CN104374368A - 一种基于差分气压测高计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种基于差分气压测高计及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域的测高计，更详细地说涉及一种基于差分气压测高计及其测量方法。

背景技术

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10km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100km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：

$h-h_0=\frac{R_d{T}_m}{g}\ln \frac{P_0}{P}=29.27\·T_m\·\ln \frac{P_0}{P}......\left(1\right)$

式(1)中，T_m是平均温度(°K)。显然，两等压面P₀和P之间的平均温度越高，厚度越大。若利用摄氏温度t_m，并采用以10为底的对数，则式(1)可写成：

$h-h_0=67.4\·(273.15+T_m)\·\lg \frac{P_0}{P}......\left(2\right)$

上式(2)中，基准点高度h₀可以认定为是已知量；平均温度T_m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P₀和用户端的气压值P即可。

发明内容

本发明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。

本发明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：

$h-h_0=67.4\·(273.15+T_m)\·\lg \frac{P_0}{P}$

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。

本发明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1mbar的气压变化量，相当于高度变化约0.82m；测量点相对于基准点1℃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＝α(P₀-P)+β(t_R-t₀)+h₀......(3)

在不同的区域范围内通过实验获得α和β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。

本发明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：

Y_n＝aX_n+(1-a)Y_n-1......(4)

式(4)中：Y_n为本次滤波输出值，X_n为当前读出的数据，Y_n-1为上次滤波输出值，a是介于0～1之间的滤波系数。

本发明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P₀＝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，故本发明又能够成为一种相对测高计。

本发明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P₀和温度值T_m，此时基准点的高度归零(h₀＝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。

本发明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Word1-Word4这4个参数；

3、数值读取更新，根据步骤2Word1-Word4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Word1-Word4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＝((word1>>1)&0x7fff)；

C2_OFFT＝(((word3&0x003f)<<6)|(word4&0x003f))；

C3_TCS＝((word4>>6)&0x03ff)；

C4_TCO＝((word3>>6)&0x03ff)；

C5_TREF＝(((word1&0x0001)<<10)|(word2>>6))；

C6_TEMPSENS＝((word2&0x003f))；)；

6、按照下式进行软件滤波：

Y_n＝aX_n+(1-a)Y_n-1......(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(P₀＝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LCD显示器上显示气压和此时归零的高度；如系统没有检测到该按键已经按下，则在LCD显示器上显示气压和基站差分模式下的绝对高度。

本发明所述基于差分气压测高计及其测量方法的优越效果在于：

1.本发明所述基于差分气压测高计，设计结构简洁、合理，使用方便，操作简单。

2.本发明所述基于差分气压测高计，能够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。

3.本发明所述基于差分气压测高计的测量方法测量精度高，在航天、航空、气象等领域具有非常重要的使用价值。

附图说明

图1为本发明所述基于差分气压测高计应用模式一的工作示意图；

图2为本发明所述基于差分气压测高计应用模式二的工作示意图；

图3为本发明所述基于差分气压测高计结构示意图；

图4为本发明所述基于差分气压测高计工作流程图；

图5为本发明所述基于差分气压测高计用于室内楼层高度定位解算实测高度分辨图。

图6为本发明所述改进型差分气压测高系统的高程分辨实验图。

图7为本发明所述基站差分应用模式显示界面。

图8为本发明所述归零差分相对测高计应用模式显示界面。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面结合说明书附图详细介绍本发明具体实施方式。

本发明能够实现用户所在处位置的高度测量，图1示出没有按下归零键之前测高计处于模式一的工作状态，测高计接收基站或结点发送过来的信息，解算出用户所处位置的绝对高程。当用户按下归零键，则测高计处于图2所示的模式二的工作状态，测高计会自动设置此时位置点的高度为零，当用户离开高度为零的设定点时，在活动过程中用户能清楚准确地知道自己活动轨迹点所在位置距离自己设定的基准点之间的高度差。

如图3所示，为本发明所述基于差分气压测高计的结构示意图，所述测高计包括数字压力传感器(MS5534CM、BP5607等)1、AVR单片机2、液晶显示器3和电源4，其中电源4分别与数字压力传感器1和AVR单片机2连接，液晶显示器AVR单片机2与液晶显示器3连通。

所述数字压力传感器1用于采集气压值和温度值，所述AVR单片机2用于控制数字压力传感器1的工作以及高度解算。运用差分气压测高方法将用户相对于基准点的精确高度信息通过液晶显示器3反馈至用户。

图4示出本发明所述基于差分气压测高计的工作流程，通过归零按键，实时将气压值和温度值作为基准点的气压值和温度值，用户高度数值输出基于高灵敏度的高度差值与基准绝对高度的相加、相减运算得到。

使用本发明所述的基于差分气压测高计的测量方法具体步骤是：

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Word1-Word4这4个参数；

3、数值读取更新，根据步骤2Word1-Word4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Word1-Word4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＝((word1>>1)&0x7fff)；

C2_OFFT＝(((word3&0x003f)<<6)|(word4&0x003f))；

C3_TCS＝((word4>>6)&0x03ff)；

C4_TCO＝((word3>>6)&0x03ff)；

C5_TREF＝(((word1&0x0001)<<10)|(word2>>6))；

C6_TEMPSENS＝((word2&0x003f))；)；

6、按照下式(5)进行软件滤波，

Y_n＝aX_n+(1-a)Y_n-1......(5)

式(5)中：Y_n为本次滤波输出值，X_n为当前读出的数据，Y_n-1为上次滤波输出值，a是介于0～1之间的滤波系数。

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(P₀＝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LCD显示器上显示气压和此时归零的高度；如系统没有检测到该按键已经按下，则在LCD显示器上显示气压和基站差分模式下的绝对高度。

需要说明的是，本发明利用气压测高方法对高度的反应灵敏，在室内楼层高度定位、登山测高以及地下作业场合中将地面高度直接确定为零米，用户每上升至某一高度都可以在用户终端上显示高度差，用户距离地面的高度就是地面高度加上显示的高度差，如上所述，地面某一位置高度已经设置为零，显示的高度差，就是用户本身所在位置距离地面设定点位置的相对高度。上述说明的仅仅是将归零点设置在地面上时，某一点位置高程的一种表示情况。实际上，如图5所示，本发明还可以将归零点设置在任意位置，实现导航模式中的相对高度测量。也可以设定一个共同的相对测量基准，则可以测出不同测量点相对于共同测量点的相对高程，此外，如用户在一楼按下归零键，当用户登楼处于各楼层时，楼层的高度都会显示，而且分辨能力比较高，测高计高程定位精度优于0.5米，所以测高计在室内楼层分辨、登山测高以及地下作业的场合有着特殊的应用价值。

本发明涉及通过LCD液晶显示屏显示的高度信包括：实时气压值、实时温度值、实时相对基准设定点的高度值以及距离设定点或归零点的位置与时间等。

在本发明中，所述的绝对高度系指用户所在处相对于海平面、或某一个局部坐标系基准平面、或基站高度起始点的高程；相对高度系指用户所在处相对于用户自身设定的基准点之间的高度。

图6示出改进型差分气压测高模型解算高程信息，图7示出基站差分模式，图8示出归零差分模式。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员应当理解,其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

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Word1-Word4这4个参数；

步骤3、数值读取更新，根据步骤2Word1-Word4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Word1-Word4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＝((word1>>1)&0x7fff)；

C2_OFFT＝(((word3&0x003f)<<6)|(word4&0x003f))；

C3_TCS＝((word4>>6)&0x03ff)；

C4_TCO＝((word3>>6)&0x03ff)；

C5_TREF＝(((word1&0x0001)<<10)|(word2>>6))；

C6_TEMPSENS＝((word2&0x003f)))；

步骤6、按照下式进行软件滤波：

Y_n＝aX_n+(1-a)Y_n-1

步骤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(P₀＝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LCD显示器上显示气压和此时归零的高度；如系统没有检测到该按键已经按下，则在LCD显示器上显示气压和基站差分模式下的绝对高度。