摘要：如何减少天气变化对气压测高精度和稳定性的影响，是便捷式导航系统中需要解决的一个问题。为此提出一种以MS5803高精度气压传感器和局部气象数据为基础的测高方法。从标准压高公式出发，推导出了以同层大气任意位置为参考点的压高方程。用此方程，以当地气象站为参数点，并通过互联网，获取该气象站的准实时气象数据和地理位置，即可测出更为准确和稳定的高度。采用MS5803-01BA气压传感器和笔记本电脑构建了气压测高原型系统。实验表明，在距气象站20多千米的地方，该系统的高度测量的误差小于3m，13h内定点高度测量值的漂移小于4m。

　　关键词：气压测高；气象站；气象数据；定位；气压传感器；MS5803

　　中图分类号：TN761.3       文献标识码：A  
     
    A barometric altimetry method based on MS5803 and meteorological data
School of Remote Sensing and InformationEngineering,wuhanUniversity,Wuhan430079,China;2.SchoolofMechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract:In portable navigation systems, it is required tobesolvedhowtocompensateclimatechangeonbarometricaktimetry accuracy and stability. To this end ,an altimetry method based on MS5803 high-precisiondigitalbarometricsensorandlocal meteorological data was presented . From the standard barometric altimetry formula, a barometric altimetry equation was derived ,in which any position within the same atmospheric layer can be used as areferencepoint.Withthisequation ,taking a local weather station as a reference point. It is geographic location andquasirealtimemeteorologicaldataaccessedthrough the Internet, more accurate and stable barometric altimetry can be carried. A barometricaltimetryprototypewasconstructed with an MS5803-01BA barometric sensor and a notebook PC. Experiment results show that at locationgs more than 20 kilometers with an MS5803-01BA barometric sensor and a notebook PC.Experiment results show that at locations more than 20kilometers away from the local weather station , altitude errors are less than 3m, the measured altitude drift of a fixed point was less than 4m in 13 hours.

　　Key words: barometric altimetry ; weather station ; meteorological data ; positioning ;barometric sensor ;MS5803
 
　　基于GPS的各类便携式导航设备的应用日渐普及，另一方面，GPS在地面的垂直定位精度不高、甚至受城市道路环境的影响。导致定位精度下降甚至无法定位，因此，其应用受到限制。为此，人们寻求不同的方法，改善特殊环境下GPS的定位效果，其中方法之一就是采用气压高度计来辅助GPS导航定位。

   利用气压测量高度具有简便易行的特点，但是其测试结果受天气影响明显，严重时，一天内的定点高度漂移可达数十米之多。因此，如何提高气压高度测量的精度，就成为定位及导航技术中急需解决的难题[1-3]。

   为此，笔者提出一种以MS5803-01BA数字式气压传感器和当地准实时气象参数为基础的高度定位方法，并通过理论和实验，说明这种方法的可行性。其精度可满足民用移动导航的需要。

　　1 气压的高度测试原理及其误差补偿

　　1.1气压高度测试原理

　　利用气压测量高度是成熟技术，其工作原理就通过测量点上方气柱的重力，间接推算测点在地球等重力势面法线方向上的位置，这种高度又称重力势高度。如不考虑高程异常，可不区分几何高度与重力势高度的差别。

　　在标准大气条件下，重力势高度可用标准压高方程[4]来计算
  

(1)

　　其中PH为测点气压，为本层温度梯度系数，为标准重力加速度，和分别为本层温度、气压和高度的下限值。以对流层（H=0-11Km)为例。

　　直接采用式（1），可以大致估算出测点的高度H，但是由于压高公式原理性误差及其他因素的影响，测点周围气象环境的变化就可能使点高度定位产生较大的误差，漂移范围可达每天数十米之多。为了减少这种误差，可以考虑在测点附近寻找一个高度已知的参考点，通过对该参考点温度、压力的监测，补偿气象环境变化对测点高度测量结果的影响，提高高度定位的准确性。

　　若测点与参考点处在同层大气之中，设测点的高度、温度和气压分别为和，设参考点的高度、温度和气压分别为和，由式（1）则有

　　式（8）和式（9）表明，只要知道同层之中参考点的高度及相关气象参数，就可推算测点的重力式高度，其结果与该层大气底面的状况无关。换而言之，通过式（8）和式（9），即可利用参考点的相关数据，实现对气压测高原理性误差的补偿。
　　两个公式的区别在于：计算时，式（8）用的是参考点温度，式（9）用的是测点温度。若为标准大气，两者结果相同；若对实际大气，结果会稍有差异。

　　1.2参考点气象数据及位置参数的获取

   上述分析表明，利用相邻参考点的实时气象数据，有可能得到更准确高度定位结果。因此，如何取得参考点的适时气象数据就成了成功进行气压测高一个前提。

   文献{5}介绍了中国区域定位系统（CAPS)用的一种参考点实时气象数据获取的方法，其核心是将中国及其周边1860个气象自动站的数据搜集，处理后以专用报文的形式发送给其终端用户。这种方法相对封闭，普通移动定位导航系统无法使用。

   事实上，经过多年建设，气象系统已经建成了覆盖全国的气象自动站，如国家级的自动站就有2500多个。这些自动站测量数据都会在气象专业网站上发布，任何人都可以通过互联网获得自己所在地区的准实时气象数据。例如：

   中国气象局的中国气象科学数据共享服务网不仅能提供每日4次数据更新，还能提供相应气象台站的海拔高度数据。

   中央气象台的城市天气预报提供全国主要城市逐小时气象数据更新。

   省级气象局能提供本省更详细气象实时监测数据，如湖北省气象与生态自动检测站网可提供全省县级区域的逐小时气象数据.

　　2 气压测高原型系统的组成

　　2.1气压传感器

　　为了满足便携式导航定位设备的需要，经反复对比，决定选用瑞士精量电子生产的MS5803-01BA数字气压传感器{6}。

　　MS5803-01BA是新一代高精度气压传感器模块，具有体积小（6.2x6.4mm)、稳定性好、低（1.8~3.6V）、低功耗（工作电流；待机电流<)等特点。它备有I2C和SPI接口，采用型A/D转换器，可输出24位压力和温度数字信号，转换时间最快1ms。量程为10-1300mbar。工作温度为-40~+85℃，可气密封装，尤其适合户外气压及高度测量，其高度分辨率可达0.1m。

　　MS5803-01BA的内部结构如图1所示。由惠斯顿电桥组成传感器，既可检测绝对压力，也可检测温度，具体由多路开关切换：取电桥的差模信号检测压力，取电桥的共模信号检测温度。放大后的压力或温度信号由ADC转换成数字量，经数字滤波后保存在数字接口的D1和D2中，供主机读取。

 
　　此外，工厂对每个传感器都进行温度和压力的标定，并算出6个16位的标定参数（C1~C6)存放在128位的PROM中，它们的具体含义参见图3.

　　MS5803使用起来非常方便，任何计算机或微控制器都可以通过I2C和SPI总线与之相连，进行气压和温度数据的采集和处理。

　　2.2 原型系统结构

　　为了方便算法研究，这里用MS5803气压传感器和笔记本电脑及USB-SPI适配器构成了一个便携式气压高度定位原型系统，其系统结构框图如图2所示。

　　MS5803选择为SPI接口方式，直接与USB-SPI适配器的SPI端相连。GY7502型USB-SPI适配器一头插入笔记本电脑，另一头直接与传感器相连。

　　2.3系统软件的主要功能与流程

　　笔记本的软件分为数据采集和数据处理两个相对独立的功能模块；前者负责数据的采集与存贮，后者负责数据的处理与分析。

　　数据采集模块的主要工作流程如图3所示，启动数据采集后，系统首先通过USB-SPI接口读取MS5803-01BA的PROM中存放的6个标定参数C1~C6.然后读出压力转换值D1和温度转换值D2，再算出温度TEMP和温度补偿后的压力P，并把温度TEMP和压力P写入文件。如无停止信号，就回头继续采样。反之，就结束采样，等待处理。

    
　　数据处理主要在Excel中完成，基本工作流程如图4所示。先读入已经保存的相关气象台逐小时气压、温度数据和对应的测点气压、温度记录，再按公司（1）、公式（8）和公式（9）解算测点高度，最近对结算结果进行统计分析，以了解高度位的精度及稳定性。

      
　　3  实验及讨论

　　3.1 高度定位实验

    为了检验根据本地气象参数和气压传感器进行高度定位方法的效果，进行了3种实验。

　　3.1.1 绝对高度的测量

　　以武汉气象站（站号：57494，经度：30°37，纬度：114°08，海拔：23.1为参考点，在距其约22.6km的武汉市区某处，测量一组已知高程控制点的高度，所得结果如表1所示

   
　　3.1.2相对高度的测量

　　在一高层建筑内，从22层开始，沿消防通道下行，检测并记录各楼层窗台的气压和温度，最后以底层的气压和温度为基准计算各层的高度，得到楼层的测量高度与真实高度的实验曲线如图5所示。

  
    结果表明，测量值与真实值非常接近，其线性回归模型的决定系数R2>0.999。

　　3.1.3监测固定位置高度值的时间漂移

    仍以武汉气象站为参考点，在距其约28.5km的市区某处定位置将传感器固定，启动监测系统，以每10min为间隔1s内连续采集10组本地气压和温度，并同步记录武汉气象站发布的逐小时气压和温度。

    对2011年4月27日8:00到21:00的高度测量结果如表2所示。

    结果表明，在13h的观测时间内，依公式（8）、公式（9)测得该点高度值的漂移范围为3.7m，明显低于公式（1）的21.4m。

　　3.2实验结果的讨论

    表1和表2的实验数据表明，与公式（1）相比，公式（7）和公式（8）和计算结果更准确、更稳定，利用本地气象的高度信息和准实时气象数据，可以有效提高气压测高的精度、减少漂移。

 
           注：测点高度值为2011年4月27日8:00到21:00的整点高度测量结果。

　　虽然利用本地气象数据能够明显改善气压高度定位的效果，但是简单利用气象数据对高度定位改进效果就会受到气象台气压数据的精度和发布时间的限制。

　　例如，气象台的气压数据分辨率为0.1mbar，相当于标准海平面0.82m的高度分辨率。另外，现在能够用的气象台的逐小时数据，而环境气压在1h内的变化可能超过1mbar，即对应的高度值的漂移就可能超过8.2m。因此，尽管采用了高精度的气压传感器，简单利用气象数据仍然很难将测量误差减少到1m以内。

　　如要进一步提高气压高度定位精度和稳定性，可考虑通过气象数据在空间和时间上进行插值，以获得更精密、更及时的基准。

　　4结束语

　　本文结合移动导航的需要，提出了一种以高精度数字式气压传感器MS5803-01BA和本地准实时气象数据为基础的高度定位方法，并通过理论分析和实验，验证这种方法的可行性，其精度可满足民用移动导航的需要。

　　相关产品：MS5803,MS5611,MS5607,MS5540等。

　　参考文献：

　　本文作者：赵天成  饶和昌
　　作者单位：
　　1.武汉大学遥感与信息工程学院,湖北武汉430079
　　2.华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉,430074

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