用于山区面上气象数据采集的背负式移动气象站

摘要

本发明涉及一种用于山区面上气象数据采集的背负式移动气象站，其特征是：全球定位系统支架、温湿传感器支架以及风速传感器支架安置在支架箱的外部；全球定位系统设在全球定位系统支架上，温湿传感器设在温湿传感器支架上，风速传感器设在风速传感器支架上；全球定位系统、温湿传感器和风速传感器的连线通过进线孔与支架箱内数据采集器连接，数据采集器与支架箱外部的辐射四分量传感器连接，支架箱表层的柔性太阳能板连接胶体电池，胶体电池通过太阳能充电控制器与数据采集器连接，支架箱上设有锁扣，支架箱后背设置背负带。本发明可在短时间内较为密集的获取高精度的面上气象数据，对于积累空间气象数据、认识微气象特征及其影响具有积极作用。

说明书

 

技术领域

本发明属于背负式移动气象站，是获取山地学面上气象观测数据采集仪器。

 

背景技术

全球变化科学( global change science) 的发展, 迫切需要空间化的气象气候要素的动态数据, 并且所要求的时间和空间分辨率也越来越高。然而, 我国现阶段的地面气象观测系统还难以提供山地所要求的时间和空间分辨率的观测数据。目前，对于面上气象要素的认识主要基于某种规律或数学方法而成的梯度递推或空间插值等方法，这些方法有时候难以如实的反映空间气象要素的分布特征，而大量布设气象站对于经费投入和仪器维护有着很高的要求，在实际工作中较难实现，制约了空间气象特征及其影响的深入研究。

针对于此，以车辆、船舶为载体的移动气象站相继推出，并广泛应用于突发事件响应、突发性灾害性天气现场监控、生态环境监测、公路、铁路运营及地质灾害监测等多领域的气象观测，这些移动气象站多处于平原、水面等交通便利的地区。

山地科学是地学研究中非常重要的一门学科。受限于地形等复杂的环境条件，在数据积累和规律认知上存在许多问题，而对于山地空间气象要素的认识尤为薄弱。因此，针对山地复杂的地形环境条件及规律认识的迫切需要，在小范围内以徒步背负的形式对气象要素进行动态监测及同步的数据处理尤为必要，本发明由此而生。

发明内容

针对山区面上数据获取的不足，本发明的目的在于提供一种用于山区面上气象数据采集的背负式移动气象站。该移动气象站具有可移动、轨迹自记、易背负、防水、防摔、适应环境好等特点。

一种用于山区面上气象数据采集的背负式移动气象站，主要包括：支架箱、全球定位系统（GPS）、温湿传感器、温湿传感器支架、柔性太阳能板、进线孔、连线、风速传感器支架、风速传感器、背护带、数据采集器、太阳能供电控制器、胶体电池、气压传感器、辐射四分量传感器、锁扣和全球定位系统支架。柔性太阳能板附着在箱体外表面，全球定位系统支架、温室传感器支架以及风速传感器支架安置在支架箱的外部；全球定位系统（GPS）设在全球定位系统支架上，温湿传感器设在温湿传感器支架上，风速传感器设在风速传感器支架上；全球定位系统（GPS）、温湿传感器和风速传感器的连线通过进线孔与支架箱内数据采集器连接，数据采集器与支架箱外部的辐射四分量传感器连接，支架箱表层的柔性太阳能板连接胶体电池，胶体电池通过太阳能供电控制器与数据采集器连接，支架箱上设有锁扣，支架箱后背设置背负带。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明通过设在支架箱上传感器，可在短时间内（<20s）较为密集的获取高精度的面上气象数据，对于积累空间气象数据、认识微气象特征及其影响具有积极作用。

2、支架箱体用PC材质制作，使得箱体具有很好的韧性和防水性，箱体内部增置的干燥剂主要用于防湿，增加了支架箱在各种复杂环境下的适用性。  

3、支架箱体表面附着的柔性太阳能板，具有可压折、转化能功率高的特点。

4、本发明采用的胶体电池适用于低温环境下作业，保证了采集气象数据的采集的正常进行。

5、本发明设置的GPS具有收发信号好、响应时间短的特点，同时其防水特性，特别适于雪冰下垫面的动态观测，，可及时记录气象数据采集的位置信息。

6、本发明除了应用在山地环境下的气象数据采集，还可用于沙漠、森林等复杂环境。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的后视图。

图3是本发明的内部图。

图4是本发明的俯视图。

图5是本发明的仰视图。

图6是本发明的侧视图。

图7是图6的侧视图。

图8是移动气象站数采连线图

图中：1 -支架箱； 2-全球定位系统GPS；3-温湿传感器； 4-温湿传感器支架； 5-柔性太阳能板； 6-进线孔； 7-连线； 8-风速传感器支架； 9-风速传感器； 10-背护带； 11-数据采集器；12-太阳能供电控制器； 13-胶体电池；14-气压传感器； 15-辐射四分量传感器；16-锁扣；17-全球定位系统支架。

气象数据动态采集分析程序：

PipeLineMode

Const OUTPUT_INTERVAL = 1 'Online mean output interval in minutes.

'Declare Public Variables

Public PTemp, batt_volt

Units  PTemp=C

Units  batt_volt=V

'Public CNR4 Net radiometer variable

Public cnr4(9)

Alias cnr4(1) = Rn_cnr4

Alias cnr4(2) = Rs_downwell

Alias cnr4(3) = Rs_upwell

Alias cnr4(4) = Rl_downwell

Alias cnr4(5) = Rl_upwell

Alias cnr4(6) = albedo

Alias cnr4(7) = T_cnr4

Alias cnr4(8) = Rl_down_meas

Alias cnr4(9) = Rl_up_meas

Units cnr4 = W/m^2

Units albedo = unitless

Units T_cnr4 = K

'HC2-S3

Public Ta,RH,Vapor

Units Ta = C

Units RH = %

'010C

Public WS

Units WS = m/s

Const Mult_010C = 0.03997594

Const OffSet_010C = 0.27

'GPS16X-HVS at Campbell Scientific Factory Defaults

Const GPSPort = Com1 'Com port where GPS is connected

Public GGAstring As String * 500

Public RMCstring As String * 500

'rmc variables

Public rmcid As String

Public rmcutc As String

Public rmcstatus As String

Public rmclatitude As String

Public rmcin_s_ind As String

Public rmclongitude As String

Public rmce_w_indicator As String

Public rmcspeed As String

Public rmccourse As String

Public rmcutcdate As String

Public rmcmagvariation As String

Public rmcmage_w As String

Public rmcchecksum As String

'gga variables

Public ggaid As String

Public ggautc As String

Public ggailatitude As String

Public ggan_s_ind As String

Public ggalongitude As String

Public ggae_w_ind As String

Public ggapositionfix As String

Public gganumsatellites As String

Public ggahdop As String

Public ggaaltitude As String

Public ggaaltutudeunits As String

Public ggageoidsep As String

Public ggageoidunits As String

Public ggachecksum As String

Dim NBytesReturned As Long

Dim SubStrings(16) As String * 32, rawdata As String * 500

Dim CalculatedChecksum As Long, ReportedChecksum As Long

'PTB210

Public outp As String * 16,input As String * 16,P_N

Public P

Units P=hpa

DataTable (MS_DATA,1,-1)

  DataInterval (0,OUTPUT_INTERVAL,Min,10)

  Minimum (1,batt_volt,FP2,0,False)

  Average (9,cnr4(),FP2,False)

  Average (1,Ta,FP2,False)

  Average (1,RH,FP2,False)

  Average (1,Vapor,FP2,False)

  Average (1,WS,FP2,False)

  Average (1,P,IEEE4,False)

  Sample (1,PTemp,FP2)

  Sample (1,rmcid,String)

  Sample (1,rmcutc,String)

  Sample (1,rmcstatus,String)

  Sample (1,rmclatitude,String)

  Sample (1,rmcin_s_ind,String)

  Sample (1,rmclongitude,String)

  Sample (1,rmcspeed,String)

  Sample (1,rmccourse,String)

  Sample (1,rmcutcdate,String)

  Sample (1,rmcmagvariation,String)

  Sample (1,rmcmage_w,String)

  Sample (1,rmcchecksum,String)

  Sample (1,ggaid,String)

  Sample (1,ggautc,String)

  Sample (1,ggan_s_ind,String)

  Sample (1,ggalongitude,String)

  Sample (1,ggae_w_ind,String)

  Sample (1,ggapositionfix,String)

  Sample (1,gganumsatellites,String)

  Sample (1,ggahdop,String)

  Sample (1,ggaaltitude,String)

  Sample (1,ggaaltutudeunits,String)

  Sample (1,ggageoidsep,String)

  Sample (1,ggageoidunits,String)

  Sample (1,ggachecksum,String)

EndTable

'Main Program

BeginProg

  SerialOpen (GPSPort,38400,3,0,1001)

  SerialOpen(Com1,9600,10,0,0)

    outp=CHR(46)+CHR(66)+CHR(80)+CHR(13)    '*********  .BP  enter ************

  SerialOpen  (Com2,9600,10,1,16)     

    SerialFlush (Com2)

  Scan (5,Sec,3,0)

    PanelTemp (PTemp,250)

    Battery (batt_volt)

    SerialInRecord (GPSPort,rawdata,36,0,&h0D0A,NBytesReturned,11)

    CalculatedChecksum = CheckSum (rawdata,9,Len(rawdata) - 3)

    CalculatedChecksum = CalculatedChecksum AND 255

    ReportedChecksum = HexToDec(Right(rawdata,2))

    If CalculatedChecksum = ReportedChecksum Then

      If InStr (1,rawdata,"GPRMC",2) Then

        RMCstring = rawdata

      ElseIf InStr (1,rawdata,"GPGGA",2) Then

        GGAstring = rawdata

      EndIf

    EndIf

    SerialInRecord (GPSPort,rawdata,36,0,&h0D0A,NBytesReturned,11)

    CalculatedChecksum = CheckSum (rawdata,9,Len(rawdata) - 3)

    CalculatedChecksum = CalculatedChecksum AND 255

    ReportedChecksum = HexToDec(Right(rawdata,2))

    If CalculatedChecksum = ReportedChecksum Then

      If InStr (1,rawdata,"GPRMC",2) Then

        RMCstring = rawdata

      ElseIf InStr (1,rawdata,"GPGGA",2) Then

        GGAstring = rawdata

      EndIf

    EndIf

    'parse rmc data

    SplitStr (SubStrings(),RMCstring,",",16,5)

    rmcid = SubStrings(1)

    rmcutc = SubStrings(2)

    rmcstatus = SubStrings(3)

    rmclatitude = SubStrings(4)

    rmcin_s_ind =SubStrings(5)

    rmclongitude=SubStrings(6)

    rmce_w_indicator=SubStrings(7)

    rmcspeed=SubStrings(8)

    rmccourse=SubStrings(9)

    rmcutcdate=SubStrings(10)

    rmcmagvariation=SubStrings(11)

    rmcmage_w =Left(SubStrings(12),1)

    rmcchecksum=Right(RMCstring,2)

    'parse gga data

    SplitStr (SubStrings(),GGAstring,",",16,5)

    ggaid=SubStrings(1)

    ggautc=SubStrings(2)

    ggailatitude=SubStrings(3)

    ggan_s_ind=SubStrings(4)

    ggalongitude=SubStrings(5)

    ggae_w_ind=SubStrings(6)

    ggapositionfix=SubStrings(7)

    gganumsatellites=SubStrings(8)

    ggahdop=SubStrings(9)

    ggaaltitude=SubStrings(10)

    ggaaltutudeunits=SubStrings(11)

    ggageoidsep=SubStrings(12)

    ggageoidunits=Left(SubStrings(13),1)

    ggachecksum=Right(GGAstring,2)

    'Measure PTB210

    SerialOut  (Com2,outp,"",1,1)

        SerialInRecord (Com2,input,&HD,0,&HD,P_N,00)

    SplitStr (P,input,"",1,0)

    'Measure CNR4 Net Radiometer. SN:121023

    VoltDiff (Rs_downwell,1,mV25C,5,TRUE,3000,_50Hz,1000/13.38,0)

     VoltDiff (Rs_upwell,1,mV25C,6,TRUE,3000,_50Hz,1000/12.1,0)

    VoltDiff (Rl_down_meas,1,mV25C,7,TRUE,3000,_50Hz,1000/7.02,0)

     VoltDiff (Rl_up_meas,1,mV25C,8,TRUE,3000,_50Hz,1000/7.93,0)

    BrHalf4W (T_cnr4,1,mV25,mV25,3,Vx1,1,2100,True ,True ,0,_50Hz,1.0,0)

    PRT (T_cnr4,1,T_cnr4,1,273.15)

    Rl_downwell = Rl_down_meas+(5.67*10^-8*T_cnr4^4)

    Rl_upwell = Rl_up_meas+(5.67*10^-8*T_cnr4^4)

    'Compute net radiation, albedo, downwelling and upwelling longwave radiation.

    Rn_cnr4 = Rs_downwell-Rs_upwell+Rl_down_meas-Rl_up_meas

    albedo = Rs_upwell/Rs_downwell

    'Measure HC2-S3

    VoltDiff (Ta,1,mV2500,1,1,0,_50Hz,0.1,-40)

    VoltDiff (RH,1,mV2500,2,1,0,_50Hz,0.1,0)

    If RH>100 AND RH<108 Then RH = 100

    VaporPressure (Vapor,Ta,RH)

     'Measure 010C

    PulseCount (WS,1,1,0,1,0.039976,0.27)

      If WS<=0.27 Then WS=0

    CallTable MS_DATA

  NextScan

EndProg  。

具体实施方式

本发明采用的全球定位系统（GPS），型号：16X-HVS；厂家：台湾GAMIN公司；温湿传感器：型号：41342铂电阻温度传感器，厂家：美国RM Young公司；风速传感器：型号：010C/风速传感器，厂家：美国MetOne公司；气压传感器：型号：BAROCAP PTB210，厂家：芬兰维萨拉公司 辐射四分量传感器：型号：CNR4，厂家：荷兰 Kipp&Zonen公司;数据采集器：型号：CR1000，

厂家：美国Campbell公司；太阳能供电控制器：型号：Solsum，厂家：德国Steca公司；胶体电池：型号：FM系列，厂家：德国CTD（西替帝）公司。

下面，结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

如图1-6所示，一种用于山区面上气象数据采集的背负式移动气象站，主要包括：支架箱1。支架箱1由PC材料制成，内部设有垫层，垫层为EVA橡塑制品，箱内置有干燥剂。支架箱1的尺寸为60cm*35cm*15cm，箱体重量为5kg。全球定位系统（GPS）2、温湿传感器3、温湿传感器支架4、柔性太阳能板5、进线孔6、连线7、风速传感器支架8、风速传感器9、背护10、数据采集器11、太阳能供电控制器12、胶体电池13、气压传感器14、辐射四分量传感器15、锁扣16和全球定位系统支架17。支架箱1侧边左上部位设有风速传感器支架8，支架箱1侧边右上部位设有温湿传感器支架4，支架箱1正上方靠右侧设有全球定位系统支架17，正下方中间部位设有进线孔6，正下方两侧设有锁扣16，锁扣16用于闭合支架箱1。全球定位系统（GPS）2、温湿传感器3和风速传感器9的连线7通过进线孔6与支架箱1内数据采集器11连接，数据采集器11与支架箱1外部的辐射四分量传感器15连接，支架箱1表层的柔性太阳能板5连接胶体电池13，胶体电池13通过太阳能供电控制器12与数据采集器11连接，支架箱后背设置背负带10。

将PC机与数据采集器11通过RS-232连线进行物理连接，通过Loggernet软件(美国Campbell公司)选择数据采集器11型号及通信串口，设置波特率及连接数据采集器11的正确地址。连接通讯成功后，发送气象数据动态采集分析程序并保存在数据采集器内，设置数据保存路径。此后可以通过loggernet软件观察实时数据检查无误后，工作人员背负支架箱1，手持辐射四分量传感器15与地面始终保持垂直状态，行走过程中即可自动采集气象数据并记录位置信息。