2地基GPSMET站采集系統(tǒng)組成

1、地基GPS/MET站采集系統(tǒng)功能規(guī)格需求書中國氣象局二oo九年九月 TOC o 1-5 h z 刖言1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1技術(shù)原理和特點(diǎn)1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2地基GPS/MET站采集系統(tǒng)組成3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 3系統(tǒng)功能要求4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document GPS接收機(jī)功能4GPS接收機(jī)天線的基本要求4 HYPERLINK l bookmark10

2、 o Current Document 氣象傳感器的功能4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 地基GPS/MET站采集系統(tǒng)外場環(huán)境要求5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 硬件設(shè)備安裝5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 對通信系統(tǒng)的要求5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 對軟件系統(tǒng)要求6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 計(jì)算機(jī)6 HYPERL

3、INK l bookmark22 o Current Document 電源6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 防雷6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4地基GPS/MET站采集系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 接收機(jī)和天線性能指標(biāo)及要求7 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 氣象傳感器性能指標(biāo)及要求9 HYPERLINK l bookmark35 o Current Docum

4、ent 數(shù)據(jù)文件10 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 5設(shè)備的檢測和評估10零基線測量10超短基線檢測11中程基線（50-100公里）檢測 11周跳11天線相位中心11前言水汽在天氣分析和預(yù)報(bào)、人工影響天氣、氣候及全球變化等方面極為 重要。地基GPS/MET水汽探測系統(tǒng)通過獲取導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（如GPS）信號 可以得到高時(shí)空分辨率的水汽資料，將更好地監(jiān)測災(zāi)害性天氣的產(chǎn)生和發(fā) 展，對中尺度天氣預(yù)報(bào)，氣候研究和人工影響天氣等有著重要的應(yīng)用價(jià)值。 地基GPS/MET水汽探測系統(tǒng)也是中國氣象局綜合觀測系統(tǒng)的重要組成部 分。地基GPS/MET站采集系統(tǒng)功能

5、規(guī)格需求書（以下簡稱需求書）是 依據(jù)綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2009-2015）相關(guān)需求，參考國內(nèi)外 GPS/MET技術(shù)特點(diǎn)和要求和GPS/MET相關(guān)規(guī)范而制定的。需求書規(guī)定了地基GPS/MET站采集系統(tǒng)的基本功能需求，包括技術(shù)原 理、總體結(jié)構(gòu)、技術(shù)性能指標(biāo)等要求，建立了一套高可靠、高準(zhǔn)確、易維 護(hù)、自動化程度高的系統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，以保證為氣象業(yè)務(wù)和科研提供 高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。1技術(shù)原理和特點(diǎn)導(dǎo)航衛(wèi)星（以下以GPS為例）發(fā)射的載波信號在穿過大氣層時(shí)受到大 氣的影響而延遲，可以通過對這種延遲信號的測量來反演大氣折射率，進(jìn) 而遙感大氣水汽參數(shù)。地基GPS/MET系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集就是通過對GPS衛(wèi)

6、星 發(fā)射的微波信號的測量,來獲取站點(diǎn)上空整個(gè)氣柱的水汽含量。地基GPS遙感水汽的具體方法是：在精密確定站點(diǎn)坐標(biāo)以后，通過精密測量，獲取站星距離和電離層延遲，并把中性大氣的天頂延遲量估計(jì)出 來。中性大氣延遲量可分為靜力延遲和濕項(xiàng)延遲兩部分。中性大氣靜力延遲與地面氣壓有關(guān)，假設(shè)靜力平衡，中性大氣的靜力 延遲公式如下:Z =（2.2279 土 0.0024）mmhPa-1 Phf。, H）其中 P 為地面氣壓（hPa）, f （九,H） = （1 -0.00266cos（2九）-0.00028H），九為地理 0緯度，H為海拔高度（km）。從總天頂延遲中減去靜力延遲zh而得到濕項(xiàng)延遲zw，其數(shù)值大約為

7、0-40cm。站點(diǎn)的整層水汽含量可以通過以下公式計(jì)算得到:pw=n-zW精確的形式和參數(shù)可通過地面氣溫的觀測和歷史資料的統(tǒng)計(jì)而建立:-1（k -1n=106 n=106 rT 21 TmR = 461.495J/(kg K)，為水汽的氣體常數(shù)。k = k - m k 221m為水汽和干空氣的分子量比。,k2,k3源于大氣折射率N的表達(dá)式:Pd和P分別為干空氣和水汽的分壓。T為絕對溫度。Tm為一個(gè)加權(quán)平均溫度，按如下公式定義：J (P / T) dzT = -f-vm J (P / T 2) dzV月為水汽的分壓，T為溫度，積分沿著整個(gè)大氣垂直路徑。參數(shù)7雖 然隨積分地區(qū)而變化，但可通過地面溫度

8、(T)的觀測來估算：T = a + b T地基GPS/MET水汽探測具有如下特點(diǎn)：(1)設(shè)備簡單，使用方便，自動化程度高。(2)測量精度高，和探空相比，精度在2-3mm。(3)時(shí)間分辨率高，優(yōu)于30分鐘。(4)可全天候觀測，不受云和降水的影響。2地基GPS/MET站采集系統(tǒng)組成地基GPS/MET水汽探測系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有：GPS接收機(jī)、GPS接收 天線；數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)和氣象觀測設(shè)備組成，用來獲取GPS原始觀測文件: 導(dǎo)航文件、觀測文件和氣象文件,如圖。圖 地基GPS/MET站采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖地基GPS/MET系統(tǒng)應(yīng)配置數(shù)據(jù)采集監(jiān)控管理軟件，進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的采 集，并把它發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。

9、3系統(tǒng)功能要求GPS接收機(jī)功能GPS接收機(jī)自動記錄數(shù)據(jù)，具有內(nèi)部存儲器，應(yīng)滿足長期工作、快速 記錄、容量足夠的需要；接收機(jī)同時(shí)有良好的輸入輸出串口，可供溫濕壓 地面氣象要素的輸入和向計(jì)算機(jī)終端輸出的功能。接收機(jī)能長期穩(wěn)定運(yùn) 行，在外接電源接通后應(yīng)能自動重啟、自動跟蹤，自動工作，并保持停電 前的配置。GPS接收機(jī)要求采用雙頻高精度接收機(jī)，可以自動同時(shí)接收到 4顆以上GPS衛(wèi)星的L1、L2波段的載波相位數(shù)據(jù)、C/A碼、P碼偽距。GPS接收機(jī)天線的基本要求天線與前置放大器應(yīng)密封為一體，以保障其在惡劣的環(huán)境下能正常 工作，并減少信號損失；天線必須采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)與屏蔽措施，現(xiàn)階段宜 選用具有良好的抗多路

10、徑效應(yīng)如扼流圈的天線，以減少多路徑效應(yīng)引起的 相位觀測誤差。天線的相位中心，與其幾何中心之間的偏差應(yīng)盡量少，且 保持穩(wěn)定。氣象傳感器的功能氣象傳感器提供至少溫度、氣壓和濕度三要素，可以采用與GPS接收4 機(jī)直接連接的氣象儀，它應(yīng)將氣象數(shù)據(jù)直接耦合到GPS接收機(jī)中；對于站 點(diǎn)裝備有氣溫、氣壓和濕度要素的自動氣象站，可以使用自動氣象站來代 替直接連接的氣象儀，系統(tǒng)應(yīng)能使用GPS氣象文件的格式獲取自動氣象站 的要素?cái)?shù)據(jù)。地基GPS/MET站采集系統(tǒng)外場環(huán)境要求觀測站（即接收天線）建設(shè)應(yīng)滿足中國氣象局全球?qū)Ш叫l(wèi)星 系統(tǒng)大氣探測基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)指南，應(yīng)遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射臺和高壓 輸電線，以避免其周圍電磁

11、場對GPS衛(wèi)星信號的干擾。觀測站應(yīng)設(shè)在易于安置接收設(shè)備的地方，且視場開闊。觀測站附近 不應(yīng)有對電磁波反射（或吸收）強(qiáng)烈的物體。放置天線的點(diǎn)位，應(yīng)選用穩(wěn)定、堅(jiān)固、無沉降的天線墩。硬件設(shè)備安裝硬件設(shè)備安裝應(yīng)滿足中國氣象局全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)大氣探測基準(zhǔn)站網(wǎng) 建設(shè)指南的相關(guān)要求。對通信系統(tǒng)的要求GPS站點(diǎn)與數(shù)據(jù)匯集中心的數(shù)據(jù)連接可通過氣象業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸。通訊設(shè)備要求能長期、可靠、連續(xù)地工作；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)大于 64kbps；實(shí)時(shí)通訊的誤碼率應(yīng)小于10-9，延時(shí)小于100ms。對軟件系統(tǒng)要求內(nèi)部運(yùn)行軟件應(yīng)該具有完善的控制和與外界終端通訊的功能。終端軟 件應(yīng)該具有友好的人機(jī)交互界面，支持window

12、s等操作系統(tǒng)，具有監(jiān)控接 收GPS衛(wèi)星的個(gè)數(shù)及運(yùn)行的情況，設(shè)置選擇記錄內(nèi)容、記錄時(shí)段、記錄 間隔時(shí)間等功能，具有設(shè)置站點(diǎn)名稱、天線類型、其他終端設(shè)備、通訊協(xié) 議、通訊口傳輸速度等功能。終端軟件還應(yīng)該具備遠(yuǎn)程控制的功能。計(jì)算機(jī)應(yīng)選擇符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)，保證穩(wěn)定可靠運(yùn)行。計(jì)算機(jī)應(yīng)具備3個(gè)以上的數(shù)據(jù)通訊接口，其中必須具備接入GPS數(shù) 據(jù)的通訊接口；計(jì)算機(jī)至少應(yīng)具備連續(xù)存儲30G的觀測數(shù)據(jù)的能力；計(jì)算機(jī)要具備網(wǎng)絡(luò)接口。電源地基GPS/MET站采集系統(tǒng)使用交流電源，電壓：220V (+10%- 40%)頻率：50 Hz10%,同時(shí)配備UPS電源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的電力供應(yīng)， 至少能維持基準(zhǔn)站設(shè)備連續(xù)工作1

13、2h;電源線路應(yīng)作接地保護(hù)并加裝電涌 防護(hù)設(shè)備。防雷站點(diǎn)應(yīng)有可靠防雷擊措施。一 6 一設(shè)計(jì)要求滿足GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（2000年版）和 GB50343-2000建筑物信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范中的站點(diǎn)建（構(gòu)）筑物 直擊雷防護(hù)按第二類防雷建筑物要求，對站點(diǎn)信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù) 按A級進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對直接雷防護(hù)和感應(yīng)雷（雷擊電磁脈沖）防護(hù)的 要求。各站點(diǎn)采取避雷針、避雷帶或兩者結(jié)合的直擊雷防護(hù)措施，防止或減 少直接雷擊造成天線、站點(diǎn)建筑物的損壞。選擇能降低避雷針高度的設(shè)計(jì) 方案，減少落雷概率。采取等電位連接、合理設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，防止或減少 因雷擊造成的地電位反擊。采用電源、信號電涌

14、保護(hù)器，防止或減少雷電波引入所產(chǎn)生的脈沖過 電壓和脈沖過電流，造成站點(diǎn)設(shè)備損壞或失效。4地基GPS/MET站采集系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)接收機(jī)和天線性能指標(biāo)及要求接收機(jī)指標(biāo)觀測頻率：至少接收一種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS或北斗等其 他系統(tǒng)）信號。觀測值：偽距（C/A碼，P碼）、各頻率全周載波相位（L1、 L2）。具備雙頻同步跟蹤地平仰角0o以上的所有可用衛(wèi)星信號通道：并行通道不低于24個(gè)。接收機(jī)采樣整秒時(shí)刻與GPS時(shí)之差：小于1毫秒。接收機(jī)鐘頻：晶振日穩(wěn)定性不低于 10-8。采樣率：可設(shè)置不同的采樣率，最高采樣率不小于10Hz（非 內(nèi)插）。數(shù)據(jù)存儲：支持文件循環(huán)存儲，可至少同時(shí)存儲多種采樣 率的數(shù)據(jù)，接收機(jī)固體

15、存儲量 150M。數(shù)據(jù)傳輸：支持TCP/IP數(shù)據(jù)流。通信端口：至少1個(gè)以太網(wǎng)端口（ RJ45）, RS232串口至 少2個(gè)。外接原子鐘頻標(biāo)接口：原子鐘10MHz或5MHz。功耗：接收機(jī)與扼流圈天線的整體功耗應(yīng)在8W以內(nèi)。遠(yuǎn)程控制：可進(jìn)行遠(yuǎn)程軟件升級、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程復(fù) 位，采用基于WEB的控制界面。工作溫度：在- 40oC+ 65oC的環(huán)境下能長期連續(xù)正常工 作；存儲溫度：一40oC+ 70oC。工作濕度：在相對濕度 W 100 %的場合下能長期連續(xù)正常 工作。接收機(jī)應(yīng)全密封防水，符合IP67標(biāo)準(zhǔn)。電源：接收至少有兩個(gè)外部電源端口，用于交流電及蓄電 池供電，其中交流電需適配器轉(zhuǎn)換，蓄電池可直

16、接供應(yīng)直流電。直流 供電電壓928V,交流轉(zhuǎn)換器工作電壓100240V非正常斷電后恢復(fù)供電自動恢復(fù)工作。內(nèi)置FTP服務(wù)支持FTP主動上傳。相位測量精度0.01周。一 8 一天線和電纜技術(shù)指標(biāo)抗多路徑效應(yīng)：天線應(yīng)有良好的抗多路徑效應(yīng)，并具有國際 大地測量權(quán)威機(jī)構(gòu)（NGS或Geo+）認(rèn)證的天線絕對相位中心改正模型。扼流圈天線相位中心偏差：小于3mm。精度和穩(wěn)定性：天線的相位中心穩(wěn)定性在半年內(nèi)必須優(yōu)于1.0 mm，并有定向標(biāo)志以滿足高精度測量的要求。具有低損耗無反射天線罩。工作溫度：在-40oC+65oC的環(huán)境下能長期連續(xù)正常工作, 存儲溫度：-40oC+70oC。工作濕度：在相對濕度4100%的場

17、合下能長期連續(xù)正常工 作。天線應(yīng)全密封防水，符合IP67標(biāo)準(zhǔn)。天線電纜（在60米的長度以內(nèi)，不需加配信號放大器）。天線電纜工作溫度：在-40+ 65的環(huán)境下能長期正常 工作。氣象傳感器性能指標(biāo)及要求如采用中國氣象局自動氣象站設(shè)備，應(yīng)符合地面氣象觀測 規(guī)范的相關(guān)氣溫、氣壓和濕度標(biāo)準(zhǔn)。使用直流電源，工作電壓12V。氣壓傳感器5001060 hPa,分辨率0.1 hPa,準(zhǔn)確度土 0.3hPa。溫度測量-40+50,分辨率0.1,準(zhǔn)確度0.2。濕度測量：0100%RH,分辨率1%RH,準(zhǔn)確度3%RH （相對濕 度90%）、5%RH （相對濕度90%）。數(shù)據(jù)采樣率1HZ。每1分鐘輸出一次數(shù)據(jù)。具備防輻

18、射罩。數(shù)據(jù)文件地基GPS/MET采集系統(tǒng)生成GPS導(dǎo)航文件、觀測文件和氣象文件， 符合RINEX標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸按中國氣象局的GPS/MET數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范（試 行）執(zhí)行。5設(shè)備的檢測和評估對于氣象業(yè)務(wù)的批量應(yīng)用，GPS接收機(jī)在實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)由具有國家 GPS設(shè)備檢測資質(zhì)的部門進(jìn)行檢測評估。評估的指標(biāo)有：零基線測量零基線采用兩臺或多臺接收機(jī)通過多路功分器接收來自同一天線的 衛(wèi)星信號，由此構(gòu)成測量基線。其理論值為0。零基線是檢驗(yàn)接收機(jī)鐘差、 信號通道延遲、延遲鎖相環(huán)誤差機(jī)內(nèi)噪聲等無線電性能所引起的定位誤差 的一種有效方法。這種方法全部消除了衛(wèi)星星歷影響、天線相位中心偏移、 大氣延遲、信號多路徑效應(yīng)及儀器對中誤差等。是檢驗(yàn)接收機(jī)內(nèi)部噪聲的 有效方法。要求功分器嚴(yán)格對稱，即功率相通、相位相同（相