论文总字数：18590字

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 高空气象探测方法 1

1.3国内外研宄现状 1

1.4本文主要内容 2

第二章 北斗探空仪系统硬件电路设计 3

2.1 硬件电路设计系统 3

2.2温度传感器电路设计 4

2.2.1温度传感器选型 4

2.2.2温度传感器电路设计 4

2.3湿度传感器电路设计 5

2.3.1湿度传感器选型 5

2.3.2湿度传感器电路设计 6

2.4气压传感器电路设计 7

2.4.1气压传感器选型 7

2.4.2气压传感器电路设计 8

2.5光强传感器选型及电路设计 8

2.6气体质量传感器选型及电路设计 9

2.7雨滴传感器选型及电路设计 9

2.8北斗模块 10

2.8.1北斗模块选型 10

2.8.2北斗模块电路设计 11

2.9无线串口模块 12

2.10 MCU主控制器 12

2.10.1MCU主控制器选型 12

2.10.2STM32F103介绍 13

第三章 北斗探空仪系统的软件设计 14

3.1ATM32开发环境介绍 14

3.2程序设计总体框架 15

3.3主程序 16

3.4北斗模块定位协议及程序 18

第四章 实验测试与分析 19

4.1实物图 19

4.2串口数据显示及TFT数据显示 20

4.3实验结果对比 21

4.3实验结果分析 22

第五章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

基于BDS位置追踪的气象探空仪

武宜轩

, China

Abstract:The radio sounding instrument is a high altitude meteorological data detecting device, which is usually carried by a weather balloon to a high altitude of 5 to 6m/s, and is measured by a temperature sensor, a humidity sensor, a pressure sensor, a wind speed sensor and a wind speed sensor on the surrounding environment, and will be collected by a built-in wireless transmission unit. The data is transmitted to the ground for the analysis and use of the ground staff.

The Beidou navigation satellite system (BeiDou Navigation Satellite System, English abbreviated BDS) is a global satellite navigation system that is being implemented independently and independently in China. With the gradual establishment and improvement of the Beidou satellite navigation system in China, it is a good opportunity to use the two generation of Beidou, GLONASS and GPS joint positioning, speed measurement and time delivery. The research of the Beidou sounding instrument is one of the key projects in the application of the Beidou navigation system.

This work is based on 32 bit ultra low power chip STM32F103 as the main control chip, and uses the S1216F8 module to receive the navigation and positioning function of the Beidou and GPS signals. The sounding instrument consists of the Beidou navigation and positioning module, the sensor module, the data processing module and the wireless transmission module. The sounding balloon is carried out by the sounding balloon, and the sensors in the sounding instrument collect the temperature, humidity, air pressure, intensity, concentration of harmful gases, rainfall and other meteorological elements in the high altitude of the air. The Beidou module receives the location and time information; the wireless communication module sends the information that is detected at high altitude to the ground, and the receiving device handles the returned data.

The meteorological sounding instrument based on BDS position tracking is designed in this paper. Compared with the traditional sounding instrument, it has the characteristics of high degree of localization, high precision and wide range. The meteorological sounding instrument is further optimized. It is believed that the meteorological sounding equipment imported from abroad can be replaced in the future, and the autonomy and automation of high altitude detection can be realized.

Key words: radio sonde, BDS navigation system, single chip microcomputer, sensor, wireless communication.

绪论

研究目的和意义

高空气象数据探测采集是气象测量的重要手段之一，对农业生产、生活起居、国家科研等方面起到非常重要的作用。高空气象数据探测采集是将大气中各个高度的温度、气压、湿度、风速、风向等要素进行探测采集。如今，无线电探空仪探测法又是高空气象数据探测采集的重要方法，探空仪会将所探测到的气象数据转化为无线信号，传送给地面基站。之后，地面基站将接收到的信号进行转换，可以获得不同高度的数据并进行分析。若给无线电探空仪配备定位芯片，即可规定定位测量周围气象数据，

随着在定位技术的科研的发展，导航定位型探空仪越来越被国家重视，但目前各国所使用的探空仪更多基于GPS技术。而在我国，我国自主研发了北斗卫星导航系统，并鼓励推广其运用到社会各个领域中。所以，基于北斗导航系统的无线探空仪时目前研究的热点。

本作品对于民航、科研空中探测方面有着重要意义。因为随着国家在航空飞行方面的大力投资和人民对于交通的需求，民航飞行的次数更加频繁，飞行目的地更多。而为了满足高空探测的多样性和连续性，更多的探空气球需要被释放至高空，有时更会执行加密任务进行探测。如果利用北斗定位系统能够精准的将探空气球的定位信息发送给航空部门，航空部门依据此信息调整空中航线，则能避免空中事故的发生。

1.2 高空气象探测方法

目前，高空气象数据探测装置大多是由探空气球搭载探空仪升至高空。探空仪由温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及风速风向传感器组成，可以对周围的气象数据进行采集,采集到的数据会通过无线传感器传送至地面基站。

无线电探空仪是当前科研和气象领域中使用广泛的一种高空气象探测设备，主要用来探测0~30KM海拔高度范围内的各种气象要素数据。无线电探空仪分为两个部分，一个是探空气球及其搭载的无线电探空仪，称为空中子系统；另一个是装有大功率接收设备的地面接收装置，称为地面接收系统。探空气球在到达预定好的位置后，空中子系统搭载的探空仪会采集周围气象数数据。空中子系统所测得的数据经过编码压缩，通过内部无线电发射装置将数据发送至地面接收系统，地面接收系统会将数据进行分析处理。

1.3国内外研宄现状

上个世纪初，前苏联研制出了世界上第一个的可用在气象业务上的探空仪，之后探空仪技术就开始迅速发展。芬兰viiho vaisala教授于1931年发明了无线电探空仪，该类探空仪现今已被世界各国广泛应用于平流层各种气象要素数据采集。目前，全球无线电探空仪领域有67%的市场被芬兰维萨拉公司占据。Vaisala公司在本世纪初研制出了采用GPS模式工作的数字化无线电探空仪RS92，自此，在Vaisala公司的引领下，全球无线电探空仪行业进入了全数字化探测时代。探空仪作为最基本的高空探测装置，主要分为业务级和参考级两类。业务级探空仪主要用来探测平流层及以下部分的各类气象数据，并将这些数据提供给各地面气象站使用。目前，在业务用无线电探空仪领域中，Vaisala公司的RS92探空仪占主流地位，其气压和湿度测量一致性好，且地面接收系统能够方便快速的处理、传输高空气象数据。参考级探空仪又称标准探空仪，与业务用探空仪相比，标准探空仪的功能更加复杂、要处理的数据量更大，同时，对探空仪的功耗和可靠性有更高的要求。标准探空仪可为业务探空仪提供校准参考。当前，我国对平流层以下气象数据需求旺盛，这就对我国自行研制、开发的气象测量设备提出了更高的要求。我国从二十世纪中后期便开始了探空仪的引进和研发等相关工作，与其他WHO 成员国相比，我国在平流层以下区域气象探测的核心技术还比较落后。目前，世界上各个国家都在积极投入到可用于探测平流层及以下海拔高度气象要素的无线电探空仪设备的研宄工作中。

1.4本文主要内容

本文对照表1.1所列的探空仪参数指标设计了一种可用于高空气象探测的北斗探空仪系统，可用来为日常使用的探空仪提供校准和参考数据。

表1.1北斗气象探空仪性能指标

本文设计的北斗探空仪系统是以STM32F103单片机作为主控芯片，采用S1216F8模块用于接收北斗和GPS信号定位，并附有温度传感器、气压传感器，光强传感器，气体质量传感器，雨滴传感器和无线串口。此探空仪由探空气球携带升空，采集高空中任意位置的气象数据，由S1216F8模块接收位置、时间信息；无线通信模块将高空探测到的气象数据准确无误的传回地面，由接收装置处理显示传回的数据。本文设计的北斗探空仪与其他探空仪相比，有以下优点：

1. 国产化程度高
2. 易集成、成本低、可批量生产
3. 测量种类多、范围广

本文主要内容如下。

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