探空系统简介

三、GPS探空系统简介

新一代GPS探空系统，采用数字化测量电路测量大气温、压、湿，并运用GPS测量大气风向、风速。采用GPS技术实现气象探空，能够大大提高气象探空的准确性，降低地面接收系统的成本，提高气象探空系统的自动化程度。

1.GPS探空仪系统组成

GPS探空仪系统结构如图6.1所示，由两部分组成：球上设备和地面设备。

图6.1　GPS探空仪系统结构框图

球上设备由PTU数据处理单元、GPS单元、通信单元三部分构成。PTU数据处理单元由单片机和测量电路构成，完成数据采集、处理、传输。既可以测量电阻感应元件，又可以测量电容感应元件；GPS单元用于接收GPS卫星信息，提供气球的位置信息（经纬度、高度）和时间信息；通信单元用于接收PTU数据和GPS数据，进行编码、合成，将数字信息进行FSK调制，转变成射频信号，发送给地面接收系统。

地面设备由通信单元、基站GPS处理机、终端数据处理和指示单元等三部分构成。通信单元接收探空仪发射的射频信号，解调出数字信息进行解码，输出为GPS通道数据以及PTU测量数据（温、湿、压）；基站GPS处理机对接收的球上GPS通道数据进行处理，接收基站GPS位置数据；终端数据处理单元由计算机、打印机、调制解调器组成。计算机收集探空仪发来的数据和基站位置数据，对信息进行预处理，显示温、压、湿数据，对测风信息进行处理，解算出风向、风速数据。调制解调器用于通过电话线路与气象计算机网络通信，传送探空数据。

2.GPS探空仪测风原理

GPS技术测风采用定位方式，首先测量GPS卫星到接收机的距离（伪距），卫星的位置（即轨道）是已知的，可列出方程：

［（x－x_i）²＋（y－y_i）²＋（z－z_i）²］1/2＝R_i（i＝1，2，3，4…）

其中：x_i，y_i，z_i是第i颗卫星的坐标，R_i是t时刻第i颗卫星到接收机的距离，只要有3颗卫星就能计算出接收机所在的位置，但在实际应用中，由于接收机时钟与卫星上时钟的偏差，常常用4颗或4颗以上卫星的资料计算探空仪在特定坐标系中的坐标，即定位。然后通过探空仪位置的变化计算风向风速。探空仪在上升过程中相邻两点相对于基站的坐标分别为（x₁，y₁，z₁），（x₂，y₂，z₂），则实际风向和风速为：

θ＝arctg［（y₂－y₁）/（x₂－x₁）］

v＝sqrt［（x₂－x₁）²＋（y₂－y₁）²］/t

其中t为探空仪从该点运动到相邻点所需的时间（这里要考虑探空仪的地理坐标和空间直角坐标之间的换算）。

3.GPS探空仪测风的实现

GPS探空仪测风系统由GPS无线电探空仪、地面GPS接收机和接收天线、GPS卫星观测网以及计算机数据处理系统四部分组成。GPS卫星可以准确确定GPS探空仪在背景流场中的三维数据和运动速度数据，然后经过坐标变换、差分GPS等处理，得到三维直角坐标系中的位置和速度数据，从而计算高空风的风速、风向，达到对高空风测量的目的。

4.GPS探空仪数据传输方式

探空数据通过数传电台实现数据的有效传输。数传电台在发射效率和抗干扰能力方面都优于模拟电台，应用数传电台使得探空的距离和有效数据的获得都得到明显的提高。

5.GPS探空仪系统参数

探空仪总质量：300g。系统的数传单元参数为频率407MHz（探空用频点）；功率：300mW；供电：干电池（空中），蓄电池（地面）。基本探测技术参数见表6.1。

表6.1　　　　　　　　GPS探空仪基本技术参数

6.GPS探空系统精度对比

目前世界各国都没有关于探空仪标准体系，世界气象组织只组织各成员国定期进行系统比对，将各国业务用探空仪分组集中挂在同一气球上实际施放，主要参考芬兰维萨拉公司生产的探空系统，得到相对修正系数供各成员国参考。

中国气象科学研究院研制开发的GPS探空仪在北京与维萨拉生产的探空仪同球施放进行了对比试验，试验结果见图6.2。图中浅灰色曲线是维萨拉探空仪的数据，深灰色的是气科院GPS探空仪的数据。对比结果表明GPS探空仪与维萨拉探空仪探空风速数据拟合很好、效果不错。

图6.2　GPS探空仪与维萨拉探空仪风速对比结果