一種基于差分氣壓測高計(jì)及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于差分氣壓測高計(jì)及其測量方法，所述測高計(jì)包括數(shù)字壓力傳感器、AVR單片機(jī)、液晶顯示器和電源；所述測高計(jì)的測量方法的主要步驟包括：系統(tǒng)初始化；通過AVR單片機(jī)對存儲在傳感器內(nèi)部的補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行讀取；數(shù)值讀取更新等。本發(fā)明所述測高計(jì)及其測量方法的優(yōu)越效果在于，測高計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，所述測高計(jì)的測量方法測量精度高，能夠廣泛用于航空航天、地面勘探、氣象等【技術(shù)領(lǐng)域】測量高程等。
【專利說明】一種基于差分氣壓測高計(jì)及其測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測量【技術(shù)領(lǐng)域】的測高計(jì)，更詳細(xì)地說涉及一種基于差分氣壓測高計(jì)及 其測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空氣壓強(qiáng)是描述大氣狀態(tài)的重要物理量，單位通常用百帕（hPa，即100帕斯卡，過 去稱為毫巴）表示，一個(gè)大氣壓值等于1013. 25百帕，海平面氣壓值約在980-1040百帕之 間變動(dòng)。觀測表明，隨著海拔高度的增加，氣壓值按指數(shù)減少，海拔IOkm高處的氣壓值會降 到只有海平面氣壓的25%左右。而氣壓在水平方向的分布比較均勻，在一般情況下，相距 IOOkm的兩點(diǎn)間的變化約1百帕。在較短時(shí)間段內(nèi)壓強(qiáng)也呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。一般地說 人們在使用測高計(jì)時(shí)，大都是局限于小區(qū)域范圍內(nèi)，故氣壓與高度呈現(xiàn)一定的關(guān)系。在小區(qū) 域范圍內(nèi)，可以認(rèn)為溫度是一樣的，這樣甚至可以不考慮溫度對測高的影響，從而通過測量 氣壓值和標(biāo)定基站高度，就可以得到用戶端較為準(zhǔn)確的高度值。
[0003] 假設(shè)大氣層內(nèi)溫度相等，簡化的等溫大氣中的壓高公式為：
[0004] h K = r^1 m In ^ -29.27 7；,, In ……(1) g P ' P
[0005] 式（1)中，Tm是平均溫度（° K)。顯然，兩等壓面Ptl和P之間的平均溫度越高，厚 度越大。若利用攝氏溫度tm，并采用以10為底的對數(shù)，則式⑴可寫成：
[0006] h - h0 = 67.4 ? (273.15 + Tm) ? Ig ...... ⑵
[0007] 上式（2)中，基準(zhǔn)點(diǎn)高度Iitl可以認(rèn)定為是已知量；平均溫度Tni在一般活動(dòng)范圍 內(nèi)可以認(rèn)為是用戶端溫度和基站溫度的平均值；用戶端活動(dòng)范圍內(nèi)的溫度大致上也是相等 的；實(shí)驗(yàn)表明溫度因素對測高值的影響非常小，所以平均溫度T m也可以采用用戶端的測量 溫度，因此，要確定用戶端高度值h，一般只需確定基準(zhǔn)點(diǎn)的氣壓值Ptl和用戶端的氣壓值P 即可。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)包括數(shù)字壓力傳感器（MS5534CM、BP5607等）、 AVR單片機(jī)、液晶顯示器和電源，其中電源分別與數(shù)字壓力傳感器和AVR單片機(jī)連接，液晶 顯示器AVR單片機(jī)與液晶顯示器連通。
[0009] 本發(fā)明提出了一種基于差分氣壓測高計(jì)，不管是基準(zhǔn)點(diǎn)還是用戶端都需要測量氣 壓值?，F(xiàn)將基準(zhǔn)點(diǎn)選定為通信網(wǎng)或傳感網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，如基站或熱點(diǎn)。并利用移動(dòng)通信傳輸鏈 路或傳感網(wǎng)的通信傳輸鏈路，傳輸信息到用戶側(cè)，這樣便可以根據(jù)下式：
[0010] h - /?〇 = 67.4 - (273.15 + Tm) ? Ig
[0011] 計(jì)算得到用戶端與基站或傳感網(wǎng)結(jié)點(diǎn)上氣壓傳感器安裝點(diǎn)之間的相對高程差。若 基站氣壓傳感器安裝點(diǎn)的高程已知，則可以通過計(jì)算得到用戶端處的絕對高程，即獲得絕 對高程的測量值。
[0012] 本發(fā)明提出了將差分氣壓測高模型做進(jìn)一步改進(jìn)，假定不同的氣壓測高模塊在 同一地點(diǎn)測量的氣壓值完全一致的情況下，測量點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)Imbar的氣壓變化量， 相當(dāng)于高度變化約〇. 82m ;測量點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)TC的溫度變化量，相當(dāng)于高度變化約為 0. 023m。在差分氣壓測高模型中，高程的測量精度主要取決于基準(zhǔn)點(diǎn)與測量點(diǎn)之間的氣壓 差，氣壓傳感器的測量一致性決定了氣壓對高程測量的精度。溫度在差分氣壓測高模型中 的影響權(quán)重比較小，氣壓在差分氣壓測高模型中的影響權(quán)重比較大，在一定的區(qū)域范圍以 內(nèi)，可以建立測量點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的高度與氣壓差和溫度差之間的線性數(shù)學(xué)關(guān)系式，如式 (3)所示。
[0013] h = a (P0-P) + (tR_t0)+h0......(3)
[0014] 在不同的區(qū)域范圍內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)獲得a和P值，從而獲得簡化差分氣壓測高系統(tǒng) 方法的使用。在差分氣壓測高系統(tǒng)中，高程測量精度與基準(zhǔn)點(diǎn)與測點(diǎn)之間的基線長度負(fù)相 關(guān)，即基線長度越長精度越低。
[0015] 本發(fā)明提出使用低通濾波模型作為該測高計(jì)的濾波模式。為了提高壓力和溫度測 量值的精度，采用低通濾波的方法避免噪聲的干擾，減少硬件成本，可以利用公知的軟件算 法來模擬硬件濾波功能，低通濾波算法為：
[0016] Yn = aXn+(l-a)Yn_!......(4)
[0017] 式⑷中：Yn為本次濾波輸出值，Xn為當(dāng)前讀出的數(shù)據(jù)，Ylri為上次濾波輸出值，a 是介于0?1之間的濾波系數(shù)。
[0018] 本發(fā)明又一目的是在用戶端通過按鍵操作的方式將用戶端所處某一位置定義為 基準(zhǔn)點(diǎn)，即令P tl = P，將高度歸零，用戶上升或下降高程時(shí)，用戶所攜帶的高度計(jì)會根據(jù)與 所設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)的氣壓差計(jì)算變化的高程。這時(shí)，故本發(fā)明又能夠成為一種相對測高計(jì)。
[0019] 本發(fā)明涉及的基于差分氣壓測高的方法是基于差分氣壓測高系統(tǒng)對高度的分辨 率的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，若設(shè)定氣壓采樣頻率為1Hz，則測量高度分辨率能達(dá)到0. 16m，高程精度優(yōu) 于0. 5m。這種計(jì)算得到用戶端相對于所設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)的高度值的方法，非常適用于室內(nèi)樓層的 分辨、室外登山測高以及地下深度測量作業(yè)。
[0020] 導(dǎo)航定位模式測高的理念是：用戶端的測高計(jì)在開機(jī)后，每秒采集一次數(shù)據(jù)，每秒 輸出一個(gè)氣壓值和溫度值，用戶端在移動(dòng)過程中的任意時(shí)刻設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)，通過按鍵操作，將 基準(zhǔn)點(diǎn)位置的高度值歸零，通過測量氣壓值結(jié)合差分氣壓測高的技術(shù)來確定活動(dòng)過程中的 高度差，這樣可以精確確定用戶活動(dòng)過程軌跡的高度，通過測高計(jì)的人機(jī)交互界面可以顯 示高程的實(shí)時(shí)變化情況。
[0021] 例如：在任意時(shí)刻用戶端按下高度歸零按鍵，用戶端測高計(jì)會將此時(shí)的氣壓值和 溫度值作為基準(zhǔn)點(diǎn)的氣壓值P tl和溫度值Tm，此時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)的高度歸零Qici = 0)。用戶端從低 處往高處活動(dòng)，氣壓值會下降，在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)測量的氣壓值作為用戶端的氣壓值P，溫 度值仍然為T m，通過公式（2)解算出用戶軌跡點(diǎn)在任意時(shí)刻相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的高度，形成軌 跡。
[0022] 本發(fā)明所述基于差分氣壓測高的測量方法的具體步驟是：
[0023] 1、系統(tǒng)初始化，將控制器和傳感器呈準(zhǔn)備工作的狀態(tài)；
[0024] 2、通過AVR單片機(jī)2對存儲在傳感器1內(nèi)部的4個(gè)補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行讀取，即獲得 Wordl-WorcM 這 4 個(gè)參數(shù)；
[0025] 3、數(shù)值讀取更新，根據(jù)步驟2W〇rdl-W〇rd4這4個(gè)參數(shù)計(jì)算獲得溫度和壓力值的6 個(gè)計(jì)算系數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的功能；
[0026] 4、從數(shù)字壓力傳感器1中讀出氣壓值和溫度值；
[0027] 5、根據(jù)系數(shù)計(jì)算溫度和壓力值，根據(jù)Wordl-WorcM這4個(gè)參數(shù)計(jì)算，溫度和壓力的 計(jì)算系數(shù)的數(shù)值邏輯計(jì)算方法如下：
[0028] C1_SENST = ((wordl?l)&0x7fff)；
[0029] C2_0FFT = (((word3&0x003f) ?6) | (word4&0x003f))；
[0030] C3_TCS = ((word4?6)&0x03ff)；
[0031] C4_TC0 = ((word3?6) &0x03ff)；
[0032] C5_TREF = (((wordl&OxOOOl) ?10) | (word2?6))；
[0033] C6_TEMPSENS = ((word2&0x003f))；)；
[0034] 6、按照下式進(jìn)行軟件濾波：
[0035] Yn = aXn+(l_a) Ylri......(5)
[0036] 7、按下數(shù)字壓力傳感器1的歸零按鍵，將本地此時(shí)的氣壓值作為基準(zhǔn)站的氣壓值 (PQ = P)，如果系統(tǒng)檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則解算用戶端高度信息，在IXD顯示器上顯示 氣壓和此時(shí)歸零的高度；如系統(tǒng)沒有檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則在IXD顯示器上顯示氣壓 和基站差分模式下的絕對高度。
[0037] 本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)及其測量方法的優(yōu)越效果在于：
[0038] 1.本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡潔、合理，使用方便，操作簡單。
[0039] 2.本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)，能夠精確確定用戶活動(dòng)過程軌跡的高度，通 過測高計(jì)的人機(jī)交互界面可以顯示高程的實(shí)時(shí)變化情況。
[0040] 3.本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)的測量方法測量精度高，在航天、航空、氣象等 領(lǐng)域具有非常重要的使用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)應(yīng)用模式一的工作示意圖；
[0042] 圖2為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)應(yīng)用模式二的工作示意圖；
[0043] 圖3為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖4為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)工作流程圖；
[0045] 圖5為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)用于室內(nèi)樓層高度定位解算實(shí)測高度分 辨圖。
[0046] 圖6為本發(fā)明所述改進(jìn)型差分氣壓測高系統(tǒng)的高程分辨實(shí)驗(yàn)圖。
[0047] 圖7為本發(fā)明所述基站差分應(yīng)用模式顯示界面。
[0048] 圖8為本發(fā)明所述歸零差分相對測高計(jì)應(yīng)用模式顯示界面。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例，下面結(jié)合說明書附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明具體實(shí)施 方式。
[0050] 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)用戶所在處位置的高度測量，圖1示出沒有按下歸零鍵之前測高 計(jì)處于模式一的工作狀態(tài)，測高計(jì)接收基站或結(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息，解算出用戶所處位置 的絕對高程。當(dāng)用戶按下歸零鍵，則測高計(jì)處于圖2所示的模式二的工作狀態(tài)，測高計(jì)會自 動(dòng)設(shè)置此時(shí)位置點(diǎn)的高度為零，當(dāng)用戶離開高度為零的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，在活動(dòng)過程中用戶能清 楚準(zhǔn)確地知道自己活動(dòng)軌跡點(diǎn)所在位置距離自己設(shè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高度差。
[0051] 如圖3所示，為本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述測高計(jì)包括 數(shù)字壓力傳感器（MS5534CM、BP5607等）1、AVR單片機(jī)2、液晶顯示器3和電源4,其中電源 4分別與數(shù)字壓力傳感器1和AVR單片機(jī)2連接，液晶顯示器AVR單片機(jī)2與液晶顯示器3 連通。
[0052] 所述數(shù)字壓力傳感器1用于采集氣壓值和溫度值，所述AVR單片機(jī)2用于控制數(shù) 字壓力傳感器1的工作以及高度解算。運(yùn)用差分氣壓測高方法將用戶相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的精確 高度信息通過液晶顯示器3反饋至用戶。
[0053] 圖4示出本發(fā)明所述基于差分氣壓測高計(jì)的工作流程，通過歸零按鍵，實(shí)時(shí)將氣 壓值和溫度值作為基準(zhǔn)點(diǎn)的氣壓值和溫度值，用戶高度數(shù)值輸出基于高靈敏度的高度差值 與基準(zhǔn)絕對高度的相加、相減運(yùn)算得到。
[0054] 使用本發(fā)明所述的基于差分氣壓測高計(jì)的測量方法具體步驟是：
[0055] 1、系統(tǒng)初始化，將控制器和傳感器呈準(zhǔn)備工作的狀態(tài)；
[0056] 2、通過AVR單片機(jī)2對存儲在傳感器1內(nèi)部的4個(gè)補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行讀取，即獲得 Wordl-WorcM 這 4 個(gè)參數(shù)；
[0057] 3、數(shù)值讀取更新，根據(jù)步驟2W〇rdl-W〇rd4這4個(gè)參數(shù)計(jì)算獲得溫度和壓力值的6 個(gè)計(jì)算系數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的功能；
[0058] 4、從數(shù)字壓力傳感器1中讀出氣壓值和溫度值；
[0059] 5、根據(jù)系數(shù)計(jì)算溫度和壓力值，根據(jù)Wordl-WorcM這4個(gè)參數(shù)計(jì)算，溫度和壓力的 計(jì)算系數(shù)的數(shù)值邏輯計(jì)算方法如下：
[0060] C1_SENST = ((wordl?l)&0x7fff)；
[0061] C2_0FFT = (((word3&0x003f) ?6) | (word4&0x003f))；
[0062] C3_TCS = ((word4?6)&0x03ff)；
[0063] C4_TC0 = ((word3?6) &0x03ff)；
[0064] C5_TREF = (((wordl&OxOOOl) ?10) | (word2?6))；
[0065] C6_TEMPSENS = ((word2&0x003f))；)；
[0066] 6、按照下式（5)進(jìn)行軟件濾波，
[0067] Yn = aXn+(l-a)Yn_!......(5)
[0068] 式（5)中：Yn為本次濾波輸出值，Xn為當(dāng)前讀出的數(shù)據(jù)，Y lri為上次濾波輸出值，a 是介于0?1之間的濾波系數(shù)。
[0069] 7、按下數(shù)字壓力傳感器1的歸零按鍵，將本地此時(shí)的氣壓值作為基準(zhǔn)站的氣壓值 (PQ = P)，如果系統(tǒng)檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則解算用戶端高度信息，在IXD顯示器上顯示 氣壓和此時(shí)歸零的高度；如系統(tǒng)沒有檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則在IXD顯示器上顯示氣壓 和基站差分模式下的絕對高度。
[0070] 需要說明的是，本發(fā)明利用氣壓測高方法對高度的反應(yīng)靈敏，在室內(nèi)樓層高度定 位、登山測高以及地下作業(yè)場合中將地面高度直接確定為零米，用戶每上升至某一高度都 可以在用戶終端上顯示高度差，用戶距離地面的高度就是地面高度加上顯示的高度差，如 上所述，地面某一位置高度已經(jīng)設(shè)置為零，顯示的高度差，就是用戶本身所在位置距離地面 設(shè)定點(diǎn)位置的相對高度。上述說明的僅僅是將歸零點(diǎn)設(shè)置在地面上時(shí)，某一點(diǎn)位置高程的 一種表示情況。實(shí)際上，如圖5所示，本發(fā)明還可以將歸零點(diǎn)設(shè)置在任意位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航模 式中的相對高度測量。也可以設(shè)定一個(gè)共同的相對測量基準(zhǔn)，則可以測出不同測量點(diǎn)相對 于共同測量點(diǎn)的相對高程，此外，如用戶在一樓按下歸零鍵，當(dāng)用戶登樓處于各樓層時(shí)，樓 層的高度都會顯示，而且分辨能力比較高，測高計(jì)高程定位精度優(yōu)于〇. 5米，所以測高計(jì)在 室內(nèi)樓層分辨、登山測高以及地下作業(yè)的場合有著特殊的應(yīng)用價(jià)值。
[0071] 本發(fā)明涉及通過LCD液晶顯示屏顯示的高度信包括：實(shí)時(shí)氣壓值、實(shí)時(shí)溫度值、實(shí) 時(shí)相對基準(zhǔn)設(shè)定點(diǎn)的高度值以及距離設(shè)定點(diǎn)或歸零點(diǎn)的位置與時(shí)間等。
[0072] 在本發(fā)明中，所述的絕對高度系指用戶所在處相對于海平面、或某一個(gè)局部坐標(biāo) 系基準(zhǔn)平面、或基站高度起始點(diǎn)的高程；相對高度系指用戶所在處相對于用戶自身設(shè)定的 基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高度。
[0073] 圖6示出改進(jìn)型差分氣壓測高模型解算高程信息，圖7示出基站差分模式，圖8示 出歸零差分模式。
[0074] 以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)理解，其依然可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而這些修改或者 等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于差分氣壓測高計(jì)，其特征在于，包括數(shù)字壓力傳感器（MS5534CM、BP5607 等）、AVR單片機(jī)、液晶顯示器和電源，其中電源分別與數(shù)字壓力傳感器和AVR單片機(jī)連接， 液晶顯示器AVR單片機(jī)與液晶顯示器連通。
2. 按照權(quán)利要求1所述的測高計(jì)的測量步驟如下： 步驟1、系統(tǒng)初始化，將控制器和傳感器呈準(zhǔn)備工作的狀態(tài)； 步驟2、通過AVR單片機(jī)2對存儲在傳感器1內(nèi)部的4個(gè)補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行讀取，即獲得 Wordl_Word4 這 4 個(gè)參數(shù)； 步驟3、數(shù)值讀取更新，根據(jù)步驟2W〇rdl-W〇rd4這4個(gè)參數(shù)計(jì)算獲得溫度和壓力值的6 個(gè)計(jì)算系數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的功能； 步驟4、從數(shù)字壓力傳感器1中讀出氣壓值和溫度值； 步驟5、根據(jù)系數(shù)計(jì)算溫度和壓力值，根據(jù)Wordl-WorcM這4個(gè)參數(shù)計(jì)算，溫度和壓力的 計(jì)算系數(shù)的數(shù)值邏輯計(jì)算方法如下： C1_SENST = ((wordl?l)&0x7fff)； C2_0FFT = (((word3&0x003f) ?6) | (word4&0x003f))； C3_TCS = ((word4?6)&0x03ff)； C4_TC0 = ((word3?6) &0x03ff)； C5_TREF = (((wordl&0x0001)?10) | (word2?6))； C6_TEMPSENS = ((word2&0x003f)))； 步驟6、按照下式進(jìn)行軟件濾波： Yn = aXn+(l-a)Yn_! 步驟7、按下數(shù)字壓力傳感器1的歸零按鍵，將本地此時(shí)的氣壓值作為基準(zhǔn)站的氣壓值 (PQ = P)，如果系統(tǒng)檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則解算用戶端高度信息，在IXD顯示器上顯示 氣壓和此時(shí)歸零的高度；如系統(tǒng)沒有檢測到該按鍵已經(jīng)按下，則在IXD顯示器上顯示氣壓 和基站差分模式下的絕對高度。
【文檔編號】G01C5/06GK104374368SQ201410290338
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】胡正群, 張麗榮, 施滸立 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺