抗干扰校北仪的设计与实现

曾俊威，钟晓勇，高瑞泉

（深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040）

深圳市区域自动气象站网近10年来迅速扩大，探测装备不断增加，已具备一定规模的综合性探测网，其区域自动气象站数量已从2007年初的44站增加到2019年初的210站［1-2］。《区域自动气象站维护技术规范》［3］要求定期对风向传感器进行校北。目前常用的校北仪主要有传统磁罗盘和电子罗盘。传统磁罗盘利用磁化后的磁针去感应天然地磁场来指示方向，但如果有磁性金属矿，或强磁场在附近，指南针的指针会发生指向偏移或漫无目的的旋转导致无法校北；电子罗盘通常采用三维磁阻传感器用来测量地球磁场，即通过电子元器件来感应磁场，具有体积小、精度高、可实现数码显示等优点，但同样如果周边磁场环境改变也会导致无法准确校北。国内气象行业中使用的校北仪主要为传统磁罗盘（指南针）以及在地面观测场上采用太阳方位法进行仪器设备校北，存在误差较大和程序繁琐的缺点。国际上目前主要采用三维电子罗盘进行指北，例如轮船、飞机上普遍安装此类设备，但在局地磁场干扰较大的环境下，仍无法准确校北。因此，为满足气象上风向5°的允许误差，特别是提高对局地小气候的精细化风向观测能力，获取更加精确的风向，必须配备更加精准的测量仪器。

抗干扰校北仪采用的世界上更为先进电子罗盘设计方法，其磁传感器技术是采用Honeywell的先进各向异性磁阻（AMR）传感技术，传感器采用透磁合金（Nife）薄膜能够根据外部磁场变化来改变电阻系数。该薄膜材料与磁带相似，通过强磁场干扰薄膜粒子的磁场，从而使散乱的方向转变到固定方向运动，以实现磁感应。同时抗干扰校北仪Honeywell的专利设计Set／Reset回路，以消除余磁的干扰。

1 总体设计

抗干扰校北仪总体设计分为硬件和客户端两部分设计：

1）硬件设计。

原理：抗干扰校北仪主要采用电子罗盘和陀螺仪相结合的方式［4］，当电子罗盘监测到磁场环境超出了允许范围，即启动和调用陀螺仪数据，陀螺仪通过物理方式精确记录传感器旋转的的方位角度，从而避免磁场的干扰，精准记录传感器方位和姿态角度。其核心部件陀螺仪是采用Honeywell的先进AMR以及MEMS原理的传感技术［5］，包含 WMM（全球磁场模型数据库），在任一地点都能在缺失GPS（或北斗）的数据情况下，准确找到“真北”。其检测风向的角度可以达到5°内的偏差，通过蓝牙传输技术实时将监测的方位、姿态等数据传输到手机APP，实现户外简单便捷的监测监控。

辅件组成设计。抗干扰校北仪外壳采用的是纯铝材质，纯铝不产生磁场，对陀螺仪更不会产生影响；内部装载蓝牙，实时与移动客户端保持通讯联系传送数据；与之配套专门设计一个套筒，便于固定在VAISALA WMT700型的超声风传感器顶部进行校北；抗干扰校北仪内置一块高性能的锂电池，续航能力高达30 h，满足野外复杂环境下运行要求。

2）客户端设计。

客户端采用客户／服务器（C／S）架构，主要有5个部分：数据采集、手机客户端、数据分析、服务器端、数据存储，具体的架构设计如图1所示［6］。

图1 客户端设计架构示意图

（1）数据采集。

监测数据通过蓝牙传输到移动客户端，传输数据格式为16进制格式，数据信息中包括翻滚角、俯仰角、航向角及磁场值等信息。校北仪的数据采集类似于GPS数据包的主动发送方式，一旦建立连接就会持续向客户端传输数据，直到连接关闭。

（2）客户端。

移动客户端是集数据分析、数据监测、数据展示和上传于一体的手机应用程序，支持在Android、IOS操作系统上的手机或平板电脑上安装。客户端包括数据解析、数据监测、数据展示和上传等模块。

数据解析：采集的数据格式为固定长度的16进制格式，当客户端与抗干扰校北仪通过蓝牙建立连接后，会自动发送数据，客户端通过截取超过一个数据单位长度的固定长度值进行分析解码。

数据监测：为通过蓝牙接收的监测数据，解析并在客户端中实时显示，用户可通过客户端查看翻滚角、俯仰角、航向角及磁场值等信息，根据需要可进行打开（关闭）陀螺仪等与设备进行交互的操作。

数据展示：对采集的数据进行查看功能，可按时段查询或统计数据信息，展示形式采用数据表格和图表数据可视化形式。

上传模块：采集的数据支持一键上传，通过手机网络上传至服务器。当手机无网络时，上传任务自动挂起，手机网络恢复后后台自动传输。仅支持WIFI环境上传设置，以节省手机网络资源。

（3）数据分析。

采集的数据格式为固定长度的16进制格式，当客户端与抗干扰校北仪通过蓝牙建立连接后，会主动发送数据，客户端通过截取超过一个数据单位长度的固定长度值进行分析解码。

（4）服务器端。

服务器端是基于HTTP协议的Web服务端，数据接收通过HTTP接口。接口实现基于JAVA-WEB技术实现，数据传输采用json格式数据。为防止恶意请求，数据传输加密进行身份识别。

（5）数据存储。

数据存储采用Oracle数据库。建立基于站点的校北仪数据表，存储包含站点、监测时间基础信息，翻滚角、俯仰角、航向角及磁场值等监测数据信息。

2 客户端功能模块设计

移动手机客户端拥有实况角度监测、磁异常警告、打开／关闭陀螺仪、上传云端等多个功能模块。

实况角度监测：实时显示抗干扰校北仪的旋转角度，其中包括航角度、俯仰角度、翻滚角度。界面中间的仿罗盘指针用于真实、灵敏地反映抗干扰校北仪旋转的航向角度，即对比角度（图2）。

磁异常警告：当测量环境的磁场值超出正常阀值时显示红色表示警告，其中磁场正常阀值可以更改，陀螺仪的默认阀值是2 858，超出阀值5%时会显示警告（图3）。

打开／关闭陀螺仪：在磁场正常的情况可根据需要进行打开／关闭陀螺仪与设备进行交互的操作。若需在磁异常的环境下找到“真北”，用户先要在一个正常的磁场环境下，打开陀螺仪再进入到磁场异常的环境下进行测量。

图2 实况角度监测模块

3 应用案例

海洋自动气象站运用。深圳市的海洋自动气象站安装在海上石油平台生产区域，电磁干扰强，其中平台上的电磁干扰主要有2种途径：传导干扰和辐射干扰。传导干扰主要是指由电子设备产生的干扰信号通过公共电源线或者导电物质进行传输，相互产生干扰的一种电磁污染；辐射干扰是指电磁波发射源向空间不断发射电磁波形式的电磁能量所造成的干扰。传导干扰需要一定的传播介质，即公共电源线或者导电物质。由于这两种电磁波相互干扰，会导致很多的电子设备造成影响。由于干扰导致一般的指南针或电子罗盘无法正常使用。经测试，普通的对北工具的误差在85°至138°。由于海平面没有参照物，导致风向传感器校准对北是一项非常艰难的工作。平台钻井大型器械、电机等产生的电磁干扰极强，需采用精度较高的陀螺校北仪精确对北。采用深圳市国家气候观象台自主开发的抗干扰校北仪，在石油平台能有效帮助风向传感器对北校准，该设备夹具套在VAISALAWMT700型超声风传感器上，通过蓝牙传输技术，手机接收并显示抗干扰校北仪发出的精确度数，能快速精准对北（图4）。

图3 磁异常警告模块

该校北仪对深圳已部署的城市气候站的风向准确度有明显提高。误差值控制在0.5°以内，比传统的磁罗盘校北误差控制范围提高了10倍；粗寻北时间显著提高［7］，由原来的3～5 min降低到10 s内。以往使用磁罗盘对风向对北，需要维护人员爬到风杆顶部，谨慎细致地操作罗盘指针转动角度；现在运用抗干扰校北仪，可直接套在风向传感器顶部，然后随意转动，通过蓝牙传输技术，地面人员可通过手机APP观察航向角角度，并让操作人员对角度进行矫正，工作高效、安全。

图4 海上石油平台气象站的超声风传感器校北仪

自动气象站属于高精度的多要素自动观测仪器，多安装在野外高塔上，为了使监测数据更精准、维护工作更安全高效，必须使用更加精准便捷的校北工具［8-11］。深圳市国家气候观象台开发的抗干扰较北仪其效果远比传统的磁罗盘显著，而且充分发挥手机高性能优势，通过蓝牙点对点通信，多平台APP显示，从而简易实现户外长距离对抗干扰较北仪数据读取、记录、分析和显示功能；有效地简化了校准操作流程，缩短了校准时间，减低现场工作强度并大大提高了维护人员的工作效率和安全性。更加精确的校北数据对于局地小气候精细化观测应用上具有重要的推广价值。