些數據進而利用這些數據，我們常常需要對測量的數據建立各種模型，尋找能近似反映數據變化規(guī)律的一種函數。其經驗公式確定為 n 次多項式，即??010njjxaxa?????由于實驗數據量比較大，因而選擇分段擬合，它具有較好的靈活性和穩(wěn)定性，本質上適合這種大數據量的問題。 [29] 數據校驗為了確保數據的準確性，每幀傳輸過程中都加了 CRC 校驗。該技術廣泛應用于測控及通信領域。我們首先制定好通信協(xié)議，地面和高空氣象探測系統(tǒng)按照制定后的協(xié)議進行通信，地面接收系統(tǒng)讀取串口數據，并按照協(xié)議進行解析；完整正確的解析數據后就是本次研究的重點數據處理了。 [30] 小結本章主要介紹了溫度、壓力等的測量方法，以及使用的各種傳感器敏感元件的特點和原理，這樣我們就可以為我們選定什么樣的傳感器做好準備；然后介紹了數據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現數據的優(yōu)化和曲線的平滑顯示，是數據更加真實可靠。從而能檢測出內存是否錯誤，但奇偶校驗只能檢測出錯誤而無法對其進行改正，同時奇偶校驗卻無法檢測出雙位同時發(fā)生錯誤。上述過程主要采用計算機編程進行數值求解及畫圖，既方便且又能相應提高擬合精度。上述擬合過程在數控加工的編程工作中，一般被稱為第一次逼近（或稱第一次數學描述） ，由于受數控機床控制功能的限制，第一次逼近所取得的結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據，這一擬合過第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數據處理方法分析23程在編程中被稱為第二次逼近（或稱為第二次數學描述） 。我們在實際處理中常常存在測試點丟失或出現野值舍棄等情況，插值法可以很好的補充數據，保證數據的完整性、正確性、一致性。同時注意以下問題：（1）若 本身就是次數不超過 n次的多項式，則有： 。所以，拉格朗日二次插值函數為： 020222 *)()(yxxL?? 12101*)(y?? 2022)(???0)(kkyl kkjjx?????????0 n 次插值由線性代數的基本理論，所有不高于 n 次的代數多項式全體組成一個 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，即插值多項式由插值基函數組成，插值基函數是一類簡單而有特點的多項式。常用的方法是插值基函數法，具有代表性的函數是拉格朗日函數，由此而構造的插值多項式稱為拉格朗日插值多項式。振動的自然諧振頻率精確地隨施加于筒內外的壓力差形成的應力而變化。通常用發(fā)光管或液晶顯示器顯示被測氣壓值。應變片或者是貼在一個薄的圓形膜片上，膜片環(huán)繞在應變片的周圍，或者是原子直接擴散到硅膜片上。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量壓力的分隔空間。氣壓測量應該達到技術上允許的高準確度，而且在全國范圍內氣壓測量和校準必須具有一致性。因此，電路其余部分的溫