AVIMET自動觀測系統氣壓數據采集與處理

聶增臻，謝英偉，劉乃和

(民航重慶空管分局，重慶 401120)

0 引言

依據《民用航空機場氣象臺建設指南》，每條機場跑道應配置2套氣壓傳感器。目前，民航大中型機場自動氣象觀測系統普遍采用維薩拉公司搭建的AVIMET系統，主流氣壓傳感器型號為PTB330。業界內部關于AVIMET系統氣壓數據采集與處理方式的資料較少的情況，機務人員對其內部運行機制概念模糊，因此數據異常往往難以排查處置。文章結合重慶江北機場業務運行中氣壓異常處置實例，對AVIMET系統氣壓服務處理流程進行梳理與整合[1]。

1 原理簡述

1.1 硬件工作原理

氣壓傳感器 PTB330能在苛刻環境下精確測量壓力。氣壓計是基于 RC 震蕩和基準電容器持續測量電容性壓力[2，3]。

氣壓傳感器PTB330一般采用DB9接口，輸出波特率為9600、8、N、1串行氣壓數據。氣壓數據傳送至自動氣象站數據采集器QML201的MOD1接口，由DSU232模塊調解。QML201統一對氣象6要素數據封裝后將其傳送至服務器AVIMET系統ROA結構下對應的服務與對象中。

1.2 計算原理

AVIMET系統中氣壓傳感器PTB330測得本站氣壓PAINS。系統根據本站氣壓數據、高度參數和溫度參數計算修訂場面氣壓QFE和修正海壓QNH。

場面氣壓QFE計算公式為：

(1)

式中，P為儀器測量氣壓，單位：hPa；hQFE為儀器測量點高度與機場基準高度的差值，單位：m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；R為計算常量，R=287 J/kg/K；T為跑道入口點溫度，單位：K。

修正海壓QNH計算公式為：

(2)

式中，hQNH為機場參考高度，單位：m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；R為計算常量，R=287 J/kg/K；T0為計算常量，T0=288.15 K；α為計算常量，α=-0.0065 K/m。

重慶江北機場參考高度hQNH=415.6 m，則QNH=QFE·e0.04953185。

1.3 系統氣壓輸出

1.3.1 規范輸出

AVIMET系統基于TCP/IP協議搭建的ROA結構。ROA結構包含“對象”和“服務”，AVIMET系統服務嵌入Windows底層，隨CDU開機啟動運行，對各類數據對象進行處理與分發。

根據行業規范，AVIMET系統為氣壓數據創建不同的“數據對象源”進行輸出。AVIMET系統輸出的“氣壓數據對象源”嚴格按照MH/T 4016.9-2008《中華人民共和國民用航空行業標準》進行配置。

1.3.2 修正海平面氣壓QNH

根據規范要求，自動氣象觀測系統輸出QNH與QFE等重要數據。其中，修正海平面氣壓QNH為航空器以海平面為基準的唯一高度參考。

截取重慶江北機場AVIMET系統輸出的1組航標九氣壓數據，參考行業標準對其進行對比驗證，結果符合行業標準要求。

2 AVIMET系統氣壓配置

2.1 傳感器分布

重慶江北國際機場共有3條跑道，每條跑道的南北端各配置1套型號為MAWS301的自動氣象站，用于測量跑道端的風向、風速、溫度、濕度、雨量和壓強數據。6套自動氣象站分別部署于跑道02L、20R、02R、20L、03和21端，02L端為機場氣象基準點。MAWS301自動氣象站氣壓傳感器型號為PTB330，溫濕度傳感器型號為HMP155。

2.2 系統配置文件

AVIMET自動觀測系統氣壓數據采集與處理流程中，氣壓數據處理主要配置文件為“pressure_srv.ini”、“sensor.ini”和“dualserv.ini”。

配置文件pressure_srv.ini對QFESYNOP、QFF和QFE計算所需參數進行定義，如計算修正海壓QNH所需的溫度、重力加速度、機場高度、測量范圍等參數。

3 AVIMET系統氣壓顯示

AVIMET系統主要擇取QNH、QFE、PAINS等數據進行顯示。其中，PAINS為傳感器實際測量氣壓值，QNH、QFE為基于PAINS、高度、溫度的修訂值。

3.1 場面氣壓QFE

配置文件dualserv.ini [PRESSURE_PRIMARY]字段定義氣壓輸入源優先級，02L作為機場氣象基準點，優先級最高。02L端傳感器正常情況下，跑道各點(02L、20R、02R、20L、03、21)的場面氣壓QFE值，均由02L端PTB330儀器測得的氣壓值PAINS根據“儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh”、 “跑道入口點溫度T”修訂到對應跑道入口端。

根據AVIMET系統氣壓配置，sensor.ini文件定義DEVICE_HEIGHT=“傳感器高度”-“機場標高”=hQFE；pressure_srv.ini文件定義OUTPUT_X_HEIGHT =“跑道端頭入口高度”-“機場標高”；則儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh= DEVICE_HEIGHT- OUTPUT_X_HEIGHT=“傳感器高度”-“跑道端頭入口高度”。

若02L端PTB330儀器出現故障，AVIMET系統則根據配置文件定義的優先級順序依次切換。

3.2 修正海平面氣壓QNH

與系統采用單一數據源計算場面氣壓QFE的方式不同，AVIMET系統在計算修正海平面氣壓QNH時，分別對跑道6個點的傳感器測量氣壓(PAINS1至PAINS6)進行修訂，修訂值分別存入PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1至QNH_TDZ6中。02L作為機場氣象基準點，其優先級最高。02L端傳感器正常情況下，PRESSURE_FSRV.QNH_TDZ1數據對象將寫入海壓顯示對象PRESSURE_FSRV.QNH。若02L端PTB330儀器出現故障，AVIMET則根據配置文件dualserv.ini定義的海壓優先級進行切換。

4 氣壓異常處置案例分析

4.1 海壓顯示異常處置

Sensor Control作為AVIMET系統自帶的數據切換軟件，可實現RVR、風向風速、修正海壓在不同數據源間的手動、自動切換。Sensor Control的氣壓界面中，顯示的各點QNH均根據儀器自測數據PAINS與高度差hQFE修正計算。自動模式下，根據“dualserv.ini”文件定義的優先級進行輸出。用戶可通過手動模式選取任意氣壓源修訂QNH值，在主界面進行顯示。

2017-05-18，重慶江北機場3條跑道建設及自動觀測系統升級項目中，機務員發現Sensor Control軟件中，21端海壓偏高，與其他端修訂值相差0.3～0.6 hPa。

為找到差異原因，分析海壓相關的配置文件“PRSSURE_SRV.ini”與“SENSOR.ini”中對高度的定義，形成江北機場AVIMET系統氣壓高度表(表1)。

表1 江北機場AVIMET系統氣壓高度 m

表1中，儀器測量點高度與跑道入口高度的差值Δh=DEVICE_HEIGHT-OUTPUT_X_HEIGHT=“傳感器高度”-“跑道端頭入口高度”。根據上式，21端跑道入口高度與傳感器高度相差5.1 m，與常規明顯不符。核對原始測繪文件，21端氣壓傳感器高度為398.88 m，減去機場標高，21端DEVICE_HEIGHT實際值應為-16.72 m，與配置文件定義的-13.3 m相差3.42 m。

為驗證3.42 m的高度差帶來的海壓差異，由式(1)、(2)進行推算，形成式(3)、(4)。

(3)

ΔQNH=ΔQFE·e0.04953185

(4)

AVIMET系統日志記錄2017-05-18T09：00，自動氣象站測量溫度25 ℃(T=298 K)，21端儀器測量氣壓PAINS=956.4 hPa，則ΔQFE=0.375178 hPa，ΔQNH=0.3994 hPa，與實際差異相符。

根據上述驗證，更新配置文件sensor.ini，將其21端DEVICE_HEIGHT高度配置修訂為-16.72 m后，Sensor Control界面顯示21端傳感器QNH數據正常，與其余各端差異不超過0.2 hPa。

4.2 系統間QNH顯示差異

2018-03-10T09：53，塔臺管制員反映“AVIMET自動觀測系統”面板修正海壓數據顯示1018 hPa，“綜合信息處理顯示系統SIPDS”面板顯示修正海壓數據為1019 hPa，相差1 hPa。

“綜合信息處理顯示系統SIPDS”是依據管制需求，融合重要數據的顯示系統。該系統顯示的QNH數據引接至“自動氣象觀測系統”串口航標九數據。

針對上述情況，文章根據AVIMET系統氣壓數據源的定義進行分析。在航標九中的QNH數據，是對象源PRESSURE.QNHINS保留2位小數輸出的數據。對象源PRESSURE.QNHINS則是一個精確的計算值，包含8位小數；例如1，016.83063083 hPa。

按照規范標準，“AVIMET自動觀測系統”界面上顯示與其自帶的發報功能中QNH需整數位向下進行取整。經檢查，“自動氣象觀測系統”界面顯示的QNH數據對象源為PRESSURE_FSRV.QNHINS。若服務器CDU計算到瞬時修正海平面氣壓為1，016.83063083 hPa，對象源PRESSURE_FSRV.QNHINS將對上述數據進行整數位的向下取整，界面顯示為1016 hPa。

綜上所述，“AVIMET自動觀測系統”與“綜合信息處理顯示系統SIPDS”顯示QNH取值對象不同。在某些極其特殊的情況下，數值會存在差異，例如，當PRESSURE里面的QNHINS數值為1，018.99998888時，界面會直接向下取整為1018，而航標九數據中小數部分第2位會進行四舍五入，從而變為1，019.00，導致系統間修正海壓QNH相差1 hPa的情況。

此外，QNH計算的周期為1 min，計算后AVIMET系統界面會同時顯示其數值。航標九中的壓力數據輸出也是以1 min為周期對外輸出，雖然周期一致，但是在時間點上會有秒級的差異，例如QNH計算和顯示是在每分鐘第15秒時完成，航標九數據中的輸出是在每分鐘第45秒完成，當時間到達09：52：15時QNH計算和輸出為1019 hpa，當到達09：52：45時會將此1，019.00 hpa數據通過航標九進行輸出。當到達下一周期，即09：53：15時，QNH已經完成最新計算和顯示，數值為1018 hpa，而此時還沒有到達航標九數據的最新輸出時間，加之自身系統對串口數據處理的延遲，航標九數據仍為上一次的1，019.00 hpa，導致系統間修正海壓QNH相差1 hPa的情況。

為解決自動觀測系統界面顯示QNH向下取整，帶來讀數上的誤差，修改系統UI文件，將原系統界面頂部海壓的數據源由PRESSURE_FSRV.QNHINS改為PRESSURE_FSRV.QNHINS_DECIMAL。

4.3 溫度對QNH的影響

2018-11-06，計量檢定工作中，機務員在更換遙測站系統02L(TDZ1)端溫濕度傳感器時，發現02L端場面氣壓數據丟失、遙測站海壓數據丟失。根據式(1)，場面氣壓QFE計算需要引入參數“跑道入口點溫度T”。經分析，當02L端溫濕度數據缺失，將直接影響對應點場壓數據。同時，遙測站系統修正海平面氣壓QNH內部配置數據源為02L，無類似自動觀測系統海壓數據源的切換機制，02L端遙測場壓丟失將直接影響遙測站系統修正海平面氣壓數據的提供。

為驗證參數“跑道入口點溫度T”對“AVIMET自動觀測系統”場壓QFE、海壓數據QNH的影響，進行了02L溫濕度傳感器短時拆除工作。經驗證，自動觀測系統02L端溫濕度傳感器HMP155在拆除后，并不影響02L端場壓數據的提供，即修正海壓不受影響，系統diagnostic軟件并未生成氣壓類相關告警。為確定其系統內部質量控制機制，查看配置文件“pressure_srv.ini”對溫度參數取值定義。其中，QFE溫度數據源選取字段定義如下：

TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ1″

BACKUP_TEMPERATURE_LINK_NAME=[S]″HUMITEMP_TDZ2″

可見，重慶機場各點場壓QFE及修正海壓QNH溫度計算參數T取值為一跑道南端(02L)，備份源為一跑道北端(20R)。同時“pressure_srv.ini”文件定義中，在主備溫度源均丟失情況下，系統將使用國際標準大氣(ISA)參考溫度引入計算，其字段定義如下：

ENABLE_ISA_REFERENCE_TEMPERATURE=[I]1

在國際標準大氣(ISA) 溫度模型的建立中，國際標準的基礎是海平面溫度15 ℃。在對流層頂以下，溫度以恒定的速率-6.5 ℃/1000 m隨著高度變化。因此，在ISA模型中被認為是理想氣體的空氣具有以下特性。

在平均海平面(MSL)：

ISA溫度=T=+15 ℃=288.15 K

在MSL以上，對流層頂以下(36，089英尺)：

ISA溫度=T-6.5 ℃·[高度(m)/1000(m)]

因此，在給定參考高度hQNH=415.6 m情況下，重慶江北機場ISA參考溫度T=12.2986 ℃，即在主用源02L與備份源20R溫度丟失的情況下，場壓、海壓的溫度計算參數將設置常數12.2986 ℃。

5 結束語

文章通過對AVIMET自動觀測系統氣壓數據采集與處理機制分析，結合重慶江北機場AVIMET系統3起氣壓異常處置實例，闡述了氣壓配置、氣壓輸出對象及溫度參數對氣壓數據的影響，對于自動觀測設備運行維護工作具有一定參考意義。