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1、地基 GPS/MET 站采集系统功能规格需求书中国气象局二OO九年九月目录前言 11 技术原理和特点 12 地基 GPS/MET 站采集系统组成 33 系统功能要求 43.1 GPS 接收机功能 43.2 GPS 接收机天线的基本要求 43.3 气象传感器的功能 43.4 地基 GPS/MET 站采集系统外场环境要求 53.5 硬件设备安装 53.6 对通信系统的要求 53.7 对软件系统要求 63.8 计算机 63.9 电源 63.10 防雷 64 地基 GPS/MET 站采集系统技术参数 74.1 接收机和天线性能指标及要求 74.2 气象传感器性能指标及要求 94.3 数据文件 105
2、设备的检测和评估 105.1 零基线测量 105.2 超短基线检测 115.3 中程基线（50-100 公里）检测 115.4 周跳 115.5 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
3、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
4、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：PZ 二(2.2279 土 0.0024)mmhPa一1o_hf a, h)其中 P 为地面气压(hPa), f (X, H)二(1 - 0.00266cos(2 九)-0.00028H)，九为地理0纬度，H为海拔高度(km)。从总天顶延迟中减去静力延迟 Z 而得到湿项延迟 Zw ，其数值大约为 h0-40cm。站点的整层水
5、汽含量可以通过以下公式计算得到：pw=n-zW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-1n=1063 + k7 2丿mR = 461.495J /(kg - K)，为水汽的气体常数。 vk = k - m k2 2 1m 为水汽和干空气的分子量比k ,k ,k源于大气折射率N的表达式:123(P )7 P )7 P )d + kv + k -vI T丿2I T丿3 T2丿N=k1P和P分别为干空气和水汽的分压。T为绝对温度。 dvTm 为一个加权平均温度，按如下公式定义：J (P / T)dzf (P /T2)dzvP为水汽的分压，T为温度，积分沿着整个大气垂直路径。参数T
6、虽vm然随积分地区而变化，但可通过地面温度(T )的观测来估算：sT = a + b - Tms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
7、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3.1 GPS 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LI、L2波段的载波相位数据、C/A码、P码伪距。3.2 GPS 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
8、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
9、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
10、小于IO-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
11、 电源地基GPS/MET站采集系统使用交流电源，电压：220V (+10%- 40% )频率：50 Hz10%,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。6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
12、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
13、.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
14、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+ 65C的环境下能长期连续正常工 作；存储温度：一40oC+ 70oC。4.1.15, 工作湿度：在相对湿度 W 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 240V4
15、.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。8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
