GPS高空探测系统功能规格需求书中国气象观测网.docx
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GPS高空探测系统功能规格需求书中国气象观测网
附件1
北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统
功能需求书
中国气象局综合观测司
二〇一二年九月
前言
为规范北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统的研制和生产，中国气象局综合观测司组织中国气象局气象探测中心编写了《北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统功能需求书》。
本需求书针对综合应用北斗和GPS导航卫星双模的高空气象观测体制，主要提出了系统的总体要求、结构与组成、基本功能、技术性能。
系统的研制、生产和使用必须遵从本功能需求书。
本功能需求书解释权归中国气象局综合观测司。
目录
1总体要求1
2系统组成1
2.1探空仪2
2.2地面信号接收和处理设备3
3系统功能3
3.1探空仪3
3.2地面信号接收和处理设备4
3.3软件系统4
3.3.1放球操作5
3.3.2探空数据处理5
4技术性能及其指标要求5
4.1工作频段5
4.2观测范围6
4.3测量范围和最大允许误差6
4.3.1探空仪定位6
4.3.2风矢量速度6
4.3.3气温6
4.3.4相对湿度6
4.3.5气压6
4.3.6风向7
4.3.7风速7
4.4探空仪7
4.4.1结构要求7
4.4.2测量传感器8
4.4.2测风模块8
4.4.3发射机8
4.4.4数据传输速率9
4.4.5电池9
4.5地面信号接收处理设备9
4.5.1天线类型9
4.5.2天线抗风能力9
4.5.3接收灵敏度9
4.5.4电源9
4.5.5电源适应性9
4.5.6接收设备与天线距离9
4.5.7计算机9
4.5.7连续工作时间10
4.6探空仪检测箱10
4.7可靠性和维修性10
4.7.1可靠性10
4.7.2维修性11
4.8电气安全性11
4.9电磁兼容性11
4.10环境适应性12
4.10.1工作环境12
4.10.2系统贮存环境12
4.10.3运输和振动12
4.11软件系统13
4.11.1动态链接库调用13
4.11.2放球操作15
4.11.3探空数据处理16
5技术文件和资料19
1总体要求
北斗-GPS高空气象观测系统应集成北斗和GPS导航双模测风体制，能够按照《常规高空气象观测业务规范》要求，完成高空气象观测任务，总体要求包括：
系统能在恶劣天气环境中完成正常探空业务。
系统采用通用化、系列化、组合化设计，降低系统的复杂程度。
系统安装、调整、标定和校正方便，维修维护简便易行。
系统须选用合格的耐老化、抗腐蚀、电气绝缘的材料和元器件，材料和元器件须经过严格检验和老化筛选处理，并采用降额使用的方法提高可靠性。
系统的焊缝整齐平滑，无焊渣、气孔，铆接牢固、可靠，无歪斜、松动，连接件、紧固件无锈、无损、无松动、无变形等缺陷，结构件的表面须经涂、敷、镀等工艺程序，具有耐潮、防霉、防盐雾等性能。
系统软件设计符合相关标准要求，软件结构便于修改和维护，操作界面简明，方便使用，易于学习。
系统各部件颜色应协调，不应有影响读数和观察的缺陷。
软件系统要求运行稳定、可靠，界面直观友好，操作简便快捷，自动化程度高，允许人工介入各种处理过程，提供强大的数据恢复、备份、联网能力，输出的气象产品能够满足业务要求。
数据处理方法严格遵循中国气象局的《常规高空气象观测规范》，在生成常规业务产品的基础上，满足其它业务和科研的观测数据产品需求。
2系统组成
北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统由北斗GPS导航测风探空仪（以下简称探空仪）、地面信号接收处理设备和探空仪检测箱三部分组成，如图1所示。
其中各部分具体组成如下：
2.1探空仪
探空仪由包括北斗-GPS信号接收和处理电路模块（测风模块）、温度和湿度测量元件、信号采集和转换模块及数字编码和调制模块（内嵌气压传感器）、发射机和电池等组成。
具体如图2所示：
2.2地面信号接收和处理设备
地面信号接收和处理设备包括探空仪信号接收和解调单元、导航卫星信号接收机、数据终端处理单元、传输接口、探空仪检测箱等。
采用在线UPS电源与市电一起不间断供电。
其组成用图3表示。
其中，探空仪检测箱所采用的温度和湿度标准器为铂电阻通风干湿表，气压标准器采用硅压阻压力传感器。
检测箱用电机带动风扇形成气流循环，为保证测试室温度、湿度的稳定性和均匀性，整个风道为上下型回流式风洞结构，其测试室和湿度控制室分别置于环形通风道的上、下面。
3系统功能
3.1探空仪
3.1.1温湿度测量。
探空仪温湿度测量元件安装在探空仪盒体伸出的支架上，温度、湿度测量元件的测量数据通过数据采集模块应能转换为数字信号送至信号编码调制模块。
3.1.2气压测量。
北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统主要采用卫星定位测量高度反算气压，为满足用户精细化探测的需求，搭载气压传感器，同步从地面至100hPa进行观测。
3.1.3探空仪校准信息。
存储于探空仪的器件中，并在地面基测时传送给地面接收终端。
3.1.4风及空间位置的测量。
探空仪由安装在探空仪上的测风模块接收和处理北斗-GPS导航卫星定位信息，并接收卫星时间信息、卫星位置信息和卫星信号状态信息等，实时确定探空仪飞行轨迹上每秒间隔的三维坐标和三维速度，相关信息通过编码调制模块传送给发射机发回地面，经地面信号接收和处理设备进行后续计算。
3.1.5信号传输。
发射机将经过调制的载波信号通过功率放大器放大，经发射天线将放大后的射频信号向地面接收处理设备发送。
3.2地面信号接收和处理设备
3.2.1地面信号接收处理设备通过探空仪信号接收天线、探空信号接收和解调装置，接收和解调探空仪发射信息，获取以下信息：
（1）探空仪随施放时间变化的三维坐标和三维速度；
（2）探空仪传感器测量到的温度、湿度和气压原始数据，以及探空仪状态信息原始数据。
3.2.2地面信号接收处理设备通过导航卫星接收天线接收导航卫星定位信息，获取地面信号接收和处理设备的位置信息和时间信息；
3.2.3数据终端处理单元采用高档微机，其配置满足信号接收、数据存储及处理需求，接口通用。
通过搭载软件系统，实现探空数据编辑、报文产品生成等功能，并通过I/O接口及附属设备，实现人机交互以及产品显示和传输等功能。
3.2.4地面信号接收处理设备配有探空仪检测箱，用于探空仪施放前的基值测定，以判定探空仪的测量性能是否合格，并对合格的探空仪提供温度和湿度修正值，同时提供反算气压用的地面基准气压值。
3.2.5地面信号接收处理设备有维修检查接口及维修调试软件，故障隔离到电路板级；具有故障自检和报警功能，能在显示器的窗口画面上显示故障类型和故障部位。
3.3软件系统
软件系统功能主要包括放球操作和数据处理功能。
具体如下：
3.3.1放球操作
3.3.1.1根据《常规高空气象观测业务规范》要求，具有地面信号接收处理设备对台站参数、地面参数、设备参数等设置和参数调用功能。
3.3.1.2具有地面信号接收处理设备操作、运行状态监控功能。
3.3.1.3具有探空仪信号接收、解调和计算机自动预处理（粗大误差自动剔除、自动数据插值替换、数据误差订正、数据平滑等数据预处理）功能。
3.3.1.4根据《常规高空气象观测业务规范》要求，具有包括温度、湿度、气压、高度、风向风速、探空仪状态信息、卫星定位信息等的图形和数字显示功能，支持实时人工数据编辑和人机互动。
3.3.1.5具备数据安全保护功能，能定时备份存储数据，并在系统“死机”时支持系统重启后恢复放球操作。
3.3.1.6根据《常规高空气象观测业务规范》要求，在探空完成后将经处理（自动预处理和人工二次处理）后的观测数据，形成标准数据文件。
保存未经订正处理的、经过预处理的和进行了人工二次处理的所有数据；
3.3.2探空数据处理
针对经动态链接库预处理和人工二次处理后的标准数据文件，根据《常规高空气象观测规业务范》中的数据处理方法对探空数据进行显示、删除、修改、处理等工作，软件还应提供人机交互手段，操作员能够以人工介入的方式处理各种数据，在此基础上生成要求的报文，并完成文件打印和上传。
具体功能包括
3.3.2.1对标准数据文件的秒数据和相关参数信息进行再次编辑处理功能。
3.3.2.2针对3.3.2.1编辑处理后的数据进行探空数据处理和产品生成。
3.3.2.3报表生成和数据通信功能。
3.3.2.4图形显示功能。
3.3.2.5打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等辅助功能。
4技术性能及其指标要求
4.1工作频段
P波段（401MHz～406MHz）及其他气象仪器可用频段。
频谱应与GNSS兼容。
4.2观测范围
最大观测高度：
≥36km；
最大观测斜距：
≥200km。
4.3测量范围和最大允许误差
4.3.1探空仪定位
测量高度范围：
0～36km
水平最大允许误差：
±10m；
垂直最大允许误差：
±20m。
4.3.2风矢量速度
测量高度范围：
0～36km
水平分量（南北和东西）最大允许误差：
±0.2m/s。
4.3.3气温
测量范围：
+50℃～-90℃；
最大允许误差：
50℃～-80℃：
±0.2℃；
-80℃～-90℃：
±0.3℃。
4.3.4相对湿度
测量范围：
0～100%RH；
最大允许误差：
±3%RH。
4.3.5气压
采用导航卫星提供的高度计算以及气压传感器观测两种方式联合观测，高度反算气压时以探空仪检测箱提供的地面气压值为基准点计算气压值。
高度反算气压：
测量范围：
1060hPa～1hPa，
最大允许误差：
具体见表1。
气压传感器观测（用户可选项）：
指标应用范围：
1060hPa～100hPa
最大允许误差：
１hPa
表1高度反算气压指标
高度（km）
位势高度最大允许误差（gpm）
气压最大允许误差（hPa）
1
15
1.5
3
15
1.5
6
20
1.5
10
30
1.5
16
60
1
20
100
1
24
100
0.5
32
120
0.2
4.3.6风向
测量高度范围：
0～36km
测量范围：
0°～360°；
最大允许误差：
±3°（风速大于3m/s）。
4.3.7风速
测量高度范围：
0～36km
测量范围：
0～150m/s；
最大允许误差：
±0.3m/s。
4.4探空仪
4.4.1结构要求
4.4.1.1探空仪测量元件的安装应牢固、可靠,探空仪处于水平、垂直、倒置、旋转运动时均应能保持其测量性能。
4.4.1.2湿度测量元件安装在防护罩里,以防止雨滴、云滴的溅落和太阳直接辐射。
防护罩内通风应良好,元件所在位置应与外界环境条件一致。
4.4.1.3探空仪盒具有保温功能，在整个施放持续时间內，盒内电路板和元器件的温度不低于－25℃，不高于50℃。
4.4.1.4探空仪的外壳应采用暗光材料，以减少对温度测量元件的辐射；其系留支撑应有足够的强度，以免施放时或飞行过程中被拉断。
4.4.1.5探空仪在移动、运输、贮存过程中应对探空仪盒采取有效保护。
在施放时温度和湿度测量元件支架能伸展到规定位置并被锁定,测量元件支撑在探空仪盒的上方,与盒的轴线保持适当的夹角,其距离使测量元件少受探空仪表面辐射热的影响。
4.4.1.6探空仪盒应方便装放探空仪；为检查、调节探空仪所开的观察、调节孔在操作完毕后应能方便地覆盖。
4.4.2测量传感器
温度、气压和湿度测量元件测量性能应符合4.3.1～4.3.5的要求；其综合输出值应为数字量。
4.4.2测风模块
4.4.2.1测风模块应为GPS和北斗双模接收解算模块，至少应具有同时接收和处理12颗北斗卫星和12颗GPS卫星信号的能力，并能将其规定参数发回地面，以便进行卫星位置显示；数据采集部件应预留不少于两个数字或模拟通道。
4.4.2.2测风模块应具有根据卫星信号质量优选出四颗以上用于对探空仪定位卫星的能力，并能将被选卫星以其他卫星不同的标志发回地面。
4.4.2.3测风模块的输出应为数字量，并应能与探空仪的信息兼容，以便与探空仪信号一起排序对发射载波进行调制。
4.4.2.4测风模块的工作性能应符合以下要求：
（1）冷启动定位时间：
≤3min；
（2）热启动定位时间：
≤1min
（3）重新获捕时间：
≤1s；
（4）数据更新时间：
每秒一次。
4.4.3发射机
4.4.3.1发射频率连续可调，步进1kHz。
探空仪应提供相应串口由地面接收终端发送指令进行频率设置；
4.4.3.2平均发射功率：
120mW～200mW；
4.4.3.3发射体制：
连续载波数字调频GFSK；
4.4.3.4发射谱宽：
≤50kHz（－50dBc）；
4.4.3.5载波频率温度稳定性：
探空仪在温度－90℃～50℃变化条件下，中心频率允许偏移≤20kHz；
4.4.3.6发射时间间隔：
每秒一次。
4.4.4数据传输速率
2400bps。
4.4.5电池
采用干电池供电，放电持续140分钟，不低于规定电压最小值（工作状态，温度－30℃）。
4.5地面信号接收处理设备
4.5.1天线类型
观测系统的地面信号接收处理设备应采用全向天线，无伺服系统，天线应置于天线罩内，以防止大风和锈蚀。
4.5.2天线抗风能力
天线（探空仪信号接收天线和导航卫星信号接收天线）在风速30m/s时应能正常工作，阵风50m/s时没有永久性变形。
4.5.3接收灵敏度
优于－115dbm（载噪比为12dB时）
4.5.4电源
地面信号接收处理设备应配有在线式UPS电源，维持系统工作时间不低于2小时。
4.5.5电源适应性
电源电压单相220V、频率50Hz，在电源电压变化＋10％～－15％，频率变化±3％时，系统能正常工作。
4.5.6接收设备与天线距离
地面信号接收处理设备天线（探空仪信号接收天线和导航卫星信号接收天线）与室内分机的连接电缆长度不小于50m。
4.5.7计算机
地面信号接收和处理设备数据终端为高档微机，用于完成地面接收和处理系统控制、探空信号接收和解调、人机交互、产品数据处理和显示，并用于设备运行状态监测和报警，符合以下要求：
（1）硬件基本配置
CPU：
PentiumM2.6GHz；
内存：
2GBDDRDRAM；
硬盘：
250G/7200/SATA2；
集成主板：
2×USB；RJ45LAN接口；
显示器：
19″LCD；
安装结构：
19″2U机架。
（2）系统环境
操作系统：
WindowsXP中文版或Windows7，及其后续视窗操作系统；
开发环境：
MSVC++6.0以上；IE6.0以上浏览器。
（3）软件配置
安装且能稳定运行北斗-GPS导航卫星高空气象观测软件系统。
4.5.7连续工作时间
≥24小时。
4.6探空仪检测箱
探空仪检测箱按照《电子探空仪地面检测箱功能需求书》的功能和技术要求执行。
4.7可靠性和维修性
4.7.1可靠性
4.7.1.1观测系统各部分所用的电路元器件和测量器件应经过老化筛选，并采用降额使用的方法提高可靠性。
4.7.1.2整机所用电子元器件的可靠性指标应符合相关手册的要求，没有可靠性指标的电子元器件不应采用，探空仪、地面信号接收处理设备和探空仪检测箱设计时的可靠性预计值至少应大于技术指标规定值的三倍。
4.7.1.3探空仪的贮存时间为24个月，在储存有效期内，其失效率λ≤0.10。
4.7.1.4地面信号接收处理设备的连续工作时间应不小于24h，平均故障间隔次数（MTBF）≥20次。
4.7.1.5探空仪检测箱的连续工作时间应不小于30min，平均故障间隔时间MTBF（
）应不低于1000h；
4.7.2维修性
4.7.2.1承制方应提供维修手册，其内容包括：
（1）工作原理和结构概述；
（2）电气原理图、装配图和元件明细表；
（3）常见故障和排除方法；
（4）测量元件更换和校准方法。
4.7.2.2观测系统的设计应遵循维修可达性、方便性和快速性原则；尽量采用积木式结构和标准化、具有互换性的部件提高维修性水平。
4.7.2.3采用设置测试点的方法减少维修中查找故障的时间，故障平均修复时间MTTR应不超过30min。
4.8电气安全性
4.8.1观测系统的所有仪器、设备的电气、电子器件、组件的连接应牢固，在运输和搬运时不应有接触或碰撞的可能。
4.8.2地面信号接收处理设备和检测箱外壳带电应不超过36V；电源线与机壳之间的电阻在室内正常环境条件下应大于10
在湿热环境条件下应不大于2
。
4.8.3地面信号接收处理设备的天线支架和外壳应配有接地线，接地电阻应不大于4
。
4.9电磁兼容性
系统的电磁兼容性设计满足GJB151A要求。
包括采用综合有效措施抑制系统自身产生和来自周围环境的电磁干扰；对市电电源采取滤波和抑制措施，防止电源波动和脉动干扰；保证系统各组成单元在预定的电磁环境中协调工作。
4.10环境适应性
4.10.1工作环境
4.10.1.1探空仪
高温：
50℃；
低温：
-90℃；
湿热：
95（35℃）；
淋雨：
可承受直接降水；
气压：
1060hPa～5hPa。
4.10.1.2地面信号接收处理设备
高温：
室外部分50℃，室内部分30℃；
低温：
室外部分-40℃，室内部分－10℃；
湿热：
95%RH（35℃）；
低气压：
不低于650hPa。
4.10.1.3探空仪检测箱
高温：
40℃；
低温：
10℃；
湿热：
90%（35℃）；
低气压：
不低于650hPa。
4.10.2系统贮存环境
低温：
-50℃
高温：
60℃。
湿热：
95%RH（40℃）。
4.10.3运输和振动
4.10.3.1振动
用振动试验设备，加速度29.4m/s2，频率10Hz～20Hz，持续时间30min。
4.10.3.2运输
用模拟运输试验台，加速度29.4m/s2，频率4Hz，持续时间2h。
4.11软件系统
软件系统界面及功能设计统一，系统调用各型号探空仪承制方提供的用于解算探空仪所测气象信息和地面信号接收处理设备控制的专用数据解析动态库，以供地面信号接收处理设备的控制和探空仪信号接收解调，在此基础上，完成放球操作和探空数据处理。
具体要求如下：
4.11.1动态链接库调用
软件通过对动态链接库调用实现探空系统放球操作，对专用数据解析动态库要求具体如下：
4.11.1.1探空系统的专用数据解析动态库以打包的形式调用，其输出格式和波特率应符合高空气象观测业务应用软件输入输出接口的规定。
4.11.1.2接收的探空仪数据包括温度、气压、湿度、导航卫星对探空仪的定位数据和状态信息监控数据等应进行同步接收，并在信号到达解析动态库的瞬时加入数据处理计算机给出的时间，数据间隔应不大于1.0s，时间数据至少应提供一位小数。
4.11.1.3应完成探空仪气压、温度、湿度观测数据接收、粗大误差自动剔除、自动数据插值替换、数据误差订正、数据平滑等数据预处理,同时，能够输出未进行处理的原始探空数据。
4.11.1.4应具备根据卫星状态信息数据对测风数据进行自动剔除的功能。
4.11.1.5解析动态库输入应为99Byte的二进制码，要求探空仪按照观测数据和校准数据两种编码格式发送，具体格式见表2和表3；波特率为2400bps。
4.11.1.6能解析软件对地面信号接收处理设备功能调用，包括天线控制、地面定位信息信号调用等。
表2探空仪观测数据编码格式
字节位置
定义
说明
１－４
码组标识符
帧头
５－８
采集板编码
探空仪识别码
9
数据包标识
0：
探空仪校准数据，1：
观测数据；
10
UTC时间:
小时
Hour
11
UTC时间:
分钟
秒数据为0~599（扩大10倍），占10位，需要与分钟的字节合并，分钟为0~59，占6位，将秒的2位移至分钟的第7~8位上。
12
UTC时间:
秒
13
定位状态
0/1
14-17
经度
-πtoπ（正数表示东经，负数表示西经）
18-21
纬度
-π/2toπ/2（正数表示北纬，负数表示南纬）
22-25
海拔
0~600000（比例因子是10）
26-27
北向速度
比例因子为100，分辨率为0.01m/s，范围是-327.68m/s到327.67m/s。
28-29
东向速度
30-31
垂向速度
32
卫星数
接收到卫星数（GPS+BD最多24）
33
HDOP
定位精度因子（饱和值为25.5，即如果大于25.5时，输出值为25.5。
其比例因子是10）
34
卫星状态信息包编号
状态信息包编号和参与解算卫星数（暂定分8组））
35-46
卫星状态信息
一组3个卫星，每组4字节（包括卫星号、是否参与计算、载噪比、仰角和方位）。
47-66
PTU数据
67
电压监控
电池电压等
68
盒内温度监控
69-85
预留
预留16字节
86-97
校验预留
98-99
校验和
字尾（16比特校验和为无符号短整型数，其为所有信息字节（包括帧头）求和，忽略超出16位的进位和溢出。
低字节先发，高字节后发。
）
注：
1）字节34-卫星状态包编号表示本数据包中卫星状态信息的编号（3bit），从0开始，要发送24颗卫星的状态信息，则该编号为0～7；以及参与解算卫星数（5位）；
2）字节35-46卫星状态信息中，共三组，每组四字节，第一字节中7bit表示卫星号（其中GPS的卫星号为1～32，北斗2的卫星号为实际卫星号＋50。
），第8个bit代表该颗卫星是否参与计算，参与计算则为1，不参与计算则为0；信噪比占用1个字节；方位和仰角信息合并占用2个字节，仰角最大为90，占用7bit，方位角最大为360，占用9bit，需要将方位角的1个bit移至仰角所占字节中。
3）字节9数据包标识为探空仪发射两种状态的标识，0为探空仪校准数据传送给地面终端的格式；1为探空仪观测数据传送给地面终端的格式。
4）HDOP（HorizontalDilutionofPrecision）：
水平定位精度因子。
是描述水平坐标精度的误差程度，值为纬度和经度误差平方和的开根号值，值越小定位精度越高，最准确时精度近似1，
表3探空仪校准数据编码格式
字节位置
定义
说明
1-4
码组标识符
帧头
5-8
采集板编码
探空仪识别码
9
数据包标识
0：
探空仪校准数据；1：
观测数据
10-97
探空仪校准数据
98-99
校验和
字尾（16比特校验和为无符号短整型数，其为所有信息字节（包括帧头）求和，忽略超出16位的进位和溢出。
低字节先发，高字节后发。
）
4.11.2放球操作
软件通过调用动态链接库实现对地面信号接收处理设备的控制和探空仪信号接收、解调和预处理，在此基础上根据《常规高空气象观测业务规范》要求，完成放球操作，具体要求如下：
4.11.2.1具有台站参数设置、地面参数设置、设备参数设置、启动设备、天线控制等。
4.11.2.2自动接收和处理探空仪序列号和校
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