氣壓高度計的測量誤差分析及修正方法

孫佳++桂宇貴++吳杰++張珂

摘 要：近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對高空作業(yè)設(shè)備采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測受到了安全監(jiān)管部門和設(shè)備制造企業(yè)的廣泛關(guān)注。采用氣壓高度計獲取高度數(shù)據(jù)是一種常見的選擇形式，但氣壓高度計在測量過程中受多種因素的影響使其存在一定的測量誤差，導(dǎo)致高度數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確。通過分析氣壓高度計測量過程中的氣壓與高度之間的轉(zhuǎn)換原理及產(chǎn)生主要誤差的原因，發(fā)現(xiàn)氣壓高度計測量誤差主要來源于原理誤差以及測量元件引起的誤差，基于誤差修正理論考慮誤差來源并處理對應(yīng)測量誤差。采用行之有效的修正方法來提高氣壓高度計的測量精度，為在氣壓高度計應(yīng)用中降低高度數(shù)據(jù)測量誤差提供一種可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：氣壓高度計；誤差分析；修正方法；測量誤差

中圖分類號：O17；TP202+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

高處作業(yè)設(shè)備施工高度是指平臺重心在空中距某一基準(zhǔn)平面的垂直距離，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，超過兩米以上的空中作業(yè)即為高處作業(yè)，因此遠(yuǎn)程實時監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行高度對眾多高處作業(yè)設(shè)備意義重大。根據(jù)所選測量基準(zhǔn)面的不同，施工高度可分為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度、絕對高度以及相對高度三種。標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度以標(biāo)準(zhǔn)海平面為基準(zhǔn)，絕對高度以實際海平面為基準(zhǔn)，相對高度以高處作業(yè)平臺施工時建筑物的地平面為基準(zhǔn)[1，2]。目前工程中常用氣壓高度計對高處作業(yè)設(shè)備的絕對高度進(jìn)行測量，并通過兩次測量來計算高處作業(yè)設(shè)備的相對作業(yè)高度。氣壓高度計利用壓力傳感器采集平臺所處高度的氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)微處理器中的氣壓高度轉(zhuǎn)換算法將氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高度數(shù)據(jù)輸出。

1 氣壓高度計原理性誤差分析及修正

1.1 氣壓高度轉(zhuǎn)換原理

設(shè)定地球表面的大氣層相對地球沒有水平和垂直方向的運(yùn)動，即相對地球為靜止大氣時，在大氣層任一高度取一微型空氣柱，橫截面積為ds，高度為dh。假設(shè)該微型空氣柱的上底面承受的大氣壓力為Ps，下底面承受的大氣壓力為Ps+dPs，空氣柱的重量為G，上底面的大氣溫度為T，高度為h；下底面的大氣溫度為Tb，高度為hb，微型空氣柱的受力示意圖如圖1所示。

因計算時大氣層為靜止大氣，根據(jù)靜力學(xué)平衡方程可得：

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差修正算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有三層或三層以上神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、中間層（隱層）和輸出層。上下層之間實現(xiàn)全連接，而每層神經(jīng)元之間無連接。當(dāng)一對學(xué)習(xí)樣本提供給網(wǎng)絡(luò)后，神經(jīng)元的激活值從輸入層經(jīng)各中間層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng)。之后按照減少目標(biāo)輸出與實際輸出之間誤差的方向，從輸出層反向經(jīng)各中間層回到輸入層，從而逐層修正連接權(quán)值，這種算法被稱為“誤差反向傳播方法”，即BP算法。隨著這種誤差逆向的傳播修正不斷進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)對輸入模式響應(yīng)的正確率也不斷上升[10，11]。采用動量梯度下降算法訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，選用經(jīng)過5點3次平滑處理后的上行和下行高度測量數(shù)據(jù)為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入值，目標(biāo)輸出值為理想高度值，訓(xùn)練顯示間隔為50次，學(xué)習(xí)步長為0.05，最大訓(xùn)練次數(shù)為300，最大均方差為1×10-5，通過相關(guān)軟件編寫算法程序，可得如圖3所示的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正效果對比曲線。

由圖3可知，經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正后的高度測量曲線較上行高度測量曲線、下行高度測量曲線更接近于平臺實際高度曲線，修正后的測量值與實際值之間波動變小；BP修正絕對誤差最大值為0.300 7 m，遠(yuǎn)小于上行絕對誤差最大值1.2 m以及下行絕對誤差1.96 m，滿足實際應(yīng)用的要求。

3 結(jié) 語

本文對實際海平面與標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣狀況不同時造成的氣壓高度計原理性誤差進(jìn)行了分析和修正，采用5點3次平滑法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時通過構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正算法模型對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。結(jié)果表明，處理后的測量數(shù)據(jù)的絕對誤差最大值為0.300 7 m，遠(yuǎn)小于處理前測量數(shù)據(jù)的絕對誤差最大值1.96 m。減小了由測量元件引起的誤差對氣壓高度計測量結(jié)果的影響，為氣壓高度計在高處作業(yè)設(shè)備的高度測量中提高測量精度提供了一種有效的方法。

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