第二代自动气象站功能规格书.docx
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第二代自动气象站功能规格书
高精度湿度、气压传感器技术要求
高精度湿度、气压传感器对提升地面观测精度，改善天气及气候观测水平有着重要的意义。
为了统一规范气象应用中的高精度湿度及气压传感器的各项要求，根据《地面气象数据对象字典》、《新型自动气象（气候）站功能需求书》及《自动气候站功能规格需求书》中与湿度及气压传感器的相关内容制定本技术要求，凡用于气象系统的高精度湿度及气压传感器须符合本本技术要求，具体包括性能和功能、采样和算法、数据格式和通信命令以及其他要求四个部分。
1性能和功能
1.1气压测量传感器
a）使用温度范围：
-40℃～50℃
b）测量范围：
450hPa～1100hPa
c）分辨力：
0.1hPa
d）最大允许误差：
±0.2hPa
e）供电电源：
电压：
DC（12±2）V
电流：
平均值小于30mA
f）信号输出方式：
接口标准：
RS232
g）传感器具有互换性
-1-
1.2湿度测量传感器
a）使用温度范围：
-50℃～50℃
b）测量范围：
5%～100%RH
c）分辨力：
1%RH
d）最大允许误差：
±2%RH（相对湿度≤80%）
±3%RH（相对湿度＞80%）
e）供电电源：
DC（12±2）V
f）输出方式：
接口标准：
RS232
g）传感器具有互换性
2采样和算法
2.1采样频率及气象值
气象传感器信号数字化处理过程中，传感器输出信号采样频率非常重要，所采用的采样序列应该足够代表被测气象要素的显著变化。
数据的采样算法是获得准确气象数据的关键因素，采样频率及气象值的计算见表1。
表1自动气象站测量要素采样频率
测量要素采样频率计算平均值
气压30次/min每分钟算术平均
-2-
湿度
2.2算法的常用计算公式
2.2.1算术平均法
计算公式
N
yi
Y
i1
m
（1）
式中：
Y——观测时段内气象变量的平均值；
yi——观测时段内第i个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，
“错误”、“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即
令yi0；
N——观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间
区间”决定；
m——观测时段内“正确”的样本数（mN）。
2.2.2滑动平均法
计算公式
n
yi
ia
Yn
m
（2）
式中：
Yn——第n次计算的气象变量的平均值；
-3-
yi——第i个样本值，其中，“错误”、“可疑”等非“正确”
的样本应丢弃而不用于计算；
a——在移动着的平均值时间区间内的第1个样本：
当nN时
a1，当nN时anN1；
N——是平均值时间区间内的样本总数，由采样频率和平均值时
间区间决定；
m——在移动着的平均值时间区间内“正确”的数据样本数
mN。
2.2.3标准差计算
标准差也被称为标准偏差，或者实验标准差。
计算公式
（4）
式中：
——计算得到的标准差；
xi——第i个样本值，其中，“错误”、“可疑”等非“正
确”的样本应丢弃而不用于计算；
——有效样本平均值；
N——是平均值时间区间内的样本总数，由采样频率和平均值
时间区间决定；
-4-
2.3数据质量控制标识
本文采用的质控标识码涵盖内容全面，且与2010年行标定义一
致，采用统一的质控码有助于对观测数据的解析和软件算法实现。
表
2是几种常见质量控制码类型及其含义。
表2
质控标识
质量控制码
含义
0
正确
1
可疑
2
错误
3
订正数据
4
修改数据
5
预留
6
预留
7
不观测
8
缺测
9
未作质量控制
说明：
（1）若有数据质量控制判断为错误时，在设备终端数据输出时，其值仍给
出，相应质量控制标识为“２”，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。
（2）对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在设备终端
数据输出时直接给出缺测，相应质量控制标识为“８”。
（3）当台站业务软件将设备置为维护停用状态时，自动上传维护日志，同
时上传数据时对应要素置为缺测。
2.4传感器级质量控制
传感器级质量控制是对采样值转换为气象要素的过程进行质量
控制，其质量控制对象为气象要素的采样值。
传感器级质量控制控方
法包括以下3个方面。
-5-
（1）对采样值极限范围检查，检查每个采样值是否在相应传感器的测量范围内。
如果未通过检查，则该值被丢弃，不能用于进一步计算。
（2）对采样值变化速率检查，当前的采样值应当与前一个采样值作比较。
如果这两个采样值的差异大于给定的界限，则当前采样值被标记为不可信，不能参与进一步的计算。
然而，它仍然用于检查采样值变化速率检查。
一个有效采样样本值的判断条件如表3所示。
表3
有效采样样本值判断条件
序号
观测要素
传感器测量
传感器测量
允许最大变化值（适用于采
范围下限
范围上限
样频率5次/分以上）
1
气压
依照传感器指标确定下限
0.3hPa
5
相对湿度
和上限
5%
（3）计算瞬时气象值时，有效样本比例应大于66％（2/3）；
3数据格式和通信命令
本章主要规定观测设备数据传输的帧格式、观测要素编码和通信
命令等方面的内容。
3.1数据帧格式
3.1.1帧格式
1段：
起始标识；
2段：
数据包头；
3段：
数据主体；
-6-
3段：
校验码；
4段：
结束标识。
说明：
（1）一个完整数据帧分为5部分信息段。
其中0、1、3和4段
数据定长；2段数据不定长，数据主体包含观测要素信息、观测数据
质量控制信息和状态要素信息三部分。
（2）数据帧传输采用ASCII字符（8Bit）。
（3）数据帧各信息段由一个或多个字段表示，字段间以英文半角字符‘,’分割。
（4）字段是指由一组指定的ASCII字符（大小写英文字母、数字字符“0～9”以及下划线字符“_”）构成的字符串，用于描述帧起始与结束标识、数据包头信息、要素变量名以及要素变量值等信息。
3.1.2帧格式说明
1段——起始标识
固定长度，2个字母，以”BG”表示。
1段——数据包头
固定长度，包含8个字段，每个字段定长。
（1）区站号（5位字符），保持现有台站区站号不变，在观测司发布新台站号时更新。
（2）服务类型（2位数字），00基准站，01基本站，02一般站，
03区域气象站，04交通气象站，05电力气象站，06农业气象站，07旅游气象站，08海洋气象站，09风能气象站，10太阳能气象站，11
-7-
生态气象站，12气象辐射站，13便携站，14自动气候站。
（3）设备标识位（4位字母），传感器或设备类型。
以大写字母
Y开头表示设备标识，后三位字母为对应传感器或设备英文名称的缩
写，如表4所示。
表4设备标识符
YTPS气压数字传感器YHMS湿度数字传感器
（4）设备ID（3位数字），用于区分同一个区站号台站中的同类设备；有多个设备时，服务数据以ID为000的设备观测为准，当000
出现故障时，则使用001设备的数据。
传感器ID代表不同的传感器类型，传感器ID不得自行修改。
表5传感器ID号
气压数字传感器001湿度数字传感器003
（5）观测时间（14位数字），采用北京时，年月日时分秒，
yyyyMMddhhmmss，如20120706132500。
（6）帧标识（3位数字），用于区分数据类型和观测时间间隔，由两部分组成：
D，T。
D为1位数字，用于区数据类型：
0代表实时数据，1代表定时数据，2～9预留。
T表示一个2位十进制数值，代表观测时间间隔：
00代表秒，01～59依次代表1～59分钟间隔，60～
83依次代表1～24小时间隔。
如：
分钟实时数据用001表示，整点
定时数据用160表示。
说明：
1）实时数据是指设备输出的以瞬时气象值为主的观测数据，瞬
-8-
时气象值由规定的观测时间间隔内的采样值计算得到。
部分设备输出
的实时数据也可能包含统计量数据，只有在观测时间与统计时段一致
时统计量数据才有意义。
通常，实时数据时间间隔为秒或分钟级，不
会为小时级间隔。
2）定时数据是指设备输出的以统计气象值为主的观测数据，统
计气象值是从规定的时间间隔内观测到的瞬时气象值中挑选出的最大、最小、极大、极小值，或累计值。
定时数据时间间隔为分钟或小时级，不会为秒级。
目前，地面观测中统计值的挑选时间间隔为小时。
如，目前业务中，自动气象站在整点时，会发送两个数据包，一个为分钟实时数据，一个为整点定时数据，定时数据中主要输出从前小时01分钟到本小时00分钟瞬时气象值的统计量。
（7）观测要素变量数（3位数字），取值000～999，表示观测要素数量；如003，表示有3个观测要素。
说明：
1）若设备的观测要素，未探测到的观测要素不输出，观测要素变量数为实际探测到的要素数；当出现故障时未探测到任何观测要素时，该类设备输出观测要素变量数为0，并在状态信息中输出故障的信息。
2）对于设备或传感器故障时，对应传感器或设备的全部观测要素均输出缺测，对应变量数值处用‘/’字符填充。
（8）设备状态变量数（2位数字），取值01～99，表示状态变量数量。
如28，表示有28个状态变量。
-9-
说明：
1）设备自检状态变量为必输出项，当设备自检通过时只输出自
检状态变量，即状态变量数为1。
2）当设备某些属性状态不正常时，除输出自检状态变量外，还
需输出所有状态不正常的状态变量名。
2段——数据主体
不定长，包含观测数据、观测数据质量控制和状态数据三部分。
（1）观测数据，由一系列观测要素数据对组成，数据对中观测
要素变量名与变量值一一对应。
观测要素变量名以及变量值的描述
（数据单位、比例因子、字节长度等）在观测要素编码表中定义说明。
数据对的个数与3.1.2中的（7）观测要素变量数一致。
观测要素名
按字母先后顺序输出。
（2）观测数据质量控制，由一系列质量控制码组成，字符数量
与观测要素变量数一致，一个字符代表一个数据的质量控制码，按顺序与观测数据中的数据对一一对应。
质量控制码定义与气象行业标准
（QX/T118-2010）中地面气象观测资料质量控制一致，如表5所示。
表5质量控制码表
质控码含义
0正确
1可疑
2错误
3订正数据
-10-
4修改数据
5预留
6预留
7不观测
8缺测
9未做质量控制
说明：
1）若有数据质量控制判断为错误时，在设备终端数据输出时，
其值仍给出，相应质量控制标识为“2”，但错误的数据不能参加后续
相关计算或统计。
2）对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在
设备终端数据输出时直接给出缺测，相应质量控制标识为“8”。
3）当台站业务软件将设备置为维护停用状态时，自动上传维护
日志，同时上传数据时对应要素置为缺测。
（3）状态数据，由一系列设备状态要素数据对组成，数据对中状态要素变量名与状态值一一对应。
设备状态变量名在设备状态编码表中定义说明，第一个状态变量名必须为设备自检状态，其他状态变量输出顺序不做明确要求。
状态值采用一个数字编码表示，状态值含义如表6所示。
表6设备状态码表
状态码状态描述
1“正常”，设备状态节点检测且判断正常
-11-
“异常”，设备状态节点能工作，但检测值判断超出正
1
常范围
2“故障”，设备状态节点处于故障状态
3“偏高”，设备状态节点检测值超出正常范围
4“偏低”，设备状态节点检测值低于正常范围
5“停止”，设备节点工作处于停止状态
“轻微”或“交流”，设备污染判断为轻微；或设备供
6
电为交流方式
“一般”或“直流”，设备污染判断为一般；或设备供
7
电为直流方式
“重度”或“未接外部电源”，设备污染判断为重度；
8
或设备供电未接外部电源
说明：
1）设备所有状态均不输出具体的数值，而是以状态码进行输出，
以更直观地指导维护保障工作。
2）本表只给出设备状态码的简单含义描述，设备需根据每个状
态检测数值制定状态判断依据，输出符合本状态的状态码。
3）如果观测要素是运算量，即没有设备而是通过其他要素计算
出来的，不用输出状态要素；上位机软件在质检的时候，通过设备配
置文件对设备状态进行质检，配置文件中没有配置该设备的不用对状
态进行质检。
设备状态编码如表7所示。
-12-
表7设备状态编码表
变量名编码
设备状态要素名称
单位
字节长度
取值范围
z
设备自检状态
代码表
1
0或1
y_AGA
气压传感器的工作
0、1或2
1
状态
代码表
y_ADA
相对湿度传感器的
0、1或2
工作状态
代码表
1
xA
外接电源状态
代码表
1
6、7或8
xB
设备主板电压状态
代码表
1
0、3或4
wA
设备主板温度状态
代码表
1
0、3或4
tC
RS232/485/422状
代码表
1
0、1或2
态
注：
1）设备在完成各个状态要素检测后，进行状态判断，当所有状
态都为正常时，设备自检正常，对应状态值为0。
2）设备在完成各个状态要素检测后，进行状态判断，当有一个
或多个状态处于非正常状态时，设备自检异常正常，对应状态值为1。
3）数字传感器作为独立设备存在，其工作状态作为设备自检状
态z输出。
4）一个设备挂接多个传感器时，状态变量名通过添加传感器对
应的观测要素编码作为后缀来表示。
5）传感器输出的数值合理时，为正常情况；传感器不能工作，
-13-
为故障情况；传感器能输出数值，但数值超出合理值范围，为异常情
况。
3段——校验码
定长，4位数字。
采用校验和方式，对“BG”开始一直到校验段
前、包括分隔符‘,’在内的全部字符以ASCII码全部累加。
累加值
以10进制无符号编码，高位溢出，取低四位。
4段——结束标识
固定长度，2个字母，以“ED”表示。
帧格式示例
完整数据帧格式：
起始标识
BG
数据包头
服务类
设备标
设备
观测时
观测要
设备状
区站号
ID
帧标识
素变量
态变量
型
识位
间
数
数
5位字
2位数
4位字
3位数
14位
3位数
3位数
2位数
符
字
母
字
数字
字
字
字
数据主体
观测数据和质量控制状态信息
观测观测观测观测质量状态变状态变状态变状态变
要素要素要素要素控制量名1量值1量名n量值n
-14-
变量变量变量变量位
名1值1名m值m
校验码
4位数字
结束标识
ED
3.2输出观测要素编码
（1）AD——湿度类编码
表8湿度类观测要素编码表
要素名编
比例因
字节长
观测要素名称
单位
码
子
度
ADA
1.5米高度的相对湿度
%
0
3
ADAl
相对湿度分钟标准差
2
4
（2）AG——气压类编码
表9气压类观测要素编码表
要素名编
比例因
字节长
码
观测要素名称
单位
子
度
AGA
本站气压
hPa
1
5
AGAl
本站气压分钟标准差
4
6
-15-
3.3数据存储格式
上位机软件数据文件存储路径：
文件存储于厂家名称文件夹下气
压（或湿度），DATA目录内，按照分钟数据存储，路径为D:
/厂家名
称/气压（或湿度）/DATA/。
（1）文件名
分钟数据AAAA_YYYYMMDD.，txt其中：
AAAA为设备标识符；YYYY为年份，MM为月份，DD为日期，月份和日期不足两位时，前面补“0”，txt为固定编码。
举例：
YTMP_20150508.txt。
（2）文件形成
该文件每日一个，在每日的20:
00生成，每行按照每条数据长度进行存储,记录尾用回车换行结束，ASCII字符写入。
文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测分钟气象要素数据文件是否存在，如无该日分钟气象要素数据文件，则生成该文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
文件内容按北京时计时。
3.4通信命令
通信命令分为监控操作命令和扩展监控操作命令两大类。
3.4.1监控操作命令
3.4.1.1格式说明
（1）各种命令由命令符和相应参数组成，命令符由若干英文字
母组成，参数可以没有，或是由一个或多个参数组成，命令符与参数、
-16-
参数与参数之间用1个半角逗号分隔；
（2）在计算机超级终端中，键入控制命令后，应键入回车/换行键，本格式中用“↙”表示；
（3）返回值的结束符均为回车/换行，本格式中返回值用“<>
↙”给出；
（4）命令非法时，传感器返回出错提示信息“BADCOMMAND↙”；
（5）若无特殊说明，本部分中使用YYYY-MM-DD,HH:
MM:
SS表示日期、时间。
3.4.1.2握手机制
（1）数据传输握手机制
每台设备必须自带时钟和存储器；数据传输握手机制同时具备主
动发送和被动读取两种方式，默认为主动上传方式。
被动读取的方法为:
由终端软件发送读取数据命令（READDATA），
读取存储器中当前时刻最近的数据，如果最近时刻数据与当前时刻时
间差超过一帧则返回错误信息。
主动发送的方法为：
由传感器按照帧标识类型主动向上位机发送
数据。
无论采用哪种方式，数据必须遵循标准数据格式要求，即
“BG,⋯,ED”格式。
（2）时间校正握手机制
终端软件可通过定时发送DATETIME修改传感器日期和时间。
-17-
（3）设备响应命令时间
由上位机发送命令后，设备端应及时响应，并给于返回，响应时
间为不长于3秒，超过3秒后响应，上位机认为是超时错误。
3.4.1.3命令说明
（1）设置或读取设备的通信参数（SETCOM）
命令符：
SETCOM
参数：
波特率数据位奇偶校验停止位
示例：
若设备的波特率为9600bps，数据位为8，奇偶校验为无，
停止位为1，若对设备进行设置，键入命令为：
SETCOM,9600,8,N,1↙
返回值：
↙表示设置失败，↙表示设置成功。
若为读取设备块通信参数，直接键入命令：
SETCOM↙
正确返回值为<9600,8,N,1>↙。
注：
1）非特殊情况下不对设备波特率进行修改，波特率修改范围为
（1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200）。
2）波特率修改时应先返回数据再修改波特率。
3）设备一旦修改波特率后，须保存波特率设置。
（2）设备自检（AUTOCHECK）命令符：
AUTOCHECK
-18-
返回的内容包括设备日期、时间，通信端口的通信参数，设备状
态信息（厂家自行定义格式不定），SMO终端软件只对其进行显示，
不做处理。
返回值：
↙。
T表示自检成功,F表示自检失败。
（3）帮助命令命令符：
HELP
返回值：
返回终端命令清单，各命令之间用半角逗号分隔。
（4）设置或读取设备的区站号（QZ）命令符：
QZ
参数：
设备区站号（5位数字）
示例：
若所属气象观测站的区站号为57494，则键入命令为：
QZ,57494↙。
返回值：
↙表示设置失败，↙表示设置成功。
若设备的区站号为57494，直接键入命令：
QZ↙
正确返回值为<57494>↙。
（5）设置或读取设备的服务类型（ST）
命令符：
ST
参数：
服务类型（2位数字）
示例：
若设备用于基准站，则键入命令为：
ST,00↙
返回值：
↙表示设置失败，↙表示设置成功。
-19-
若设备服务类型为00，直接键入命令：
ST↙
正确返回值为<00>↙。
注：
设备端需要对设备服务类型进行存储。
（6）读取设备标识位（DI）命令符：
DI
示例：
读取自动气象站设备标识位，直接键入命令：
DI↙
升级会员 