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技術原理和特點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接收機功能4GPS接收機天線的基本要求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 計算機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)技術參數7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 接收機和天線性能指標及要求7 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 氣象傳感器性能指標及要求9 HYPERLINK l bookmark35 o Current Docum

4、ent 數據文件10 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 5設備的檢測和評估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報、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)通過獲取導航衛(wèi)星系統(tǒng)（如GPS）信號 可以得到高時空分辨率的水汽資料，將更好地監(jiān)測災害性天氣的產生和發(fā) 展，對中尺度天氣預報，氣候研究和人工影響天氣等有著重要的應用價值。 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 依據綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（2009-2015）相關需求，參考國內外 GPS/MET技術特點和要求和GPS/MET相關規(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，包括技術原 理、總體結構、技術性能指標等要求，建立了一套高可靠、高準確、易維 護、自動化程度高的系統(tǒng)設備的技術參數，以保證為氣象業(yè)務和科研提供 高質量的觀測數據。1技術原理和特點導航衛(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 而遙感大氣水汽參數。地基GPS/MET系統(tǒng)的數據采集就是通過對GPS衛(wèi)

6、星 發(fā)射的微波信號的測量,來獲取站點上空整個氣柱的水汽含量。地基GPS遙感水汽的具體方法是：在精密確定站點坐標以后，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出 來。中性大氣延遲量可分為靜力延遲和濕項延遲兩部分。中性大氣靜力延遲與地面氣壓有關，假設靜力平衡，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而得到濕項延遲zw，其數值大約為

7、0-40cm。站點的整層水汽含量可以通過以下公式計算得到:pw=n-zW精確的形式和參數可通過地面氣溫的觀測和歷史資料的統(tǒng)計而建立:-1（k -1n=106 n=106 rT 21 TmR = 461.495J/(kg K)，為水汽的氣體常數。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為一個加權平均溫度，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，積分沿著整個大氣垂直路徑。參數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：(1)設備簡單，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)硬件設備主要有：GPS接收機、GPS接收 天線；數據采集計算機和氣象觀測設備組成，用來獲取GPS原始觀測文件: 導航文件、觀測文件和氣象文件,如圖。圖 地基GPS/MET站采集系統(tǒng)結構圖地基GPS/MET系統(tǒng)應配置數據采集監(jiān)控管理軟件，進行觀測數據的采 集，并把它發(fā)送到數據處理中心進行處理。

9、3系統(tǒng)功能要求GPS接收機功能GPS接收機自動記錄數據，具有內部存儲器，應滿足長期工作、快速 記錄、容量足夠的需要；接收機同時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算機終端輸出的功能。接收機能長期穩(wěn)定運 行，在外接電源接通后應能自動重啟、自動跟蹤，自動工作，并保持停電 前的配置。GPS接收機要求采用雙頻高精度接收機，可以自動同時接收到 4顆以上GPS衛(wèi)星的L1、L2波段的載波相位數據、C/A碼、P碼偽距。GPS接收機天線的基本要求天線與前置放大器應密封為一體，以保障其在惡劣的環(huán)境下能正常 工作，并減少信號損失；天線必須采取適當的防護與屏蔽措施，現階段宜 選用具有良好的抗多路

10、徑效應如扼流圈的天線，以減少多路徑效應引起的 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 機直接連接的氣象儀，它應將氣象數據直接耦合到GPS接收機中；對于站 點裝備有氣溫、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)應能使用GPS氣象文件的格式獲取自動氣象站 的要素數據。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）建設應滿足中國氣象局全球導航衛(wèi)星 系統(tǒng)大氣探測基準站網建設指南，應遠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。觀測站應設在易于安置接收設備的地方，且視場開闊。觀測站附近 不應有對電磁波反射（或吸收）強烈的物體。放置天線的點位，應選用穩(wěn)定、堅固、無沉降的天線墩。硬件設備安裝硬件設備安裝應滿足中國氣象局全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)大氣探測基準站網 建設指南的相關要求。對通信系統(tǒng)的要求GPS站點與數據匯集中心的數據連接可通過氣象業(yè)務網絡進行數據 傳輸。通訊設備要求能長期、可靠、連續(xù)地工作；數據傳輸速率應大于 64kbps；實時通訊的誤碼率應小于10-9，延時小于100ms。對軟件系統(tǒng)要求內部運行軟件應該具有完善的控制和與外界終端通訊的功能。終端軟 件應該具有友好的人機交互界面，支持window

12、s等操作系統(tǒng)，具有監(jiān)控接 收GPS衛(wèi)星的個數及運行的情況，設置選擇記錄內容、記錄時段、記錄 間隔時間等功能，具有設置站點名稱、天線類型、其他終端設備、通訊協(xié) 議、通訊口傳輸速度等功能。終端軟件還應該具備遠程控制的功能。計算機應選擇符合工業(yè)標準的計算機，保證穩(wěn)定可靠運行。計算機應具備3個以上的數據通訊接口，其中必須具備接入GPS數 據的通訊接口；計算機至少應具備連續(xù)存儲30G的觀測數據的能力；計算機要具備網絡接口。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%,同時配備UPS電源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的電力供應， 至少能維持基準站設備連續(xù)工作1

13、2h;電源線路應作接地保護并加裝電涌 防護設備。防雷站點應有可靠防雷擊措施。一 6 一設計要求滿足GB50057-94建筑物防雷設計規(guī)范（2000年版）和 GB50343-2000建筑物信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范中的站點建（構）筑物 直擊雷防護按第二類防雷建筑物要求，對站點信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護 按A級進行設計，實現對直接雷防護和感應雷（雷擊電磁脈沖）防護的 要求。各站點采取避雷針、避雷帶或兩者結合的直擊雷防護措施，防止或減 少直接雷擊造成天線、站點建筑物的損壞。選擇能降低避雷針高度的設計 方案，減少落雷概率。采取等電位連接、合理設計接地系統(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、保護器，防止或減少雷電波引入所產生的脈沖過 電壓和脈沖過電流，造成站點設備損壞或失效。4地基GPS/MET站采集系統(tǒng)技術參數接收機和天線性能指標及要求接收機指標觀測頻率：至少接收一種導航衛(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。接收機采樣整秒時刻與GPS時之差：小于1毫秒。接收機鐘頻：晶振日穩(wěn)定性不低于 10-8。采樣率：可設置不同的采樣率，最高采樣率不小于10Hz（非 內插）。數據存儲：支持文件循環(huán)存儲，可至少同時存儲多種采樣 率的數據，接收機固體

15、存儲量 150M。數據傳輸：支持TCP/IP數據流。通信端口：至少1個以太網端口（ RJ45）, RS232串口至 少2個。外接原子鐘頻標接口：原子鐘10MHz或5MHz。功耗：接收機與扼流圈天線的整體功耗應在8W以內。遠程控制：可進行遠程軟件升級、遠程參數設置和遠程復 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。接收機應全密封防水，符合IP67標準。電源：接收至少有兩個外部電源端口，用于交流電及蓄電 池供電，其中交流電需適配器轉換，蓄電池可直

16、接供應直流電。直流 供電電壓928V,交流轉換器工作電壓100240V非正常斷電后恢復供電自動恢復工作。內置FTP服務支持FTP主動上傳。相位測量精度0.01周。一 8 一天線和電纜技術指標抗多路徑效應：天線應有良好的抗多路徑效應，并具有國際 大地測量權威機構（NGS或Geo+）認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)定性在半年內必須優(yōu)于1.0 mm，并有定向標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。天線應全密封防水，符合IP67標準。天線電纜（在60米的長度以內，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及要求如采用中國氣象局自動氣象站設備，應符合地面氣象觀測 規(guī)范的相關氣溫、氣壓和濕度標準。使用直流電源，工作電壓12V。氣壓傳感器5001060 hPa,分辨率0.1 hPa,準確度土 0.3hPa。溫度測量-40+50,分辨率0.1,準確度0.2。濕度測量：0100%RH,分辨率1%RH,準確度3%RH （相對濕 度90%）、5%RH （相對濕度90%）。數據采樣率1HZ。每1分鐘輸出一次數據。具備防輻

18、射罩。數據文件地基GPS/MET采集系統(tǒng)生成GPS導航文件、觀測文件和氣象文件， 符合RINEX標準，數據傳輸按中國氣象局的GPS/MET數據傳輸規(guī)范（試 行）執(zhí)行。5設備的檢測和評估對于氣象業(yè)務的批量應用，GPS接收機在實際應用前應由具有國家 GPS設備檢測資質的部門進行檢測評估。評估的指標有：零基線測量零基線采用兩臺或多臺接收機通過多路功分器接收來自同一天線的 衛(wèi)星信號，由此構成測量基線。其理論值為0。零基線是檢驗接收機鐘差、 信號通道延遲、延遲鎖相環(huán)誤差機內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、信號多路徑效應及儀器對中誤差等。是檢驗接收機內部噪聲的 有效方法。要求功分器嚴格對稱，即功率相通、相位相同（相