曾俊威，鐘曉勇，高瑞泉

（深圳市國家氣候觀象臺，廣東深圳 518040）

深圳市區(qū)域自動氣象站網(wǎng)近10年來迅速擴(kuò)大，探測裝備不斷增加，已具備一定規(guī)模的綜合性探測網(wǎng)，其區(qū)域自動氣象站數(shù)量已從2007年初的44站增加到2019年初的210站［1-2］。《區(qū)域自動氣象站維護(hù)技術(shù)規(guī)范》［3］要求定期對風(fēng)向傳感器進(jìn)行校北。目前常用的校北儀主要有傳統(tǒng)磁羅盤和電子羅盤。傳統(tǒng)磁羅盤利用磁化后的磁針去感應(yīng)天然地磁場來指示方向，但如果有磁性金屬礦，或強(qiáng)磁場在附近，指南針的指針會發(fā)生指向偏移或漫無目的的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致無法校北；電子羅盤通常采用三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，即通過電子元器件來感應(yīng)磁場，具有體積小、精度高、可實現(xiàn)數(shù)碼顯示等優(yōu)點，但同樣如果周邊磁場環(huán)境改變也會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確校北。國內(nèi)氣象行業(yè)中使用的校北儀主要為傳統(tǒng)磁羅盤（指南針）以及在地面觀測場上采用太陽方位法進(jìn)行儀器設(shè)備校北，存在誤差較大和程序繁瑣的缺點。國際上目前主要采用三維電子羅盤進(jìn)行指北，例如輪船、飛機(jī)上普遍安裝此類設(shè)備，但在局地磁場干擾較大的環(huán)境下，仍無法準(zhǔn)確校北。因此，為滿足氣象上風(fēng)向5°的允許誤差，特別是提高對局地小氣候的精細(xì)化風(fēng)向觀測能力，獲取更加精確的風(fēng)向，必須配備更加精準(zhǔn)的測量儀器。

抗干擾校北儀采用的世界上更為先進(jìn)電子羅盤設(shè)計方法，其磁傳感器技術(shù)是采用Honeywell的先進(jìn)各向異性磁阻（AMR）傳感技術(shù)，傳感器采用透磁合金（Nife）薄膜能夠根據(jù)外部磁場變化來改變電阻系數(shù)。該薄膜材料與磁帶相似，通過強(qiáng)磁場干擾薄膜粒子的磁場，從而使散亂的方向轉(zhuǎn)變到固定方向運(yùn)動，以實現(xiàn)磁感應(yīng)。同時抗干擾校北儀Honeywell的專利設(shè)計Set／Reset回路，以消除余磁的干擾。

1 總體設(shè)計

抗干擾校北儀總體設(shè)計分為硬件和客戶端兩部分設(shè)計：

1）硬件設(shè)計。

原理：抗干擾校北儀主要采用電子羅盤和陀螺儀相結(jié)合的方式［4］，當(dāng)電子羅盤監(jiān)測到磁場環(huán)境超出了允許范圍，即啟動和調(diào)用陀螺儀數(shù)據(jù)，陀螺儀通過物理方式精確記錄傳感器旋轉(zhuǎn)的的方位角度，從而避免磁場的干擾，精準(zhǔn)記錄傳感器方位和姿態(tài)角度。其核心部件陀螺儀是采用Honeywell的先進(jìn)AMR以及MEMS原理的傳感技術(shù)［5］，包含 WMM（全球磁場模型數(shù)據(jù)庫），在任一地點都能在缺失GPS（或北斗）的數(shù)據(jù)情況下，準(zhǔn)確找到“真北”。其檢測風(fēng)向的角度可以達(dá)到5°內(nèi)的偏差，通過藍(lán)牙傳輸技術(shù)實時將監(jiān)測的方位、姿態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，實現(xiàn)戶外簡單便捷的監(jiān)測監(jiān)控。

輔件組成設(shè)計?？垢蓴_校北儀外殼采用的是純鋁材質(zhì)，純鋁不產(chǎn)生磁場，對陀螺儀更不會產(chǎn)生影響；內(nèi)部裝載藍(lán)牙，實時與移動客戶端保持通訊聯(lián)系傳送數(shù)據(jù)；與之配套專門設(shè)計一個套筒，便于固定在VAISALA WMT700型的超聲風(fēng)傳感器頂部進(jìn)行校北；抗干擾校北儀內(nèi)置一塊高性能的鋰電池，續(xù)航能力高達(dá)30 h，滿足野外復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行要求。

2）客戶端設(shè)計。

客戶端采用客戶／服務(wù)器（C／S）架構(gòu)，主要有5個部分：數(shù)據(jù)采集、手機(jī)客戶端、數(shù)據(jù)分析、服務(wù)器端、數(shù)據(jù)存儲，具體的架構(gòu)設(shè)計如圖1所示［6］。

圖1 客戶端設(shè)計架構(gòu)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集。

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)揭苿涌蛻舳耍瑐鬏敂?shù)據(jù)格式為16進(jìn)制格式，數(shù)據(jù)信息中包括翻滾角、俯仰角、航向角及磁場值等信息。校北儀的數(shù)據(jù)采集類似于GPS數(shù)據(jù)包的主動發(fā)送方式，一旦建立連接就會持續(xù)向客戶端傳輸數(shù)據(jù)，直到連接關(guān)閉。

（2）客戶端。

移動客戶端是集數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)展示和上傳于一體的手機(jī)應(yīng)用程序，支持在Android、IOS操作系統(tǒng)上的手機(jī)或平板電腦上安裝?？蛻舳税〝?shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)展示和上傳等模塊。

數(shù)據(jù)解析：采集的數(shù)據(jù)格式為固定長度的16進(jìn)制格式，當(dāng)客戶端與抗干擾校北儀通過藍(lán)牙建立連接后，會自動發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端通過截取超過一個數(shù)據(jù)單位長度的固定長度值進(jìn)行分析解碼。

數(shù)據(jù)監(jiān)測：為通過藍(lán)牙接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)，解析并在客戶端中實時顯示，用戶可通過客戶端查看翻滾角、俯仰角、航向角及磁場值等信息，根據(jù)需要可進(jìn)行打開（關(guān)閉）陀螺儀等與設(shè)備進(jìn)行交互的操作。

數(shù)據(jù)展示：對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看功能，可按時段查詢或統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息，展示形式采用數(shù)據(jù)表格和圖表數(shù)據(jù)可視化形式。

上傳模塊：采集的數(shù)據(jù)支持一鍵上傳，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器。當(dāng)手機(jī)無網(wǎng)絡(luò)時，上傳任務(wù)自動掛起，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后后臺自動傳輸。僅支持WIFI環(huán)境上傳設(shè)置，以節(jié)省手機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）數(shù)據(jù)分析。

采集的數(shù)據(jù)格式為固定長度的16進(jìn)制格式，當(dāng)客戶端與抗干擾校北儀通過藍(lán)牙建立連接后，會主動發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端通過截取超過一個數(shù)據(jù)單位長度的固定長度值進(jìn)行分析解碼。

（4）服務(wù)器端。

服務(wù)器端是基于HTTP協(xié)議的Web服務(wù)端，數(shù)據(jù)接收通過HTTP接口。接口實現(xiàn)基于JAVA-WEB技術(shù)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸采用json格式數(shù)據(jù)。為防止惡意請求，數(shù)據(jù)傳輸加密進(jìn)行身份識別。

（5）數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)存儲采用Oracle數(shù)據(jù)庫。建立基于站點的校北儀數(shù)據(jù)表，存儲包含站點、監(jiān)測時間基礎(chǔ)信息，翻滾角、俯仰角、航向角及磁場值等監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

2 客戶端功能模塊設(shè)計

移動手機(jī)客戶端擁有實況角度監(jiān)測、磁異常警告、打開／關(guān)閉陀螺儀、上傳云端等多個功能模塊。

實況角度監(jiān)測：實時顯示抗干擾校北儀的旋轉(zhuǎn)角度，其中包括航角度、俯仰角度、翻滾角度。界面中間的仿羅盤指針用于真實、靈敏地反映抗干擾校北儀旋轉(zhuǎn)的航向角度，即對比角度（圖2）。

磁異常警告：當(dāng)測量環(huán)境的磁場值超出正常閥值時顯示紅色表示警告，其中磁場正常閥值可以更改，陀螺儀的默認(rèn)閥值是2 858，超出閥值5%時會顯示警告（圖3）。

打開／關(guān)閉陀螺儀：在磁場正常的情況可根據(jù)需要進(jìn)行打開／關(guān)閉陀螺儀與設(shè)備進(jìn)行交互的操作。若需在磁異常的環(huán)境下找到“真北”，用戶先要在一個正常的磁場環(huán)境下，打開陀螺儀再進(jìn)入到磁場異常的環(huán)境下進(jìn)行測量。

圖2 實況角度監(jiān)測模塊

3 應(yīng)用案例

海洋自動氣象站運(yùn)用。深圳市的海洋自動氣象站安裝在海上石油平臺生產(chǎn)區(qū)域，電磁干擾強(qiáng)，其中平臺上的電磁干擾主要有2種途徑：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾主要是指由電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過公共電源線或者導(dǎo)電物質(zhì)進(jìn)行傳輸，相互產(chǎn)生干擾的一種電磁污染；輻射干擾是指電磁波發(fā)射源向空間不斷發(fā)射電磁波形式的電磁能量所造成的干擾。傳導(dǎo)干擾需要一定的傳播介質(zhì)，即公共電源線或者導(dǎo)電物質(zhì)。由于這兩種電磁波相互干擾，會導(dǎo)致很多的電子設(shè)備造成影響。由于干擾導(dǎo)致一般的指南針或電子羅盤無法正常使用。經(jīng)測試，普通的對北工具的誤差在85°至138°。由于海平面沒有參照物，導(dǎo)致風(fēng)向傳感器校準(zhǔn)對北是一項非常艱難的工作。平臺鉆井大型器械、電機(jī)等產(chǎn)生的電磁干擾極強(qiáng)，需采用精度較高的陀螺校北儀精確對北。采用深圳市國家氣候觀象臺自主開發(fā)的抗干擾校北儀，在石油平臺能有效幫助風(fēng)向傳感器對北校準(zhǔn)，該設(shè)備夾具套在VAISALAWMT700型超聲風(fēng)傳感器上，通過藍(lán)牙傳輸技術(shù)，手機(jī)接收并顯示抗干擾校北儀發(fā)出的精確度數(shù)，能快速精準(zhǔn)對北（圖4）。

圖3 磁異常警告模塊

該校北儀對深圳已部署的城市氣候站的風(fēng)向準(zhǔn)確度有明顯提高。誤差值控制在0.5°以內(nèi)，比傳統(tǒng)的磁羅盤校北誤差控制范圍提高了10倍；粗尋北時間顯著提高［7］，由原來的3～5 min降低到10 s內(nèi)。以往使用磁羅盤對風(fēng)向?qū)Ρ保枰S護(hù)人員爬到風(fēng)桿頂部，謹(jǐn)慎細(xì)致地操作羅盤指針轉(zhuǎn)動角度；現(xiàn)在運(yùn)用抗干擾校北儀，可直接套在風(fēng)向傳感器頂部，然后隨意轉(zhuǎn)動，通過藍(lán)牙傳輸技術(shù)，地面人員可通過手機(jī)APP觀察航向角角度，并讓操作人員對角度進(jìn)行矯正，工作高效、安全。

圖4 海上石油平臺氣象站的超聲風(fēng)傳感器校北儀

自動氣象站屬于高精度的多要素自動觀測儀器，多安裝在野外高塔上，為了使監(jiān)測數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)、維護(hù)工作更安全高效，必須使用更加精準(zhǔn)便捷的校北工具［8-11］。深圳市國家氣候觀象臺開發(fā)的抗干擾較北儀其效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的磁羅盤顯著，而且充分發(fā)揮手機(jī)高性能優(yōu)勢，通過藍(lán)牙點對點通信，多平臺APP顯示，從而簡易實現(xiàn)戶外長距離對抗干擾較北儀數(shù)據(jù)讀取、記錄、分析和顯示功能；有效地簡化了校準(zhǔn)操作流程，縮短了校準(zhǔn)時間，減低現(xiàn)場工作強(qiáng)度并大大提高了維護(hù)人員的工作效率和安全性。更加精確的校北數(shù)據(jù)對于局地小氣候精細(xì)化觀測應(yīng)用上具有重要的推廣價值。