航空氣象氣壓實時比對系統的設計與實現

潘施瑾，陳賢軍，陳華生

（民航廣西空管分局，廣西 南寧 530048）

氣壓數據異常導致的不正常事件時有發生。受人為因素、環境因素、設備因素等方面的影響，會出現報文或通報中的氣壓存在差錯的情況，造成飛行效率低下，危及飛行安全。例如，vaisala自動氣象觀測系統主用氣壓傳感器靜壓孔因昆蟲飛入堵塞導致測量的氣壓數據異常，造成自動氣象觀測系統采集處理和實時顯示的修正海平面氣壓數值異常，管制員提供給機組的修正海平面氣壓數值與通播中的相差高達6 hPa。1 hPa的氣壓值相當于8.25 m的高度，機組得到是氣壓高度誤差高達近50 m，嚴重影響航空安全。

vaisala自動氣象觀測系統不能對昆蟲進入氣壓傳感器靜壓孔造成氣壓數據異常進行告警提示。而南寧機場氣象臺提供的氣壓數據來自多種設備，如vaisala自動氣象觀測系統跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。這就需要將所有的氣壓數據進行橫向、縱向的對比和統一監控，確保提供的氣壓數據準確無誤，從而保障飛行安全。

1 常用3種氣壓概述

依據《民用航空氣象地面觀測規范》，3種氣壓的概述如下。

本站氣壓：氣象臺、氣象站的氣壓表（或傳感器）所在高度處的氣壓。

場面氣壓（QFE）：機場標高處的氣壓。精密進近跑道和跑道入口低于機場標高2 m或以上的非精密進近跑道，場面氣壓的數值應當以該跑道入口的標高為基準。

修正海平面氣壓（QNH）：場面氣壓按國際標準大氣條件訂正到海平面的氣壓。

2 常用氣壓計算

2.1 場面氣壓的計算

通過氣壓傳感器的海拔高度與機場標高（或跑道入口標高）的高度差對本站氣壓進行氣壓訂正，得到場面氣壓。場面氣壓的計算公式如下：

式（1）中：QFE為場面氣壓，hPa；P為本站氣壓，hPa；Δh為氣壓傳感器的海拔高度與機場標高（或跑道入口標高）的高度差，m；g為重力加速度，m/s2；R為干空氣比氣體常數，kg·K；T為溫度，K。

根據AviMet系統pressure_srv.ini配置文件可知，計算QFE采用溫濕傳感器測量的實時溫度，P、Δh、g、R已設置定值。

2.2 修正海平面氣壓的計算

南寧機場采用vaisala自動氣象觀測系統，根據vaisala廠家提供的技術資料，可得修正海平面氣壓的計算公式為：

式（2）中：QNH為修正海平面氣壓，hPa；QFE為場面氣壓，hPa；z為機場標高，m；g為重力加速度，m/s2，R為干空氣比氣體常數，kg·K；T0為標準大氣開氏溫度，K；a為溫度遞減率，K/m。

根據AviMet系統pressure_srv.ini配置文件可知，z、g、R、T0、a已設置定值，QNH的值由QNF計算而來。

3 氣壓數據格式

目前，南寧機場氣象臺提供的氣壓數據來自vaisala自動氣象觀測系統跑道兩端的氣壓傳感器、長春自動氣象站的氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀。其中，長春氣象站位于人工觀測場，作為自動氣象觀測系統的備份設備；DY-100單振筒氣壓儀位于氣象觀測情報室，作為自動氣象觀測系統。這兩者均無法提供數據時的應急設備。

vaisala自動氣象觀測系統航標9氣壓數據輸出格式[1]如下：

自動氣象觀測系統航標9氣壓數據輸出格式參照MH/T 4016.9—2011《民用航空氣象第9部分：自動氣象觀測系統數據輸出格式》文件。

長春自動氣象站UDP廣播數據格式如下：

其中，num表示數據流地址編號，建議跑道南頭為03，跑道北頭為01，中間為02；time表示數據采集的時間，格式年月日時分秒14位，如：20030703123530；zdppp表示本站氣壓，指測壓儀高度處的氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5；zdqfe表示場面氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5；zdqnh表示修正海平面氣壓，單位為hPa，如：1000.2，998.3，1010.5。

DY-100單振筒氣壓儀RS-232輸出數據格式如下：2020-02-17，20：03，1011.4，1012.2，1027.4，N

格式內容依次為時間日期、時間時分、瞬時氣壓、瞬時場面氣壓、瞬時修正海平面氣壓。

4 數據采集與存儲

采集數據軟件采用C++語言編譯，創建vaisala自動氣象觀測系統數據采集線程、AMS-II-G長春自動氣象站數據采集線程和DY-100單振筒氣壓儀數據采集線程。使用SQL Server數據庫，將數據進行存儲以便于查看歷史數據和數據可視化。氣壓比對系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 氣壓實時比對系統拓撲圖

4.1 vaisala自動氣象觀測系統數據

步驟1：在vaisala自動氣象觀測系統CDU服務器中tcpmsgserv.ini配置文件里添加tcp對象。

步驟2：根據步驟1新增對象中的RemoteAddress和RemotePort，建立套接字，對端口進行監聽。

步驟3：監聽服務器端口，根據vaisala自動氣象觀測系統數據輸出格式進行解析，提取Time、PAINS、QFEINS和QNHINS氣象要素的數值。

步驟4：對數值進行入庫處理。

4.2 長春自動氣象站數據

綁定主機的IP和3018端口，建立線程對主機端口進行監聽。對接收到的報文進行解析，格式如2.2所述，獲取time、zdppp、zdqfe、zdqnh氣象要素的數值。對數值進行入庫處理。

4.3 DY-100單振筒氣壓儀數據

DY-100單振筒氣壓儀通過RS-232串口傳輸數據，需要使用串口服務器。創建監聽串口的線程，設置固定時間間隔（本系統使用1 min），發送指令"!P1 "至振筒，振筒接收到指令后，將最近一份數據以2.3的格式發送至振筒串口。對數值進行入庫處理。

5 數據顯示與告警

在同一界面上，顯示自動氣象觀測系統跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的實時氣壓數值（QFE和QNH），以及該數據生成時間，如圖2所示。

圖2 實時氣壓數據顯示與對比

同時，對自動氣象觀測系統跑道兩端氣壓傳感器、長春自動氣象站氣壓傳感器和DY-100單振筒氣壓儀的氣壓數值進行監控和比對。設置氣壓比對閾值，當氣壓比對差值超過設置的閾值時，超出比對閾值的氣壓數值顯示變紅同時彈出數據異常或數據未更新的告警提示框，如圖3、圖4所示。

圖3 設置氣壓比對閾值

圖4 告警提示框

并根據實時氣壓數值繪制當日本場各氣壓傳感器QFE和QNH的曲線圖，如圖5和圖6所示。這直觀地顯示當日的氣壓數值變化情況和氣壓數值的橫向及縱向比對。

天氣狀況較為穩定時，vaisala自動氣象觀測系統、長春氣象站和DY-100振筒氣壓儀的氣壓數據差異不大；但當一個天氣過程經過本場時，室外氣壓變化較快，而位于觀測室內的DY-100振筒氣壓儀的氣壓數據相差較為明顯，如圖7所示。此時，DY-100振筒氣壓儀的氣壓數據就不再具有參考意義。

圖5 場面氣壓QFE對比曲線

圖6 修正海平面氣壓QNH對比曲線

圖7 本場復雜天氣時的氣壓變化

6 結語

利用C++語言開發的氣壓比對系統，實現了南寧氣壓臺對所有氣壓數據進行統一監控。該氣壓比對系統讀取自動氣象觀測系統跑道兩端、長春自動站、振筒氣壓儀（DY-100）的氣壓實時數據，并進行橫向、縱向比對。當比對差值達到設置的閾值時，產生告警提示框、字體變紅直到數據恢復正常。同時，將當天的氣壓數據繪制曲線圖，更直觀地查看當日的氣壓數值變化情況。隨著民航業的發展，對氣象服務的要求與需求在不斷提高。不僅僅是氣壓數據的監控，利用現有的系統技術資源還可以對其他氣象數據、氣象產品、數據傳輸、氣象設備的性能以及運行環境等方面進行監控，構建一個氣象設備業務管理監控系統。產生的告警可以提示維護人員檢查相關設備，提高設備故障排查和應急處置效率。從而減輕氣象工作人員的勞動強度，提高工作效率，更好地提供優質的氣象服務。