2地基GPSMET站采集系统组成.docx

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2地基GPSMET站采集系统组成

地基GPS/MET站采集系统

功能规格需求书

中国气象局

二〇〇九年九月

目录

前言1

1技术原理和特点1

2地基GPS/MET站采集系统组成3

3系统功能要求4

3.1GPS接收机功能4

3.2GPS接收机天线的基本要求4

3.3气象传感器的功能4

3.4地基GPS/MET站采集系统外场环境要求5

3.5硬件设备安装5

3.6对通信系统的要求5

3.7对软件系统要求6

3.8计算机6

3.9电源6

3.10防雷6

4地基GPS/MET站采集系统技术参数7

4.1接收机和天线性能指标及要求7

4.2气象传感器性能指标及要求9

4.3数据文件10

5设备的检测和评估10

5.1零基线测量10

5.2超短基线检测11

5.3中程基线（50-100公里）检测11

5.4周跳11

5.5天线相位中心11

前言

水汽在天气分析和预报、人工影响天气、气候及全球变化等方面极为重要。

地基GPS/MET水汽探测系统通过获取导航卫星系统（如GPS）信号可以得到高时空分辨率的水汽资料，将更好地监测灾害性天气的产生和发展，对中尺度天气预报，气候研究和人工影响天气等有着重要的应用价值。

地基GPS/MET水汽探测系统也是中国气象局综合观测系统的重要组成部分。

《地基GPS/MET站采集系统功能规格需求书》（以下简称需求书）是依据《综合气象观测系统发展规划（2009-2015）》相关需求，参考国内外GPS/MET技术特点和要求和GPS/MET相关规范而制定的。

需求书规定了地基GPS/MET站采集系统的基本功能需求，包括技术原理、总体结构、技术性能指标等要求，建立了一套高可靠、高准确、易维护、自动化程度高的系统设备的技术参数，以保证为气象业务和科研提供高质量的观测数据。

1技术原理和特点

导航卫星（以下以GPS为例）发射的载波信号在穿过大气层时受到大气的影响而延迟，可以通过对这种延迟信号的测量来反演大气折射率，进而遥感大气水汽参数。

地基GPS/MET系统的数据采集就是通过对GPS卫星发射的微波信号的测量,来获取站点上空整个气柱的水汽含量。

地基GPS遥感水汽的具体方法是：

在精密确定站点坐标以后，通过精密测量，获取站星距离和电离层延迟，并把中性大气的天顶延迟量估计出来。

中性大气延迟量可分为静力延迟和湿项延迟两部分。

中性大气静力延迟与地面气压有关，假设静力平衡，中性大气的静力延迟公式如下：

其中

为地面气压（hPa）,

为地理纬度，H为海拔高度（km）。

从总天顶延迟中减去静力延迟

而得到湿项延迟

，其数值大约为0-40cm。

站点的整层水汽含量可以通过以下公式计算得到：

精确的形式和参数可通过地面气温的观测和历史资料的统计而建立：

为水汽的气体常数。

m为水汽和干空气的分子量比。

源于大气折射率N的表达式：

和

分别为干空气和水汽的分压。

T为绝对温度。

Tm为一个加权平均温度，按如下公式定义：

为水汽的分压，T为温度，积分沿着整个大气垂直路径。

参数

虽然随积分地区而变化，但可通过地面温度（

）的观测来估算：

地基GPS/MET水汽探测具有如下特点：

（1）设备简单，使用方便，自动化程度高。

（2）测量精度高，和探空相比，精度在2-3mm。

（3）时间分辨率高，优于30分钟。

（4）可全天候观测，不受云和降水的影响。

2地基GPS/MET站采集系统组成

地基GPS/MET水汽探测系统硬件设备主要有：

GPS接收机、GPS接收天线；数据采集计算机和气象观测设备组成，用来获取GPS原始观测文件：

导航文件、观测文件和气象文件,如图。

图地基GPS/MET站采集系统结构图

地基GPS/MET系统应配置数据采集监控管理软件，进行观测数据的采集，并把它发送到数据处理中心进行处理。

3系统功能要求

3.1GPS接收机功能

GPS接收机自动记录数据，具有内部存储器，应满足长期工作、快速记录、容量足够的需要；接收机同时有良好的输入输出串口,可供温湿压地面气象要素的输入和向计算机终端输出的功能。

接收机能长期稳定运行，在外接电源接通后应能自动重启、自动跟踪，自动工作，并保持停电前的配置。

GPS接收机要求采用双频高精度接收机，可以自动同时接收到4颗以上GPS卫星的L1、L2波段的载波相位数据、C/A码、P码伪距。

3.2GPS接收机天线的基本要求

天线与前置放大器应密封为一体，以保障其在恶劣的环境下能正常工作，并减少信号损失；天线必须采取适当的防护与屏蔽措施，现阶段宜选用具有良好的抗多路径效应如扼流圈的天线，以减少多路径效应引起的相位观测误差。

天线的相位中心，与其几何中心之间的偏差应尽量少，且保持稳定。

3.3气象传感器的功能

气象传感器提供至少温度、气压和湿度三要素，可以采用与GPS接收机直接连接的气象仪，它应将气象数据直接耦合到GPS接收机中；对于站点装备有气温、气压和湿度要素的自动气象站，可以使用自动气象站来代替直接连接的气象仪，系统应能使用GPS气象文件的格式获取自动气象站的要素数据。

3.4地基GPS/MET站采集系统外场环境要求

观测站（即接收天线）建设应满足《中国气象局全球导航卫星系统大气探测基准站网建设指南》，应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围电磁场对GPS卫星信号的干扰。

观测站应设在易于安置接收设备的地方，且视场开阔。

观测站附近不应有对电磁波反射（或吸收）强烈的物体。

放置天线的点位，应选用稳定、坚固、无沉降的天线墩。

3.5硬件设备安装

硬件设备安装应满足《中国气象局全球导航卫星系统大气探测基准站网建设指南》的相关要求。

3.6对通信系统的要求

GPS站点与数据汇集中心的数据连接可通过气象业务网络进行数据传输。

通讯设备要求能长期、可靠、连续地工作；数据传输速率应大于64kbps；实时通讯的误码率应小于10-9，延时小于100ms。

3.7对软件系统要求

内部运行软件应该具有完善的控制和与外界终端通讯的功能。

终端软件应该具有友好的人机交互界面，支持windows等操作系统，具有监控接收ＧＰＳ卫星的个数及运行的情况，设置选择记录内容、记录时段、记录间隔时间等功能，具有设置站点名称、天线类型、其他终端设备、通讯协议、通讯口传输速度等功能。

终端软件还应该具备远程控制的功能。

3.8计算机

应选择符合工业标准的计算机，保证稳定可靠运行。

计算机应具备3个以上的数据通讯接口，其中必须具备接入GPS数据的通讯接口；

计算机至少应具备连续存储30G的观测数据的能力；

计算机要具备网络接口。

3.9电源

地基GPS/MET站采集系统使用交流电源，电压：

220V（+10%～－40%）频率：

50Hz±10%，同时配备UPS电源，保证系统稳定的电力供应，至少能维持基准站设备连续工作12h；电源线路应作接地保护并加装电涌防护设备。

3.10防雷

站点应有可靠防雷击措施。

设计要求满足GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）和GB50343-2000《建筑物信息系统防雷技术规范》中的站点建（构）筑物直击雷防护按第二类防雷建筑物要求，对站点信息系统雷击电磁脉冲防护按A级进行设计，实现对直接雷防护和感应雷（雷击电磁脉冲）防护的要求。

各站点采取避雷针、避雷带或两者结合的直击雷防护措施，防止或减少直接雷击造成天线、站点建筑物的损坏。

选择能降低避雷针高度的设计方案，减少落雷概率。

采取等电位连接、合理设计接地系统，防止或减少因雷击造成的地电位反击。

采用电源、信号电涌保护器，防止或减少雷电波引入所产生的脉冲过电压和脉冲过电流，造成站点设备损坏或失效。

4地基GPS/MET站采集系统技术参数

4.1接收机和天线性能指标及要求

接收机指标

4.1.1,观测频率：

至少接收一种导航卫星系统（GPS或北斗等其他系统）信号。

4.1.2,观测值：

伪距（C/A码，P码）、各频率全周载波相位（L1、L2）。

4.1.3,具备双频同步跟踪地平仰角0o以上的所有可用卫星

4.1.4,信号通道：

并行通道不低于24个。

4.1.5,接收机采样整秒时刻与GPS时之差：

小于1毫秒。

4.1.6,接收机钟频：

晶振日稳定性不低于10-8。

4.1.7,采样率：

可设置不同的采样率，最高采样率不小于10Hz（非内插）。

4.1.8,数据存储：

支持文件循环存储，可至少同时存储多种采样率的数据，接收机固体存储量

150M。

4.1.9,数据传输：

支持TCP/IP数据流。

4.1.10,通信端口：

至少1个以太网端口（RJ45）,RS232串口至少2个。

4.1.11,外接原子钟频标接口：

原子钟10MHz或5MHz。

4.1.12,功耗：

接收机与扼流圈天线的整体功耗应在8W以内。

4.1.13,远程控制：

可进行远程软件升级、远程参数设置和远程复位，采用基于WEB的控制界面。

4.1.14,工作温度：

在－40oC～＋65oC的环境下能长期连续正常工作;存储温度：

－40oC～＋70oC。

4.1.15,工作湿度：

在相对湿度≤100％的场合下能长期连续正常工作。

4.1.16,接收机应全密封防水，符合IP67标准。

4.1.17,电源：

接收至少有两个外部电源端口，用于交流电及蓄电池供电,其中交流电需适配器转换，蓄电池可直接供应直流电。

直流供电电压9～28V，交流转换器工作电压100～240V

4.1.18,非正常断电后恢复供电自动恢复工作。

4.1.19,内置FTP服务支持FTP主动上传。

4.1.20，相位测量精度

0.01周。

天线和电缆技术指标

4.1.21,抗多路径效应：

天线应有良好的抗多路径效应，并具有国际大地测量权威机构（NGS或Geo++）认证的天线绝对相位中心改正模型。

4.1.22,扼流圈天线相位中心偏差：

小于3mm。

4.1.23,精度和稳定性：

天线的相位中心稳定性在半年内必须优于1.0mm，并有定向标志以满足高精度测量的要求。

4.1.24,具有低损耗无反射天线罩。

4.1.25,工作温度：

在－40oC～＋65oC的环境下能长期连续正常工作,存储温度：

－40oC～＋70oC。

4.1.26,工作湿度：

在相对湿度≤100％的场合下能长期连续正常工作。

4.1.27,天线应全密封防水，符合IP67标准。

4.1.28,天线电缆（在60米的长度以内，不需加配信号放大器）。

4.1.29,天线电缆工作温度：

在－40℃～＋65℃的环境下能长期正常工作。

4.2气象传感器性能指标及要求

4.2.1,如采用中国气象局自动气象站设备，应符合地面气象观测规范的相关气温、气压和湿度标准。

4.2.2,使用直流电源，工作电压12V。

4.2.3,气压传感器500～1060hPa,分辨率0.1hPa,准确度±0.3hPa。

4.2.4,温度测量-40～+50℃,分辨率0.1℃,准确度±0.2℃。

4.2.5,湿度测量：

0～100%RH,分辨率1%RH,准确度±3%RH（相对湿度≤90%）、±5%RH（相对湿度>90%）。

4.2.6,数据采样率1HZ。

4.2.7,每1分钟输出一次数据。

4.2.8，具备防辐射罩。

4.3数据文件

地基GPS/MET采集系统生成GPS导航文件、观测文件和气象文件，符合RINEX标准，数据传输按中国气象局的《GPS/MET数据传输规范（试行）》执行。

5设备的检测和评估

对于气象业务的批量应用，GPS接收机在实际应用前应由具有国家GPS设备检测资质的部门进行检测评估。

评估的指标有:

5.1零基线测量

零基线采用两台或多台接收机通过多路功分器接收来自同一天线的卫星信号，由此构成测量基线。

其理论值为0。

零基线是检验接收机钟差、信号通道延迟、延迟锁相环误差机内噪声等无线电性能所引起的定位误差的一种有效方法。

这种方法全部消除了卫星星历影响、天线相位中心偏移、大气延迟、信号多路径效应及仪器对中误差等。

是检验接收机内部噪声的有效方法。

要求功分器严格对称，即功率相通、相位相同（相位差小于2度）。

同步接收4颗以上卫星24小时。

并交换一次天线接口，再测一次。

采用标准静态定位软件计算。

坐标增量及其误差符合5.5接收机的精度测量标准。

5.2超短基线检测

超短基线指5-10米的基线。

在无功分器的情况下，GPS接收机的内部噪声水平，可利用长度精确已知的超短基线或基线网进行检验。

检验时，在地势平坦，对空视野开阔的地区，布设一边长5m-10m的基线。

检验时将两台接收机的天线，分别安置在超短基线的两端，并按高精度静态相对定位的要求进行同步观测，观测时段的长度，根据情况可取1.0-2.0小时。

基线分量与地面观测量之差小于2mm。

5.3中程基线（50-100公里）检测

观测时段可取一周，重复精度不小于3mm。

5.4周跳

接收机应尽量减少周跳，对于24小时、采样率为30秒的零基线测量，最小卫星高度角取0度，当卫星仰角在10-90度时，两个接收机每个周跳的观测量大于3000，在0-10度间观测量大于1000。

5.5天线相位中心

采用相对定位法在超短基线上进行检验天线中心的稳定性。

测试时将GPS接收机天线分别安置在基线点上，精确对中、整平，天线定向标志指向正北。

观测一个时段（1.5小时）。

然后固定一个天线不动，其他天线依次旋转90度、180度、270度，再测三个时段。

最后，原固定的天线也依次旋转90度、180度、270度，再测三个时段。

分别求出各时段基线值，其最大互差不能超过1mm。