CN105180964B - 一种增强差分气压测高校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强差分气压测高校正方法，能够针对局域温差异常的测量环境使用。该方法将实际的气压变化情况视为主要由于局部温差和垂直运动两个影响因子引起，首先根据实际的气压、温度变化情况分析计算其中由局部温差而引起的气压变化量，然后在此基础上对实际的气压值进行校正，剔除其中由局部温差引起的气压变化量，也即保留仅由垂直运动引起的气压变化量，最后根据由垂直运动引起的气压变化量进行测高解算，这样获得测高结果更加精确，能够实现更好的垂直定位效果。

Description

一种增强差分气压测高校正方法

技术领域

本发明涉及一种测高技术，尤其涉及一种用于精准室内定位的增强差分气压测高校正方法。

背景技术

精准室内位置服务在应急救援、车辆导航、反恐维稳和特殊人群关爱等领域中的应用越来越重要，已成为国际科技技术经济竞争的焦点。与室外位置服务相比，室内位置服务对精准的三维信息(即经度、纬度和高度信息)的需求更加迫切，以便对建筑内部拥挤狭小的空间进行更加准确的区分。其中，在垂直位置上的区分度应当做到米级定位。这样可以帮助用户对建筑楼层进行精准的辨别，实现对室内位置的全息定位。但是，目前的主流测高技术，诸如激光测高、雷达(无线电)测高、卫星测高、大气压测高等均受到测高精度、成本控制以及适用范围等难题的制约，难以被应用于广域的大众位置服务。

目前，差分气压测高法是一种改进过的基于大气压测高原理的测高方法。该方法的基本原理是利用气压差分的方法对大气压测高方法中由于环境因素影响而带来的偏差进行修正。利用地面气压基准站的气压对需要测高的终端位置的气压值进行精确的修正，从而补偿大气物理环境变化对气压高度测量结果的影响。该方法能够在很大程度上提升气压测高方法的准确度，克服稳定性差、可靠性较低等缺陷。而且，实施该方法的设备实体较为简单、成本低廉，并且测高功能的实体部件可以在用户端实现设备微型化。这些优点决定了它具有适用于室内定位测高的潜质。但是，该方法还面临一个问题，即在局域温差异常的测量环境下，终端侧由于局域温度异常会导致局域气压变化的趋势与基站侧不一致，换言之，不能满足气压变化物理的一致性。这会导致，在局域温差异常环境(通常是指火场环境、使用大功率制冷制热源的室内空调暖气环境等)下，利用差分气压测高方法获得的测量结果准确度低，测量结果误差较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新的可针对局域温差异常测量环境使用的增强差分气压测高校正方法。该方法包括以下步骤：

监测位于局域温差异常环境中的测高点的气压和温度，根据测高点的气压和温度变化来计算其中由于局域温差而引起的气压变化量，进而计算出由于垂直运动而引起的气压变化量，利用由于垂直运动而引起的气压变化量来计算测高点的高度。

根据本发明的实施例，可以先对监测的测高点的气压和温度数据进行滤波处理，然后才用于计算由于局域温差而引起的气压变化量。

根据本发明的实施例，优选利用滑动平均滤波器和拉依达记忆数据滤波器，对监测的测高点的气压和温度数据进行所述滤波处理。

根据本发明的实施例，可以利用由于垂直运动而引起的气压变化量，结合已知的气压基准站的高度、气压和温度，根据差分气压测高方程求解测高点的海拔高度。

根据本发明的实施例，可以只有当由于垂直运动而引起的气压变化量符合运动行为特征时，才利用其来计算测高点的海拔高度。

根据本发明的实施例，可以根据测高点的气压和温度变化来计算其中由于局域温差而引起的气压变化量，包括以下步骤：

1)根据监测的测高点的气压和温度，获得一段特定时间(t_a，t_b)内测高点的气压变化量ΔP；

2)将特定时间(t_a，t_b)内的测高点的气压变化量ΔP分为m等分，获得相应的气压变化量数据等分的时间段(t_a，t₀)、(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、……、(t_m-2，tb)；

3)计算各个气压变化量数据等分时间段内的气压变化量Δp与相应的温度变化量Δt的比值，并求出所有比值的平均值；

4)利用所有比值的平均值以及在特定时间(t_a，t_b)内的测高点的温度变化量ΔT来计算由于局域温差而引起的气压变化量ΔP′。

根据本发明的实施例，由于局域温差而引起的气压变化量等于所有比值的平均值与在特定时间(t_a，t_b)内的测高点的温度变化量ΔT的乘积。

根据本发明的实施例，由于垂直运动而引起的气压变化量等于特定时间(t_a，t_b)内测高点的气压变化量ΔP减去由于局域温差而引起的气压变化量ΔP′。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明提出的校正方法能够应用于恶劣的环境，例如应用于火场环境、室内空调暖气等局域温差异常的测高场景，利用增本发明提出的校正方法能够校正因外界环境气压和温度等异常因素所带来的影响，从而提升测高结果的准确度，增强测高系统的精度，达到更好的垂直定位效果。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例所采用增强差分气压测高校正方法的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面首先介绍现有技术中利用差分气压法求解精确高程的方法。

目前，在现有技术中利用差分气压法求解精确高程的方法如下：

根据大气压测高理论，当大气压在垂直方向上的重力场和在铅直方向上的气压梯度作用力的作用达到受力平衡时，称为大气压流体静力平衡状态。在流体静力平衡状态下，满足一种大气压力和和海拔高度的映射规律，其采用大气静力学方程可以表示为：

式中，P为当前气压值，ρ为空气密度，z为当前海拔高度，g表示重力加速度。从(1-1)式可以看出，在空气密度为常数的前提下，大气压总是随着海拔高度的上升而减小。

在此暂不考虑空气湿度对本地气压的影响，在完全干燥的不含任何水蒸气的空气中，气体状态方程为：

P＝ρR_dT (1-2)

式中，T为当前空气的热力学温度，R_d(R_d＝287.05J/(kg·K))是干燥空气的气体常数。由于ρ∝P/T。将(1-2)式带入(1-1)式，并由初始值(h₀,P₀)积分到高度(h,P)，就得到气压-高度表达式：

和

上式反映了大气压处于静力平衡状态时的气压、温度与高度之间的关系。需要说明的是，上述的处理是把重力加速度g当做一个常数来处理。这是因为，在人们日常生活的海拔高度上，重力加速度g随着海拔高度而变的变化很小。虽然在实际环境中的大气压处于不断变化的情况，但是在局部范围内，在不考虑局部强对流气候以及局域非自然因素的前提下，环境的大气压力变化规律保持一致，所以(1-3)式和(1-4)式适用于正常情况下的大气环境，并且计算结果具有很高的精度。

由于大气压随海拔高度的分布会很复杂，难以用函数关系来映射，因此通常假设气层内温度相等，取两个高程位置的平均温度，对(1-4)式进行求解可以得到：

式中，T_m是平均温度，单位是K。若以摄氏温度t_m表示(1-5)式，那么可以的得到下式：

(1-6)式称为拉普拉斯压高方程，也即差分气压测高方程。

如此一来，在已知气压基准站的准确海拔高度、气压和温度信息的情况下，利用测高点测到的气压和温度，就可以根据式(1-6)计算出测高点的海拔高度。但是，当测高点位于恶劣的测量环境中(例如在火场、室内空调暖气等异常的测高场景中)时，由于终端侧(即测高点)和基站侧(即地面站)的气压物理特性的变化趋势不一致，如果仍然采用(1-6)式的差分气压测高方程来计算测高点的海拔高度，那么获得的最终结果必然不准确，误差较大。

为此，本发明提出了一种新的增强差分气压测高校正方法，能够针对局域温差异常的测量环境使用。该方法的原理是，将实际的气压变化情况视为主要由于局部温差和垂直运动两个影响因子引起，首先根据实际的气压、温度变化情况分析计算其中由局部温差而引起的气压变化量，然后在此基础上对实际的气压值进行校正，剔除其中由局部温差引起的气压变化量，也即保留仅由垂直运动引起的气压变化量。经过校正后的气压数据就可以应用于差分气压测高方程(1-6)式进行测高解算，获得更加精确的测高结果，进而实现更好的垂直定位效果。

图1显示了本发明的实施例中采用的增强差分气压测高校正方法的工作流程图。应当说明的是，以下仅是一个实施例，其中的步骤可以根据具体情况进行增减或者调整执行顺序。

S100、获取测高点的气压和温度。

在异常的测量环境下，定位终端来监测测高点的气压和温度，在获得这些气压和温度数据后，可以利用例如滑动平均滤波器和拉依达记忆数据滤波器对这些测量数据进行滤波处理，也即对其中传感器的热噪声和奇异点进行处理。

应当说明的是，这种监测会持续一段时间。这段时间可以很长也可以很短，例如1秒或者10毫秒，但是在这1秒或者10毫秒内，终端侧要不断地采集测高点的气压和温度，并记录相应的采集时间。

S200、计算由于局部温差而引起的气压变化量。

具体步骤如下：

S210、根据监测的气压和温度数据，获得一段特定时间(t_a，t_b)内测高点的气压变化量ΔP。

S220、将这段时间(t_a，t_b)内的测高点的气压变化量ΔP分为m等分，获得相应的气压变化量等分的时间段。

步骤S100中，通过测量的数据可以获知经过一段时间(t_a，t_b)，测高点的气压变化量为ΔP＝β。其中，在该段时间内的时刻t₀，气压变化量达到β/2，于是得到气压变化量等分的时间段，分别记为(t_a，t₀)、(t₀，t_b)。然后，分别在这两个时间段中，取气压变化量为β/4以及3β/4的时刻，于是得到气压变化量再次等分的时间段，分别记为(t_a，t₀)、(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、(t₂，t_b)。如此反复地执行上面的等分操作，当Δp等分为m等分时，得到气压变化量m等分的时间段，分别记为(t_a，t₀)、(t₀，t₁)、(t₁，t₂)、……、(t_m-2，t_b)。

例如，在一段时间(10～20ms)内气压变化范围为1020-1024hPa，变化量为4hPa。假设将其分成4等分，则每个等分的气压点分别为1021hPa，1022hPa，1023hPa，1024hPa。相应地，1020～1021hPa所对应的时间段为(10～14ms)，1021～1022hPa所对应的时间段为(14～17ms)，1022～1023hPa所对应的时间段为(17～19ms)，1023～1024hPa所对应的时间段为(19～20ms)。

S230、根据理想气体状态方程PV＝nRT，分别计算步骤1)所划分的各个时间段的气压变化量Δp与相应的温度变化数值Δt的比值然后求出(t_a，t_b)之间所有时间段的A_m的平均值

需要说明的是，在步骤S100中，在采集测高点气压的同时，也记录了相应的温度值。因此，对于各个时间段的气压变化量Δp都可以查到相应的温度变化数值Δt。

S240、根据平均值以及一段时间(t_a，t_b)内测高点的温度变化ΔT，求出由于局域温差而引起的气压变化量ΔP′。

具体方法如下：

例如，对于火场和室内空调暖气环境，在不考虑小范围局域空间强对流的条件下，可以假设局域空间的空气体积和质量不变，根据理想气体状态方程，

PV＝nRT (2-1)

式中，P表示气压，V表示气压体积，n表示气体质量，T表示气体热力学温度，R表示理想气体常数。对(2-1)式进行微分运算，得到下式：

由上式可知，局域气压变化与温度变化成正比。

设在火场和室内空调暖气测量环境下，当前气压传感器的气压变化瞬态变化为ΔP，那么有以下关系：

ΔP＝ΔP₁+ΔP′ (2-3)

上式中ΔP′表示由于局域温差而引起的气压变化量，ΔP₁是由于垂直运动而导致的气压变化量。在(t_a，t_b)时间内，设dp是由于局域异常温度而引起的气压变化率，那么可以得到下式：

定义在(t_a，t_b)时间内ΔP′＝β，设在这段时间内的某一时刻t₁，气压变化值达到β/2，设dA＝d(nR/V)，那么根据(2-4)的积分关系可以得到下式：

如果将β等分为m等份，并且设每个等分点的时刻为t₁，t₂，…，t_i，那么可以得下式：

其中，i＝0，1，2，…，m-1，j＝1，2，３，…，m。

如果取那么可得

(2-7)式是计算由于局域温差而引起的气压变化的方程，t_i和dA_ij可以由测量数据得知。如果|t_a-t_b|→0，那么根据测试结果由(2-8)式计算的结果就越精确。而且如果终端在单位时间内获得的测量值越多，那么计算的结果就越接近真实环境下的气压分布。这是因为测量值越多，计算所得的A_ij就越接近于真实值。

因此，可以根据(2-9)式计算出一段时间(t_a，t_b)内由于局域温差而引起的气压变化数值ΔP′。

S300、计算由于垂直运动而引起的气压变化量。

将在一段时间(t_a，t_b)内的气压变化量ΔP剔除掉仅由局部温差引起的气压变化量ΔP′，就可以得到仅由垂直运动引起的气压变化量。

即，根据(2-10)式即可计算出仅由垂直运动引起的气压变化量

ΔP₁＝ΔP-ΔP′ (2-10)

S400、判断仅由垂直运动引起的气压变化量是否符合运动行为特征：

若不是，则返回步骤S100，重新测量气压和温度，进行分析计算；

若是，则执行步骤S500；

S500、利用仅由垂直运动引起的气压变化量以及地面站已知的气压、温度来计算测高点的高度。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种增强差分气压测高校正方法，包括：

监测位于局域温差异常环境中的测高点的气压和温度；

根据测高点的气压和温度变化来计算其中由于局域温差而引起的气压变化量，进而计算出由于垂直运动而引起的气压变化量；

利用由于垂直运动而引起的气压变化量来计算测高点的高度；

其中，根据测高点的气压和温度变化来计算其中由于局域温差而引起的气压变化量，包括以下步骤：

1)根据监测的测高点的气压和温度，获得一段特定时间(t_a,t_b)内测高点的气压变化量ΔP；

2)将特定时间(t_a,t_b)内的测高点的气压变化量ΔP分为m等分，获得相应的气压变化量数据等分的时间段(t_a,t₀)、(t₀,t₁)、(t₁,t₂)、……、(t_m-2,t_b)；

3)计算各个气压变化量数据等分时间段内的气压变化量Δp与相应的温度变化量Δt的比值，并求出所有比值的平均值；

4)利用所有比值的平均值以及在特定时间(t_a,t_b)内的测高点的温度变化量ΔT来计算由于局域温差而引起的气压变化量ΔP'。

2.根据权利要求1所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于：

对监测的测高点的气压和温度数据进行滤波处理，然后才用于计算由于局域温差而引起的气压变化量。

3.根据权利要求2所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于：

利用滑动平均滤波器和拉依达记忆数据滤波器，对监测的测高点的气压和温度数据进行所述滤波处理。

4.根据权利要求1所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于：

利用由于垂直运动而引起的气压变化量，结合已知的气压基准站的高度、气压和温度，根据差分气压测高方程求解测高点的海拔高度。

5.根据权利要求4所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于：

只有当由于垂直运动而引起的气压变化量符合运动行为特征时，才利用其来计算测高点的海拔高度。

6.根据权利要求1所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于，由于局域温差而引起的气压变化量等于所有比值的平均值与在特定时间(t_a,t_b)内的测高点的温度变化量ΔT的乘积。

7.根据权利要求1或6所述的增强差分气压测高校正方法，其特征在于，由于垂直运动而引起的气压变化量等于特定时间(t_a,t_b)内测高点的气压变化量ΔP减去由于局域温差而引起的气压变化量ΔP'。