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1、1地基地基 GPS/METGPS/MET 建设浅谈建设浅谈刘朝晖1，陈益玲2（1. .山东省气象中心，山东 济南 250031；2. .山东省气象局，山东 济南 250031）摘要：简要介绍了 GPS/MET 的观测原理和国内外发展状况，并从 GPS/MET 站点布设、设备选型以及基础设施建设等几个方面介绍了地基 GPS/MET 建设过程中应该注意的问题，对台站建设GPS/MET 具有指导意义。关键词：关键词：地基；GPS；水汽；监测引言地基 GPS（Global Positioning System）遥感大气技术是近年来迅速发展的一项新型大气探测技术，它具有常规大气探测所没有的探测精度高、时
2、间分辨率高、经济高效等特点，对提高天气预报（特别是灾害性天气预报）准确性、研究全球大气水汽和电离层电子浓度分布等有着十分重要的意义，因此，越来越多地被应用到气候监测分析、空间天气监测预警、人工影响天气、中尺度数值预报等领域。为进一步规范 GPS 大气水汽监测系统（以下简称 GPS/MET）的建设，下面简要介绍地基GPS/MET 的探测原理和国内外发展现状，并结合全国各省(区、市)气象局 GPS/MET 建设经验，重点就地基 GPS/MET 建设中站点布设、设备选型以及基础设施建设等问题进行说明。1 探测原理GPS/MET 根据 GPS 接收机所在空间位置，大致可分为地基、山基和空（天）基 GP
3、S/MET，其探测原理不完全相同。地基 GPS 遥感大气技术的原理是利用地面接收设备接收 GPS 卫星信号，通过计算，消除信号传输过程中电离层、静力作用等对 GPS 信号产生的延迟，获得大气水汽对 GPS 信号产生的湿延迟，从而反演出大气可降水量。因此，地基 GPS/MET 能够不受降水和云层的影响，进行常年全天候的连续观测，且具有硬件集成化程度高，操作、维护简单等特点，由于其采样时间间隔较常规探空业务有很大提高，弥补了探空资料时空分辨率低的问题。2 国内外建设情况21 国外建设情况地基 GPS/MET 技术从上世纪八十年代发展以来，伴随 GPS 技术的迅速发展，得到广泛的应用。美国、日本等国
4、家是较早将 GPS 技术投入大气水汽探测应用的国家。目前，美国建有由 1000 个地基 GPS 站组成的 GPS/MET 观测网，已准业务运行，该网由多个小网组成，分别由美国海洋大气署、运输署、海岸警卫队等多个部门负责各自网的运行与维护。日本建有 1200 个地基 GPS/MET 站并组成全国 GPS/MET 观测网，由日本国土地理院负责观测网的运行与维护，在各部门内资源数据共享。22 国内建设情况上世纪九十年代后期，我国就开始利用空基、山基和地基 GPS 信息反演大气参数方法的研究，并多次开展 GPS/MET 组网试验，中国气象局也先后组建了河北、北京等 GPS/MET 业务试验网。2二十一
5、世纪以来，为满足不断发展的地方经济建设需求，各省（区、市）气象局也陆续开始建设本地的 GPS/MET 观测网，如上海市建成 19 个地基 GPS/MET 站组成区域小网；深圳市建成 10 个地基 GPS/MET 站组成小区域网；香港特别行政区建成 12 个地基 GPS/MET 站组成小区域网等。截至2005 年底，我国气象部门建成（包括与测绘、地震、交通等部门合作建设，测站地点选在气象部门的）并投入运行的 GPS/MET 已超过 50 部；根据中国气象局 2005 年制订全球导航卫星系统空间大气探测基准站网建设规划（初稿） ，到 2010 年，将在我国建成由 300 个站组成的覆盖全国的国家地
6、基 GPS/MET 探测网。3 站点的选择和布点地基 GPS/MET 是通过测量 GPS 信号在大气中的湿延迟量来遥感大气中的水汽总量，站点观测到的大气可降水量（PWV）是以站点为顶点，高度角 15（或 10）的倒锥体内的水汽平均，因此，站点应尽量选择视野开阔、高度角 10以上天顶范围无遮挡的地点，台站可参照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进行选址。单站 GPS/MET 输出的产品主要是观测范围内水汽随时间变化的曲线，而 3 个以上的 GPS/MET 站即可组网形成覆盖范围内的水汽分布图，因而，组网后的 GPS/MET 更能够发挥建设效益。组网观测应根据建设单位对水汽观测数据
7、的处理需求，合理选择站间距，针对天气尺度的观测网站间距建议为 150-250km，针对中尺度天气的观测网的理想站间距建议为 30-50km，也可以考虑布设更小尺度天气的观测网；时间分辨率一般以 0.5-1 小时为宜。同时，站点的布点还要考虑当地的气候情况，当地强对流天气的主要路径上要加密布点。4 设备的选型单站 GPS/MET 主要由卫星定位系统接收天线、观测墩、卫星定位系统接收机、计算机、通讯设备、气象设备、电源设备等组成，若进行组网，则还需建设数据通信网络、数据处理中心等。目前，国内气象部门所使用的地基 GPS/MET 设备主要有美国天宝（Trimble） 、美国拓普康（Topcon） 、
8、瑞士徕卡（Leica）等厂家的产品。GPS 水汽监测系统设备价格约 10-20 万元不等,单站 GPS/MET 的年维持费用约为 3 万元左右。在选择设备时，要重点考察以下内容：41 接收机及天线的工作条件一般 GPS 接收机具有在-40+65、湿度小于 95%、电压 200240v 交（直）流电的环境下正常工作的能力；天线具有在-40+75、湿度小于 100%的环境下长期正常工作的能力。在选择设备时应优先考虑工作条件符合测站环境的设备。42 设备的性能指标目前虽已具有单双频混合组网监测技术，但由于单频接收机只能接收 L1 载波信号，不能有效消除电离层延迟影响，而双频接收机可以同时接收 L1、
9、L2 载波信号，利用双频对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此在选择设备时，建议尽量采用双频接收机。GPS/MET 建设前，要按照全球定位系统 GPS 测量型接收机检定规程 （CH8016-95）的要求3对接收设备进行检定，符合要求后方能投入建设。43 通信方式及通信格式接收机应具有 3 个以上的数据通讯接口，包括 RS232、USB 或其他端口，以便进行远程控制；能够输出 RINEX 格式的观测数据、导航数据以及 RTD（Real Time Differential）/RTK（Real Time Kinematic）差分修正数据等。44 接收机内存容量接收机应具备足
10、够大的存储介质或内存存储 GPS 数据，一般要求存储介质或内存的存储容量应达到 256M，且必须具有防掉电功能；接收机应能进行连续观测，即当内存数据溢出时应具备自动覆盖功能，数据下载时仍能进行连续的卫星跟踪。45 设备的兼容性为适应卫星定位系统的不断发展，所选择的设备应具有较强的兼容性，能够兼容其他卫星信号或具备接收 GPS 载波上其他新增信号的能力。46 接收机天线的性能选择天线时，应尽量选择具有较强的抗多路径效应，在电离层活动或无线电干扰较强时仍能正常工作的天线，如双频扼流圈天线或带有抑径板的天线等。47 输入和记录气象数据地基 GPS/MET 应具备连接外接设备的能力，通过数据电缆，可将
11、自动气象站等气象观测设备的数据直接存入 GPS 数据库中，并可通过软件显示。48 状态监控设备应提供接收机的工作状态及卫星跟踪状态信息；如：卫星运行状态、跟踪卫星数目、信号状态、信噪比、观测历元数、电压状态、剩余存储空间等等。49 后处理软件地基 GPS/MET 后处理软件应能够在 Windows98 以上操作系统下工作，对计算机硬件的要求应该符合当前市场基本配置的要求。5 基础设施建设过程中应注意的问题5.1 天线墩的建设天线墩的建设应符合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要求，在选定建设地点后，要首先向当地测绘或地质部门联系，了解天线墩位置地表到基岩的深度，对拟建设天线的
12、位置进行地质勘测，提供该位置的地形地貌、地层土质、地下水的有关情况以及工程地质剖面图，分析土壤类型及承重能力，然后根据地质情况设计天线墩。天线墩的设计要结合当地的地质结构（特别是基岩深度）和气候状况，还要考虑安装强制对中标志、预埋电缆管道、铺设防震槽并进行防雨处理。建设天线墩要尽量避开冻土期。5.2 观测室观测室的面积一般不得小于 10 平方米，要求地基牢固，室内通风，同时应具有防震、防火、防潮、防漏、防锈蚀、防风沙和隔热避雷能力。为满足业务需要，观测室内应配置工作台、计算机4桌、集成柜等设施，要求布局合理，使用方便。由于接收机要放置在集成柜内，因此集成柜应具有设备散热的能力。所配工作台、计算
13、机桌应充分考虑电脑及仪器设备的散热空间、通信口（包括电源、鼠标、信号线等） 、键盘等的位置。5.3 供电系统科学、安全的供电系统是保障设备正常运行的关键，建设地基 GPS/MET 时，要同时配备独立供电且电压稳定的供电系统，在无市电情况下，台站要能够启动应急供电系统，因此需采用双路供电；电源配电箱和仪器设备均应安装电源防雷器。为保证观测业务的正常运行，系统配备的 UPS 电源应保证在市电中断时接收设备和计算机不少于 10 小时的供电。5.4 雷电防护在建设地基 GPS/MET 时，还要做好接收设备及观测室的雷电保护工作，按照建筑物防雷设计规范 （GB 50057-94）和电子设备雷击保护导则 （GB 7450-87）的标准进行设计、施工，确保地基 GPS/MET 的正常运行。6 结语目前，通过一个地面接收设备可接收多个 GPS 卫星信号的特点，已能够利用倾斜路径水汽总量的监测技术测量测站不同方向的水汽，研究测站周围水汽分布的非均匀特征，并通过层析技术(CT)得到区域水汽的三维空间分布，因此，地基 GPS/MET 在改进数值预报方法、灾害性天气监测预报、空间电离层天气监测和预报预警等方面具有广阔的应用前景。收稿日期：2006-02-14作者简介：刘朝晖（1968-） ，男，山东济南人，工程师。
