AVIMET自动观测系统气压数据采集与处理

2021-12-11聂增臻谢英伟刘乃和

气象水文海洋仪器 2021年4期

聂增臻，谢英伟，刘乃和

(民航重庆空管分局，重庆 401120)

0 引言

依据《民用航空机场气象台建设指南》，每条机场跑道应配置2套气压传感器。目前，民航大中型机场自动气象观测系统普遍采用维萨拉公司搭建的AVIMET系统，主流气压传感器型号为PTB330。业界内部关于AVIMET系统气压数据采集与处理方式的资料较少的情况，机务人员对其内部运行机制概念模糊，因此数据异常往往难以排查处置。文章结合重庆江北机场业务运行中气压异常处置实例，对AVIMET系统气压服务处理流程进行梳理与整合[1]。

1 原理简述

1.1 硬件工作原理

气压传感器 PTB330能在苛刻环境下精确测量压力。气压计是基于 RC 震荡和基准电容器持续测量电容性压力[2，3]。

气压传感器PTB330一般采用DB9接口，输出波特率为9600、8、N、1串行气压数据。气压数据传送至自动气象站数据采集器QML201的MOD1接口，由DSU232模块调解。QML201统一对气象6要素数据封装后将其传送至服务器AVIMET系统ROA结构下对应的服务与对象中。

1.2 计算原理

AVIMET系统中气压传感器PTB330测得本站气压PAINS。系统根据本站气压数据、高度参数和温度参数计算修订场面气压QFE和修正海压QNH。

场面气压QFE计算公式为：

(1)

式中，P为仪器测量气压，单位：hPa；hQFE为仪器测量点高度与机场基准高度的差值，单位：m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；R为计算常量，R=287 J/kg/K；T为跑道入口点温度，单位：K。

修正海压QNH计算公式为：

(2)

式中，hQNH为机场参考高度，单位：m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；R为计算常量，R=287 J/kg/K；T0为计算常量，T0=288.15 K；α为计算常量，α=-0.0065 K/m。

重庆江北机场参考高度hQNH=415.6 m，则QNH=QFE·e0.04953185。

1.3 系统气压输出

1.3.1 规范输出

AVIMET系统基于TCP/IP协议搭建的ROA结构。ROA结构包含“对象”和“服务”，AVIMET系统服务嵌入Windows底层，随CDU开机启动运行，对各类数据对象进行处理与分发。

根据行业规范，AVIMET系统为气压数据创建不同的“数据对象源”进行输出。AVIMET系统输出的“气压数据对象源”严格按照MH/T 4016.9-2008《中华人民共和国民用航空行业标准》进行配置。

1.3.2 修正海平面气压QNH

根据规范要求，自动气象观测系统输出QNH与QFE等重要数据。其中，修正海平面气压QNH为航空器以海平面为基准的唯一高度参考。

截取重庆江北机场AVIMET系统输出的1组航标九气压数据，参考行业标准对其进行对比验证，结果符合行业标准要求。

2 AVIMET系统气压配置

2.1 传感器分布

重庆江北国际机场共有3条跑道，每条跑道的南北端各配置1套型号为MAWS301的自动气象站，用于测量跑道端的风向、风速、温度、湿度、雨量和压强数据。6套自动气象站分别部署于跑道02L、20R、02R、20L、03和21端，02L端为机场气象基准点。MAWS301自动气象站气压传感器型号为PTB330，温湿度传感器型号为HMP155。

2.2 系统配置文件

AVIMET自动观测系统气压数据采集与处理流程中，气压数据处理主要配置文件为“pressure_srv.ini”、“sensor.ini”和“dualserv.ini”。

配置文件pressure_srv.ini对QFESYNOP、QFF和QFE计算所需参数进行定义，如计算修正海压QNH所需的温度、重力加速度、机场高度、测量范围等参数。

3 AVIMET系统气压显示

AVIMET系统主要择取QNH、QFE、PAINS等数据进行显示。其中，PAINS为传感器实际测量气压值，QNH、QFE为基于PAINS、高度、温度的修订值。

3.1 场面气压QFE

配置文件dualserv.ini [PRESSURE_PRIMARY]字段定义气压输入源优先级，02L作为机场气象基准点，优先级最高。02L端传感器正常情况下，跑道各点(02L、20R、02R、20L、03、21)的场面气压QFE值，均由02L端PTB330仪器测得的气压值PAINS根据“仪器测量点高度与跑道入口高度的差值Δh”、 “跑道入口点温度T”修订到对应跑道入口端。

根据AVIMET系统气压配置，sensor.ini文件定义DEVICE_HEIGHT=“传感器高度”-“机场标高”=hQFE；pressure_srv.ini文件定义OUTPUT_X_HEIGHT =“跑道端头入口高度”-“机场标高”；则仪器测量点高度与跑道入口高度的差值Δh= DEVICE_HEIGHT- OUTPUT_X_HEIGHT=“传感器高度”-“跑道端头入口高度”。

若02L端PTB330仪器出现故障，AVIMET系统则根据配置文件定义的优先级顺序依次切换。

3.2 修正海平面气压QNH

与系统采用单一数据源计算场面气压QFE的方式不同，AVIMET系统在计算修正海平面气压QNH时，分别对跑道6个点的传感器测量气压(PAINS1至PAINS6)进行修订，修订值分别存入PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1至QNH_TDZ6中。02L作为机场气象基准点，其优先级最高。02L端传感器正常情况下，PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1数据对象将写入海压显示对象PRESSURE_FSRV.QNH。若02L端PTB330仪器出现故障，AVIMET则根据配置文件dualserv.ini定义的海压优先级进行切换。

4 气压异常处置案例分析

4.1 海压显示异常处置

Sensor Control作为AVIMET系统自带的数据切换软件，可实现RVR、风向风速、修正海压在不同数据源间的手动、自动切换。Sensor Control的气压界面中，显示的各点QNH均根据仪器自测数据PAINS与高度差hQFE修正计算。自动模式下，根据“dualserv.ini”文件定义的优先级进行输出。用户可通过手动模式选取任意气压源修订QNH值，在主界面进行显示。

2017-05-18，重庆江北机场3条跑道建设及自动观测系统升级项目中，机务员发现Sensor Control软件中，21端海压偏高，与其他端修订值相差0.3～0.6 hPa。

为找到差异原因，分析海压相关的配置文件“PRSSURE_SRV.ini”与“SENSOR.ini”中对高度的定义，形成江北机场AVIMET系统气压高度表(表1)。

表1 江北机场AVIMET系统气压高度 m

表1中，仪器测量点高度与跑道入口高度的差值Δh=DEVICE_HEIGHT-OUTPUT_X_HEIGHT=“传感器高度”-“跑道端头入口高度”。根据上式，21端跑道入口高度与传感器高度相差5.1 m，与常规明显不符。核对原始测绘文件，21端气压传感器高度为398.88 m，减去机场标高，21端DEVICE_HEIGHT实际值应为-16.72 m，与配置文件定义的-13.3 m相差3.42 m。

为验证3.42 m的高度差带来的海压差异，由式(1)、(2)进行推算，形成式(3)、(4)。

(3)

ΔQNH=ΔQFE·e0.04953185

(4)

AVIMET系统日志记录2017-05-18T09：00，自动气象站测量温度25 ℃(T=298 K)，21端仪器测量气压PAINS=956.4 hPa，则ΔQFE=0.375178 hPa，ΔQNH=0.3994 hPa，与实际差异相符。

根据上述验证，更新配置文件sensor.ini，将其21端DEVICE_HEIGHT高度配置修订为-16.72 m后，Sensor Control界面显示21端传感器QNH数据正常，与其余各端差异不超过0.2 hPa。

4.2 系统间QNH显示差异

2018-03-10T09：53，塔台管制员反映“AVIMET自动观测系统”面板修正海压数据显示1018 hPa，“综合信息处理显示系统SIPDS”面板显示修正海压数据为1019 hPa，相差1 hPa。

“综合信息处理显示系统SIPDS”是依据管制需求，融合重要数据的显示系统。该系统显示的QNH数据引接至“自动气象观测系统”串口航标九数据。

针对上述情况，文章根据AVIMET系统气压数据源的定义进行分析。在航标九中的QNH数据，是对象源PRESSURE.QNHINS保留2位小数输出的数据。对象源PRESSURE.QNHINS则是一个精确的计算值，包含8位小数；例如1，016.83063083 hPa。

按照规范标准，“AVIMET自动观测系统”界面上显示与其自带的发报功能中QNH需整数位向下进行取整。经检查，“自动气象观测系统”界面显示的QNH数据对象源为PRESSURE_FSRV.QNHINS。若服务器CDU计算到瞬时修正海平面气压为1，016.83063083 hPa，对象源PRESSURE_FSRV.QNHINS将对上述数据进行整数位的向下取整，界面显示为1016 hPa。

综上所述，“AVIMET自动观测系统”与“综合信息处理显示系统SIPDS”显示QNH取值对象不同。在某些极其特殊的情况下，数值会存在差异，例如，当PRESSURE里面的QNHINS数值为1，018.99998888时，界面会直接向下取整为1018，而航标九数据中小数部分第2位会进行四舍五入，从而变为1，019.00，导致系统间修正海压QNH相差1 hPa的情况。

此外，QNH计算的周期为1 min，计算后AVIMET系统界面会同时显示其数值。航标九中的压力数据输出也是以1 min为周期对外输出，虽然周期一致，但是在时间点上会有秒级的差异，例如QNH计算和显示是在每分钟第15秒时完成，航标九数据中的输出是在每分钟第45秒完成，当时间到达09：52：15时QNH计算和输出为1019 hpa，当到达09：52：45时会将此1，019.00 hpa数据通过航标九进行输出。当到达下一周期，即09：53：15时，QNH已经完成最新计算和显示，数值为1018 hpa，而此时还没有到达航标九数据的最新输出时间，加之自身系统对串口数据处理的延迟，航标九数据仍为上一次的1，019.00 hpa，导致系统间修正海压QNH相差1 hPa的情况。

为解决自动观测系统界面显示QNH向下取整，带来读数上的误差，修改系统UI文件，将原系统界面顶部海压的数据源由PRESSURE_FSRV.QNHINS改为PRESSURE_FSRV.QNHINS_DECIMAL。

4.3 温度对QNH的影响

2018-11-06，计量检定工作中，机务员在更换遥测站系统02L(TDZ1)端温湿度传感器时，发现02L端场面气压数据丢失、遥测站海压数据丢失。根据式(1)，场面气压QFE计算需要引入参数“跑道入口点温度T”。经分析，当02L端温湿度数据缺失，将直接影响对应点场压数据。同时，遥测站系统修正海平面气压QNH内部配置数据源为02L，无类似自动观测系统海压数据源的切换机制，02L端遥测场压丢失将直接影响遥测站系统修正海平面气压数据的提供。

为验证参数“跑道入口点温度T”对“AVIMET自动观测系统”场压QFE、海压数据QNH的影响，进行了02L温湿度传感器短时拆除工作。经验证，自动观测系统02L端温湿度传感器HMP155在拆除后，并不影响02L端场压数据的提供，即修正海压不受影响，系统diagnostic软件并未生成气压类相关告警。为确定其系统内部质量控制机制，查看配置文件“pressure_srv.ini”对温度参数取值定义。其中，QFE温度数据源选取字段定义如下：

TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ1″

BACKUP_TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ2″

可见，重庆机场各点场压QFE及修正海压QNH温度计算参数T取值为一跑道南端(02L)，备份源为一跑道北端(20R)。同时“pressure_srv.ini”文件定义中，在主备温度源均丢失情况下，系统将使用国际标准大气(ISA)参考温度引入计算，其字段定义如下：

ENABLE_ISA_REFERENCE_TEMPERATURE=[I]1

在国际标准大气(ISA) 温度模型的建立中，国际标准的基础是海平面温度15 ℃。在对流层顶以下，温度以恒定的速率-6.5 ℃/1000 m随着高度变化。因此，在ISA模型中被认为是理想气体的空气具有以下特性。

在平均海平面(MSL)：

ISA温度=T=+15 ℃=288.15 K

在MSL以上，对流层顶以下(36，089英尺)：

ISA温度=T-6.5 ℃·[高度(m)/1000(m)]

因此，在给定参考高度hQNH=415.6 m情况下，重庆江北机场ISA参考温度T=12.2986 ℃，即在主用源02L与备份源20R温度丢失的情况下，场压、海压的温度计算参数将设置常数12.2986 ℃。