摘 要： 真风的测量广泛出现在航空、航海、气象等领域，GMX500微型气象站集多种气象要素观测功能于一体，且具备罗盘定向及GPS定位功能，为走航场景中的真风测量提供了一种简易的实现方式。文中简要介绍了该设备的超声波测风原理并给出了真风计算方法。
关键词： GMX500; 微型气象站; 超声波; 测风; 真风;
Abstract： The measurement of true wind is widely used in aviation,navigation,meteorology and other fields.Gmx500 Micro Weather Station integrates various meteorological elements observation functions,and has compass orientation and GPS positioning functions,which provides a simple way to realize true wind measurement in navigation scene. In this paper,the principle of ultrasonic wind measurement is briefly introduced,and the calculation method of true wind is given.
Keyword： GMX500; Micro Weather Station; ultrasonic; wind measurement; true wind;
1、 风的测量
自然界的风是由空气流动引起的一种自然现象，由太阳辐射热引起。太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会被加热上升，这种空气的流动就产生了风。从科学的角度来看，风常指空气的水平运动分量，其物理量包括了方向和数值的大小，即风向和风速。在气象学中，风向是指风的来向，地面风除静风外用16方位表示，高空风向常用方位度数表示，即以0°(或360°)表示正北、90°表示正东、180°表示正南、270°表示正西，在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5°;风速是指空气所经过的距离与所需时间的比值，风速单位常用m/s、km/h等表示。
1.1 、常见风测量原理
风向测量较为容易，以下重点举例几种风速测量原理及常见的仪器设备。[1]
(1)压差式测风
用实验方法直接测量气流的速度比较困难，但气流的压力则可以用测压计方便地测出，皮托管则是压差式测风的典型仪器。皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置，由法国亨利·皮托于十八世纪初发明而得名。先用皮托管测量压力，再应用伯努利定理即可计算得出气流的速度，因其具有可靠的理论根据，使用方便、准确，是一种经典且广泛的测量方法，广泛应用于航空、管道等领域的风速测量。
(2)叶轮式测风
叶轮式测风的工作原理是将转动信号转换成电信号，常见的仪器有螺旋桨式风传感器、三杯式风速传感器。此类传感器均可以对叶轮的转动进行“计数”，并产生一系列的脉冲，风速越大转动越快，输出的脉冲频率越高，脉冲与风速有较好的对应关系，换算即可得出风速数值。
(3)热线式测风
热球式风速计是较为常见的应用该原理进行风速测量的仪器，其敏感元件为一个直径约1mm的球状元件。工作时，金属球被通电加热并置于气流中，因金属球在气流中的散热量与气流流速正相关，通过将难以测量的流速信号转变为较易测量的电信号，即可对应计算得出风速大小。
(4)超声波测风
根据超声波在空气中的传播速度受风影响而改变的原理，通过发送声波脉冲，并测量接收端的时间或频率(多普勒变换)差别来计算风速和风向。由于声学测风量程宽、灵敏度高、响应速度快，超声波测风传感器被广泛应用于大气湍流研究中。
(5)电磁波测风
利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场进行探测，如风廓线雷达。风廓线雷达是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探测的一种遥感设备。风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速随高度的变化情况。
1.2、 真风的概念
真风是指相对于地面的风矢量。当测风仪器整体相对地面静止时，仪器测得的风可等同于真风。但当测风仪器在与地面存在相对运动时，仪器直接测得的数据为视在风，也称作相对风，并不是真实的风。为获取环境真实的风向、风速，需要修正因测风仪器的移动或是错误的安装方向造成的偏差。
真风的测量广泛出现在航空、航海、气象等领域。例如，船只甲板上安装的测风仪器，为获得真实的环境风速、风向，测风仪器测得的数据需要充分考虑船只的行进速度及方位。又例如在高速行驶的车辆上安装的螺旋桨式风传感器，在迎风前进时，测得的风速数值要比车辆静止时大许多。
2 、GMX500微型气象站简介
英国GILL公司专注于气象科学技术领域，专长于超声波风测量技术。公司产品包括了WindSonic(超声波风传感器)、Met Pak (专业气象站)、Maxi Met(微型气象站)等系列。GMX500微型气象站属于Maxi Met系列产品之一。[2]
Wind Sonic(超声波风传感器)系列，为单纯的测风传感器，因其不具备电子罗盘、GPS定位等功能模块，故单独使用时难以应用于运动中的真风测量，该系列多用于固定地点的风的测量。因传感器输出的风数据是相对于对北标记的，所以在安装时应当使仪器上的对北标记正对北方，此种情况下，传感器输出的风数据与真实值一致。
Met Pak(专业气象站)系列可用于开展专业的气象观测，可选配组合安装风速、风向、温度、湿度、气压、降雨量、太阳辐射等各类独立的传感器，适用于多种专业气象观测场景。各类传感器的计量性能符合世界气象组织的观测要求。
Maxi Met(微型气象站)系列，集多种气象要素于一体，整体小巧易于安装或是携带。GMX500微型气象站(见图1)属于该系列产品，重约0.7kg。因其具有磁通式罗盘，并可选配GPS定位功能模块，故可以应用于走航场景的真风测量。图中，上半部分为超声波测风传感器，黑色区域为超声波收发单元，共计4个，对角线位置的互为1组。
图1 GMX500微型气象站实物图片
3、 GMX500微型气象站应用于真风测量
3.1、 测风原理
GMX500超声波测风传感器原理示意见图2。
图2 GMX500微型气象站测风原理示意图
超声波脉冲从“N”北侧单元发出，经“S”南侧单元接收，所需时间记作T1。超声波脉冲从“S”南侧单元发出，经“N”北侧单元接收，所需时间记作T2。当传感器所在环境风向为正北时，T1比T2要小。而“W”到“E”、“E”到“W”的时间则是相同的，因为两者受北风的影响一致。
T1、T2与环境风速的关系如式(1)所示。在T1、T2已知的情况下，风速V可依据式(2)计算得出。由式(2)可见，风速的计算仅与传感器收发单元的间距、脉冲传输时间差有关，与温度等外界因素无关。
式中:L———传感器收发单元间距;
C———声波速度;
V———风速;
T1———脉冲传输时间(e.g.North→South);
T2———脉冲传输时间(e.g.South→North)。
上述式中的风速仅为单组超声波收发单元计算得出的南北方向的风速分量，同理，通过另外一组收发单元可以计算得到东西方向的风速分量。通过南北方向、东西方向的风速分量，可以计算得出传感器所处环境的风向及风速。
3.2 、磁通式罗盘及GPS定位的组合应用
GMX500微型气象站标配内置磁通式罗盘，其罗盘输出信息可用于校正微型气象站传感器对北标记未对准正北时的风向数据。尽管罗盘在交付用户使用时已由Gill公司校准，但因罗盘方位与地磁北有关，所以在使用时，应输入当地地磁北与地理北的偏差值，以获得最佳精度。
GMX500微型气象站可选配GPS定位功能模块。当气象站安装于汽车或是轮船上时，为获取环境真风，需要选配该模块，用以获取气象站安装载体的行进方位及速度，并用于风向、风速的修正。
3.3 、真风风向的计算
GMX500微型气象站可以输出示值风向、视在风向和真风风向。GMX500微型气象站直接测得的为示值风向，经罗盘方位修正后可以得到视在风向，经GPS定位修正后得到真风风向。
当GMX500微型气象站处于静止时，视在风向等同于真实风向。
当GMX500微型气象站处于运动状态时，如GPS定位模块未工作，仅输出视在风向，无法获得真风风向;如GPS定位模块工作正常，则根据GPS速度和GPS航向修正视在风向为真风风向，计算步骤如下:
(1)将视在风矢量(幅值和方向)转化为U、V分量;
(2)计算因GPS移动而产生的矢量分量U'、V';
(3)对U、U'和V、V'分别矢量求和得到U″、V″;
(4)将U″、V″转化回风矢量，得到真风风向。
3.4、 真风风速的计算
GMX500微型气象站可以输出示值风速和真风风速。气象站直接测得的为示值风速。当且仅当罗盘、GPS速度和GPS航向均正常工作时，经罗盘修正和GPS定位修正后可以得到真风风速。
当GMX500微型气象站处于静止时，示值风速等同于真风风速。
当GMX500微型气象站处于运动状态时，如GPS定位模块未工作，仅输出示值风速，无法获得真风风速;如GPS定位模块工作正常，则根据GPS速度和GPS航向修正示值风速为真风风速，计算步骤如下:
(1)将示值风矢量(幅值和方向)转化为U、V分量;
(2)计算因GPS移动而产生的矢量分量U'、V';
(3)对U、U'和V、V'分别矢量求和得到U″、V″;
(4)将U″、V″转化回风矢量，得到真风风速。
4、 结语
GMX500微型气象站因其一体化的小巧便携设计，为真风的测量提供了一种简易的实现方式，可应用于航海、交通、无人机测风等走航场景中的真风测量。因微型气象站输出风向、风速数据有示值、视在值、真实值等多种模式，故在使用微型气象站数据或是传感器量值溯源时需加以关注。
参考文献
[1]Guide to Instruments and Methods of Observation,WMO,2018.
[2]Maximet User Manual Issue 6,GILL,2020.
