【正文】 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)軟件需求分析及概要設計9“高級語言”翻譯為“機器語言（低級語言） ”的程序。地面接收機將接收到的高空氣象探測系統(tǒng)調制在射頻信號上的 TPU 和 GPS 模塊的數(shù)字信號傳送給計算機，計算機收集到這些信息和地面溫度、氣壓、濕度與風資料，完成數(shù)據(jù)校驗及對溫、壓、濕、測風的處理結果。GPS 接收機可接收到可用于授時的準確至納秒級的時間信息；用于預報未來幾個月內衛(wèi)星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化） ；以及 GPS 系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。第三章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法分析。美國、加拿大、澳大利亞都把 GPS 作為未來高空探測體制的重要組成部分。主要觀測方法有測風、探測、無線電探空和氣球探測等。（保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定）簽名： 導師簽名： 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，應重點發(fā)展新一代探空儀系統(tǒng)，對氣象傳感器、數(shù)據(jù)處理等關鍵技術進行改進，使我國的新一代探空系統(tǒng)能夠進入世界一流的行列。各種傳感器如何真實的反映大氣環(huán)境，得到的數(shù)據(jù)是否準確、如何進行顯示等是我們主要的研究內容。進入 20 世紀 20～30 年代，在電報、短波無線電技術發(fā)展的基礎上研制了無線電經緯儀和測風雷達，這為建立全球高空觀測站網奠定了堅實的基礎。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)兩種設備。第五章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)測試及分析。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(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。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行編碼，利用發(fā)射機發(fā)送到地面設備。 Visual C++ 不僅是一個 C++編譯器，而且是一個基于 Windows 操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment,IDE） 。但是，Visual C++也不等于 MFC。它就是 Microsoft 基本類庫 (MFC)，該庫的主要優(yōu)點是效率高。 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。從測溫的觀點看，熱敏電阻的優(yōu)點是：（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。當用于測量溫度時，將一個連接點保持在一個已知的標準溫度，用另一個接點感受需要測量的溫度，計算這時產生的電動勢。 熱電偶測量熱電偶電動勢的方法主要有兩種：（a）用一個靈敏的電流表測量電路的電流；（b）用一個已知的電動勢來平衡熱電電動勢，使熱電偶本身實際上沒有電流流過。因此，電路其余部分的溫差必須盡量的??；當被測電動勢較小的時候尤其重要（這種情況需要定期重新校準） ；（d）電源電路近旁會有泄漏電流。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。通常用發(fā)光管或液晶顯示器顯示被測氣壓值。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)，由此而構造的插值多項式稱為拉格朗日插值多項式。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)多項式全體組成一個 n+1 維線性空間，其基有各種不同的取法。我們在實際處理中常常存在測試點丟失或出現(xiàn)野值舍棄等情況，插值法可以很好的補充數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性、一致性。上述過程主要采用計算機編程進行數(shù)值求解及畫圖，既方便且又能相應提高擬合精度。 [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(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)更加真實可靠。該技術廣泛應用于測控及通信領域。其經驗公式確定為 n 次多項式，即??010njjxaxa?????由于實驗數(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，本質上適合這種大數(shù)據(jù)量的問題。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(shù)的增加不一定收斂于被插值函數(shù)。 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。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。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。模擬信號可以用多種電子顯示方式。因此必須采取措施，對這種非線性進行補償。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(shù)據(jù)處理方法分析15數(shù)。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(jù)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(shù)。它們通常用玻璃或陶瓷進行密封絕緣，但它們的時間常數(shù)仍然比玻璃液體溫度表要小。可以看出，使用 MFC 進行 Windows 編程時是一件比較容易的過程。下一步，是要實現(xiàn)代碼。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。 [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++ 。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。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。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。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。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。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(shù)據(jù)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。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(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)實時的數(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。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。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。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。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 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(shù)不少于8 個，數(shù)據(jù)采集部件預留了兩個數(shù)字或模擬通道。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。 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。它減少了大量在建立 Windows 程序時必須編寫的代碼。它的主要優(yōu)點在于，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。這樣，就能減少甚至可以消除對引線電阻及其變化的考慮。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(lián)系，這樣通過已知校準溫度加上差值的代數(shù)和，就可得出未知的溫度。在方法（a）中，電流表以串聯(lián)方式直接和兩個接點相連。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） 。 數(shù)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。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。首先我們來討論拉格朗日插值方法的線性插值法。如果取滿足條件： ?????kixlik01)(的一組 n 次代數(shù)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(shù)多項式必定線性無關） ，則容易看出： ???nknxlyxlyxlyl 010 )()()(? （）必定是一個次數(shù)不高于 n 次的代數(shù)多項式，而且它在結點 上的值01,nx?依次為 。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)進行優(yōu)化。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。第四章 高空氣象探測系統(tǒng)地面軟件詳細設計及實現(xiàn)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(xiàn) 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(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。 2）CRC 校驗CRC 校驗即循環(huán)冗余碼校驗。 [3]我們通過對幾次放球試驗得到的數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)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。()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。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。壓力增加，頻率也增加。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。大多數(shù)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(shù)字信號，例如脈沖頻率；或使用標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議，諸如 RS23RS422 或 IEEE488。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。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。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(shù)和。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。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。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。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。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(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(shù)據(jù)的存檔、根據(jù)需要輸出溫、壓、濕、風等基本要素轉換成數(shù)據(jù)文件等功能。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。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。第二章 GPS 高空氣象探測系統(tǒng)軟件需求分析及概要設計。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(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。如何提高我國大氣探測水平刻不容緩。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