一种基于差分气压测高计及其测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于差分气压测高计及其测量方法，所述测高计包括数字压力传感器、AVR单片机、液晶显示器和电源；所述测高计的测量方法的主要步骤包括：系统初始化；通过AVR单片机对存储在传感器内部的补偿参数进行读取；数值读取更新等。本发明专利技术所述测高计及其测量方法的优越效果在于，测高计结构简单、操作方便，所述测高计的测量方法测量精度高，能够广泛用于航空航天、地面勘探、气象等技术领域测量高程等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量
的测高计，更详细地说涉及一种基于差分气压测高计及 其测量方法。
技术介绍
空气压强是描述大气状态的重要物理量，单位通常用百帕（hPa，即100帕斯卡，过 去称为毫巴）表示，一个大气压值等于1013. 25百帕，海平面气压值约在980-1040百帕之 间变动。观测表明，随着海拔高度的增加，气压值按指数减少，海拔IOkm高处的气压值会降 到只有海平面气压的25%左右。而气压在水平方向的分布比较均匀，在一般情况下，相距 IOOkm的两点间的变化约1百帕。在较短时间段内压强也呈现比较稳定的状态。一般地说 人们在使用测高计时，大都是局限于小区域范围内，故气压与高度呈现一定的关系。在小区 域范围内，可以认为温度是一样的，这样甚至可以不考虑温度对测高的影响，从而通过测量 气压值和标定基站高度，就可以得到用户端较为准确的高度值。 假设大气层内温度相等，简化的等温大气中的压高公式为： h K = r^1 m In ^ -29.27 7；,, In ……(1) g P ' P 式（1)中，Tm是平均温度（° K)。显然，两等压面Ptl和P之间的平均温度越高，厚 度越大。若利用摄氏温度tm，并采用以10为底的对数，则式⑴可写成： h - h0 = 67.4 ? (273.15 + Tm) ? Ig ...... ⑵ 上式（2)中，基准点高度Iitl可以认定为是已知量；平均温度Tni在一般活动范围 内可以认为是用户端温度和基站温度的平均值；用户端活动范围内的温度大致上也是相等 的；实验表明温度因素对测高值的影响非常小，所以平均温度T m也可以采用用户端的测量 温度，因此，要确定用户端高度值h，一般只需确定基准点的气压值Ptl和用户端的气压值P 即可。
技术实现思路
本专利技术所述基于差分气压测高计包括数字压力传感器（MS5534CM、BP5607等）、 AVR单片机、液晶显示器和电源，其中电源分别与数字压力传感器和AVR单片机连接，液晶 显示器AVR单片机与液晶显示器连通。 本专利技术提出了一种基于差分气压测高计，不管是基准点还是用户端都需要测量气 压值。现将基准点选定为通信网或传感网的结点，如基站或热点。并利用移动通信传输链 路或传感网的通信传输链路，传输信息到用户侧，这样便可以根据下式： h - /?〇 = 67.4 - (273.15 + Tm) ? Ig 计算得到用户端与基站或传感网结点上气压传感器安装点之间的相对高程差。若 基站气压传感器安装点的高程已知，则可以通过计算得到用户端处的绝对高程，即获得绝 对高程的测量值。 本专利技术提出了将差分气压测高模型做进一步改进，假定不同的气压测高模块在 同一地点测量的气压值完全一致的情况下，测量点相对于基准点Imbar的气压变化量， 相当于高度变化约〇. 82m ;测量点相对于基准点TC的温度变化量，相当于高度变化约为 0. 023m。在差分气压测高模型中，高程的测量精度主要取决于基准点与测量点之间的气压 差，气压传感器的测量一致性决定了气压对高程测量的精度。温度在差分气压测高模型中 的影响权重比较小，气压在差分气压测高模型中的影响权重比较大，在一定的区域范围以 内，可以建立测量点相对于基准点的高度与气压差和温度差之间的线性数学关系式，如式 (3)所示。 h = a (P0-P) + (tR_t0)+h0......(3) 在不同的区域范围内通过实验获得a和P值，从而获得简化差分气压测高系统 方法的使用。在差分气压测高系统中，高程测量精度与基准点与测点之间的基线长度负相 关，即基线长度越长精度越低。 本专利技术提出使用低通滤波模型作为该测高计的滤波模式。为了提高压力和温度测 量值的精度，采用低通滤波的方法避免噪声的干扰，减少硬件成本，可以利用公知的软件算 法来模拟硬件滤波功能，低通滤波算法为： Yn = aXn+(l-a)Yn_!......(4) 式⑷中：Yn为本次滤波输出值，Xn为当前读出的数据，Ylri为上次滤波输出值，a 是介于0?1之间的滤波系数。 本专利技术又一目的是在用户端通过按键操作的方式将用户端所处某一位置定义为 基准点，即令P tl = P，将高度归零，用户上升或下降高程时，用户所携带的高度计会根据与 所设定基准点的气压差计算变化的高程。这时，故本专利技术又能够成为一种相对测高计。 本专利技术涉及的基于差分气压测高的方法是基于差分气压测高系统对高度的分辨 率的实验依据，若设定气压采样频率为1Hz，则测量高度分辨率能达到0. 16m，高程精度优 于0. 5m。这种计算得到用户端相对于所设基准点的高度值的方法，非常适用于室内楼层的 分辨、室外登山测高以及地下深度测量作业。 导航定位模式测高的理念是：用户端的测高计在开机后，每秒采集一次数据，每秒 输出一个气压值和温度值，用户端在移动过程中的任意时刻设定基准点，通过按键操作，将 基准点位置的高度值归零，通过测量气压值结合差分气压测高的技术来确定活动过程中的 高度差，这样可以精确确定用户活动过程轨迹的高度，通过测高计的人机交互界面可以显 示高程的实时变化情况。 例如：在任意时刻用户端按下高度归零按键，用户端测高计会将此时的气压值和 温度值作为基准点的气压值P tl和温度值Tm，此时基准点的高度归零Qici = 0)。用户端从低 处往高处活动，气压值会下降，在移动过程中实时测量的气压值作为用户端的气压值P，温 度值仍然为T m，通过公式（2)解算出用户轨迹点在任意时刻相对于基准点的高度，形成轨 迹。 本专利技术所述基于差分气压测高的测量方法的具体步骤是： 1、系统初始化，将控制器和传感器呈准备工作的状态； 2、通过AVR单片机2对存储在传感器1内部的4个补偿参数进行读取，即获得 Wordl-WorcM 这 4 个参数； 3、数值读取更新，根据步骤2W〇rdl-W〇rd4这4个参数计算获得温度和压力值的6 个计算系数，实现数据转化的功能； 4、从数字压力传感器1中读出气压值和温度值； 5、根据系数计算温度和压力值，根据Wordl-WorcM这4个参数计算，温度和压力的 计算系数的数值逻辑计算方法如下： C1_SENST = ((wordl?l)&0x7fff)； C2_0FFT = (((word3&0x003f) ?6) | (word4&0x003f))； C3_TCS = ((word4?6)&0x03ff)； C4_TC0 = ((word3?6) &0x03ff)； C5_TREF = (((wordl&OxOOOl) ?10) | (word2?6))； C6_TEMPSENS = ((word2&0x003f))；)； 6、按照下式进行软件滤波： Yn = aXn+(l_a) Ylri......(5) 7、按下数字压力传感器1的归零按键，将本地此时的气压值作为基准站的气压值 (PQ = P)，如果系统检测到该按键已经按下，则解算用户端高度信息，在IXD显示器上显示 气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于差分气压测高计，其特征在于，包括数字压力传感器(MS5534CM、BP5607等)、AVR单片机、液晶显示器和电源，其中电源分别与数字压力传感器和AVR单片机连接，液晶显示器AVR单片机与液晶显示器连通。

【技术特征摘要】
1. 一种基于差分气压测高计，其特征在于，包括数字压力传感器（MS5534CM、BP5607 等）、AVR单片机、液晶显示器和电源，其中电源分别与数字压力传感器和AVR单片机连接， 液晶显示器AVR单片机与液晶显示器连通。2. 按照权利要求1所述的测高计的测量步骤如下： 步骤1、系统初始化，将控制器和传感器呈准备工作的状态； 步骤2、通过AVR单片机2对存储在传感器1内部的4个补偿参数进行读取，即获得 Wordl_Word4 这 4 个参数； 步骤3、数值读取更新，根据步骤2W〇rdl-W〇rd4这4个参数计算获得温度和压力值的6 个计算系数，实现数据转化的功能； 步骤4、从数字压力传感器1中读出气压值和温度值； 步骤5、根据系数计算温度和压力值，根据Wordl-WorcM这4个参数计算，温度和压力的 计算系数的数值逻辑计算方法如下： C1_SENST = ((wordl?l)&...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡正群，张丽荣，施浒立，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11