簡單說說手表手機的海拔測量

海拔,平均海平面以上的高度,也叫絕對高度。氣壓,單位面積上的大氣壓力,等於面積上垂直空氣柱的重力。海拔高度上升,空氣柱減短,氣壓就會下降。根據這個原理,通過測定氣壓可以折算海拔。

手機和手表內部安裝有氣壓傳感器,體積不到半粒米,其精度還是比較高的。下圖是博世最新產品。

我們在電梯裡上下,氣壓會相應發生變化,傳感器也會感應到氣壓的變化。下圖就是GT2pro在電梯上行中實拍的情況,電梯往上、氣壓下降。

下面是一臺Mate40pro、一個GT2pro在25樓房間裡氣壓和海拔數據,以及氣象APP截圖。手機手表同時顯示的氣壓,四舍五入後相同,可見氣壓傳感器精度是很高的。

手表記錄是所到之處的氣壓變化,氣象站是固定位置的氣壓變化,兩者可能近似相關也可能差異不小,圖上顯示恰好當天最高氣壓都一樣是1022百帕,很巧合。本帖後面會闡述,氣象站氣壓是否完全代表手表所在位置地面氣壓,直接影響海拔測量結果。

根據建築層高一般標準來估算酒店第25層大約高80米。手表和手機樓上樓下氣壓差是9個百帕和9.8百帕,我們用氣壓海拔關系P=P0*(1-H/44300)^5.256來計算,兩個氣壓差相應的高差是75米和81米。而手表手機直接給出的海拔,樓上樓下之差也都是81米,看來手表實測及計算用的原始氣壓值應該至少被保留瞭一位小數,顯示時四舍五入取整瞭。

很多花粉朋友反映海拔高度顯示不準確、偏差大,確實存在這樣的客觀現象。本例中,在一個多小時後,還是在25樓,手表海拔從85米變成92米,手機海拔從86米變成94米,兩者分別變化瞭7米和8米。手機上氣壓精確到小數一位,顯示氣壓降低瞭0.9百帕,手表上氣壓精確到整數,顯示氣壓降低瞭1百帕。用0.9百帕直接算的高度變化也是7米。這說明,如果讓手表通過測量氣壓差來給出高度差,是準確可靠的。這也意味著,花粉朋友感受的海拔不準確、會漂移,不是實測氣壓不準確所致,而是另有原因。

這就需要進一步談談手表上的海拔怎麼計算的。手表無法直接測量海拔高度,它要用手表測量的氣壓值,計算出手表處在什麼樣的氣壓高度上,並且需要知道零海拔的氣壓高度,兩者之差才能得到海平面以上的高度。實際的海平面氣壓並非理論意義上的1013百帕,而是不斷隨大氣運動而變化的,海平面氣壓也並不能由手表測量獲得。因此,手表的海拔需要轉由當地地面氣壓、手表氣壓、地面海拔來計算,地面海拔經用戶校準,可以與當地地表高程進行匹配,地面氣壓數據則從網絡獲取。於是,在設計上,手表借助通訊連接,靠手機根據定位信息,讀取公共氣象數據庫裡的就近的地面氣壓。這樣,有瞭氣壓差,也就有瞭高差,海拔基值也被用戶調準瞭,計算的海拔也就是準確的。顯然,地面氣壓數據能否具有代表性就很關鍵。

氣象站測量地面氣壓,使用水銀氣壓計定時觀測並且用空盒氣壓計全天記錄(自記鐘驅動記錄紙)。為瞭實現信息化,提高氣象服務時效,現在大量采用自動氣象小站,但是基準氣象站(一般一個縣有一個)依然保留水銀計和人工值守觀測。自動站和基準站的地面氣壓作為公共數據開放使用,氣象部門還會進行數據處理,做成氣壓分佈圖。下圖就是自動站的氣壓數據及其等值面圖。

25層樓上下對比觀察是在當天9:45~9:50期間,從定時氣象數據9:00、10:00的數據看,一小時內氣壓變化較小,為0.1百帕,但全天有其它時段變化較大。這也就告訴我們,當手表在地面狀態,且所測氣壓與氣象氣壓相等,此時才具有海拔測量的正常條件。

下面是一日氣壓過程,看得出來,變化就更大瞭。子夜後一小時變化1.1百帕、中午一小時變化0.7百帕。

這就帶來一個問題,數據刷新率會影響數據時效性,如果氣壓變化不大,數據不同步對於計算海拔的影響不大,如果氣壓變化大,則影響就大瞭。更大的一個問題是數據的空間代表性,氣象站與手表手機所在地點不同,濕度、溫度、對流等等的差異使得空氣密度不同,何況兩處地面海拔還不相等,各種因素導致兩處空氣柱重力不同、地面氣壓不一致。所以,手表手機要采用氣壓測高,難以克服地面氣壓數據的及時性、代表性問題。隻有天氣條件穩定、大范圍上情況一致、整個地區地勢平坦的情況下,氣壓在空間分佈和時間變化上都很小,才會有理想的海拔計算效果。上面在酒店的實際體驗中,海拔85米、92米,還有當天最高值93米,這些差異就是參與計算的地面氣壓誤差造成的。相同地點海拔數值重復性好不好,其實與手表沒有直接關系,而是與氣象數據可靠性和代表性有關系,即與地面氣壓觀測在空間和時間上的覆蓋是否密集與及時有關,但這很難以理想化實現。因此,手機手表用氣壓測海拔,平原地區同一位置上不同時間有十多米的變化是正常表現,山區就更不用說瞭。手機手表千萬不能用來做高程測量。

至此,我們應該理解,盡管氣壓傳感器很精密,氣壓測量很準確,但是海拔計算真的不容易,不是手機手表自己可以擔負的。

另:

(一)給朋友們一個操作建議,不要頻繁校準海拔。如果需要做校準,選擇晴朗天氣,氣壓變化不大的時間,去臨近有氣象站的地方,事先知道所去位置的準確高程,進行校準;或者,同樣天氣良好的時候,打開相關的氣象APP,看看周圍幾個站點氣壓數據是否一致,本地區大范圍整體上氣壓分佈是否均勻,然後用所在位置準確的高程來校準。簡單一點,則是多花點時日,利用天氣條件良好、氣壓變化不大的日子,觀察手表顯示的海拔,分析數天、數十天的表現,估算出一個合適的修正量,然後找一個天氣條件理想的時候操作校準,把修正量調整進海拔高度上去。切記,校準前手機能夠正常訪問網絡,手表手機連接正常,手機定位正常。校準後沒有特殊需要,不要再反復校準,對於十幾米的偏差忽略它就行。

(二)大傢埋怨海拔不準,實際上不是手表技術問題,而是基礎氣象數據的支撐不足。基礎事業需要投入。如果每5公裡間隔一個氣象自動站,氣壓數據十分鐘刷新一次,就會馬上改善海拔計算的效果,誤差可以控制在幾米以內。但是,高密度自動站的建設,尤其是後期維護,是很大的開支。手表上的海拔,不是給用戶看住宅和辦公樓上上下下走臺階變化的,而是給野外徒步概略觀測高度變化用的,野外科考的話氣壓計則是必備的,所以對於手表海拔準不準,普通用戶不需要去計較。

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