基于北斗卫星短信通信方式的无人值守自动气象站网

以新疆气象局基于北斗卫星短信方式布设的无人值守自动气象站网为例,介绍北斗卫星短信通信方式在无人值守自动气象站数据传输中的实际应用,重点介绍无人值守自动气象站数据传输的特殊需求、通信传输网的架构模式、信息处理流程、控制方式等方面的技术内容,并针对新疆气象局的实际应用情况,对无人自动站采用北斗卫星短信通信方式传输数据的优势与不足进行分析,提出了北斗卫星短信方式在无人自动气象站数据传输方面具有较广的应用空间。     

基于北斗的自动气象站报文传输方案设计

针对北斗卫星下行通信受4G和WIFI信号带内干扰导致传输成功率低的情况,设计了基于增加传输次数来降低误码率的自动气象站报文北斗传输方案。首次提出并建成用于传输自动气象站报文的双北斗指挥机用户群,根据北斗用户机的传输能力设计专用的气象报文编码格式,利用冗余频度开展报文重发,实现单个时次报文的4次重复接收,稳定地保证了较高的传输成功率。方案同时实现了观测报文1min内到达预报员桌面,在稳定性和时效性上均取得了突破。     

北斗卫星应急通信传输试点建设

根据福建省气象局开展北斗卫星应急通信传输试点工作的部署和要求,在南平市气象局选择3个有代表性的台站建设北斗卫星通信传输终端,分别在南平市气象局和福建省气象信息中心建设北斗卫星通信传输接收系统（中心站）,并部署北斗通信中心站软件和终端软件,进行通信传输试点.利用北斗卫星通信系统传输国家级自动站观测数据、系统校时、文字通信功能均达到项目预期目标.传输率、误码率、时延和稳定性均能满足业务化运行的要求.实现公网运营商电路中断的应急状态下传输自动站观测数据和进行文字通信等,从而为防灾减灾服务.     

极端环境下自动气象站数据远程传输方案设计

讨论在我国珠穆朗玛峰地区的极端环境下自动气象站数据传输系统的构建和可靠性设计;通过分析和比较目前国内常用的自动气象站数据通信方式的优缺点、适用范围及珠峰地区的极端自然条件,提出采用我国自主研发的“北斗”卫星导航定位系统来实现在珠峰大本营及周边地区建立自动气象站,设计了适应于“北斗”系统的通信控制系统及通信方案;分层思想提高了系统的扩展性和维护性;综合采用重连、回执、重发、校验等机制保障了系统的稳定、可靠运行。     

厦门市自动气象站数据通信系统设计

结合厦门市实际情况,在信息传输环节,厦门市自动气象站采集的信息传输更适合采用无线方式完成数据通信。设计了一种基于GPRS网络的多点对单点主从式自动气象站数据通信传输系统。系统中各自动气象站点的数据采集器完成气象要素信息采集,各站点的GPRS通信模块在GPRS网络中通过DDN专线与租用静态IP地址的移动中心服务器构成数据通信传输网络,中心服务器与厦门市气象台网络信息中心通过TCP/IP协议实现实时通信,气象观测终端软件完成数据的存储及加工。截止到2010年9月初,系统已稳定运行8个月。该系统不受传输距离的限制、成本低、建设快,适用于各类气象自动站远程数据传输和控制,提高了气象信息发布效率。     

北斗短报文通信信道性能测试与统计分析

北斗短报文通信在各行业的应用急需其信道性能参数。然而,目前关于民用北斗短报文通信信道性能的测试和统计分析很少,尤其缺少大数据量的测试。文章分析了测试样本量对统计结果的影响,提出了统计北斗短报文传输成功率和传输延时所需最小样本量的计算方法,进行了较长时间的信道测试,获取了满足信道性能统计要求的大量实测数据。统计分析结果表明,北斗短报文通信单数据包的传输成功率为95.5%,平均传输延时为3.8s。取得的北斗短报文信道性能测试数据弥补了北斗民用信道性能测试的不足,统计分析的结果可在相关基于北斗短报文通信的系统设计时作为指标推算的参考依据。     

多模式无线气象数据采集终端设计

目前在自动气象站中,气象数据的采集大多采用串口服务器或4G通信模块将数据上传到电脑端。气象要素传感器多种多样,现在业务上使用的气象数据采集终端接口繁多、布线复杂、体积过大,且存在可靠性低、功耗高、数据传输方式单一等问题。随着物联网技术的迅速发展,各类传感器通过连接到基于因特网协议(IP)的网络中进行数据交互。通过将物联网技术与地面气象数据采集相结合,设计出一种多模式无线气象数据采集终端,既能满足常规的地面气象数据采集,又能拓展传输方式,不同地区采用不同的模式进行数据上传,可以很好地解决地面气象数据传输中存在的问题。     

基于北斗系统的ARGO浮标设计

为了设计一种基于我国自主卫星导航定位系统的ARGO浮标,提出了应用北斗卫星导航定位系统的ARGO浮标设计方案.阐述了ARGO浮标的基本原理、应用概况和现有北斗卫星导航定位系统的基本应用,初步提出了基于北斗卫星导航系统的ARGO浮标设计方案;从通信方式、体制和定位、配重等方面对基于北斗的ARGO浮标设计进行了可行性分析,研究了基于北斗卫星导航定位系统的ARGO浮标通信方式和两种通信模式.研究表明,基于北斗卫星导航定位系统的ARGO浮标方案可行.     

基于北斗卫星预警信息发布的通信参数设计

基于北斗卫星的预警信息发布是利用北斗卫星导航系统的短报文功能进行预警信息的发布,可有效提高预警信息发布的覆盖范围和时效性。该文提出了这种发布方式下一种新的通信参数设计方法,预警信息的传输次数和指挥机的通播ID数是基于北斗卫星的预警信息发布方式中需要确定的两个重要通信参数。定量分析表明:随着传输成功率阈值或预警信息分包数减小,预警信息的最优传输次数呈阶梯状减少;随着发布时效增加,指挥机的最优通播ID数近似线性减少;随着传输成功率阈值或预警信息分包数减小,指挥机的最优通播ID数呈阶梯状减少。该文提出的通信参数设计方法可在相关基于北斗卫星的预警信息发布系统设计时作为指标推算的参考依据。     

ZQZ-CY型便携自动气象站两种通讯方式的切换

贵州省山洪外场试验项目所建的ZQZ-CY型便携自动气象站,原来只限于使用DCP北斗卫星通信方式来进行资料传输。该文针对ZQZ-CY型便携自动气象站的结构特点,为其提供了可以在GPRS和DCP两种通讯方式之间进行快速切换的方法。使ZQZ-CY型便携自动气象站能快速方便地在两种通讯方式之间进行自由切换,从而更好地适应各种复杂条件下的应急气象观测,保障应急气象观测工作的正常开展。     

基于北斗反射信号的支持向量回归机海面风速反演研究

随着全球导航卫星系统的发展,一种基于导航卫星反射信号(GNSS-R)的海洋遥感技术成为近年来研究的热点。为研究GNSS-R测风方法,分析了海面风速与反射信号时延功率之间的关系,同时结合机器学习方法中的支持向量回归机方法,将反射信号时延功率作为训练标签,最终完成海面风速的反演。将"北斗反射信号海风海浪探测系统——山东示范站"项目期间海风海浪系统的探测结果与同期风速仪探测结果进行对比分析,结果表明,两者具有很好的一致性,海面风速的反演精度为2.4 m/s,证明了基于北斗反射信号的支持向量回归机海面测风方法是可行的。     

北斗反射信号海风探测数据分析与检定

利用导航卫星反射信号(GNSS-R)进行海风海浪探测为海洋气象提供了一种新的观测手段,数据分析及有效性检定是确定系统探测能力的重要过程.在描述北斗GEO卫星进行海风探测机理的基础上,利用北斗反射信号的相关时间进行了海风的反演.同时针对国家北斗应用项目"基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程"在山东进行试验和试运行期间产生的风速观测数据进行分析,并通过与标准数据的对比,确定了该方法的有效性.     

电力谐波对卫星天线驱动电机的影响

大型数据信息处理中心需配UPS(Uninterruptible Power System)系统供电,但这样的系统设计中UPS在输入端产生的谐波电流可能会影响配电系统的其他设备。以北京气象卫星地面站供电系统为实例,分析了在应急备用电源供电情况下,当卫星接收天线跟踪卫星时,天线的驱动电机出现明显的抖动现象系UPS工作时产生的谐波电流所致,阐述了UPS电源产生的谐波电流产生的原理以及对配电系统电能质量的影响,给出采用设计有源滤波器消除电力谐波影响以解决天线驱动电机抖动问题的实践方法,总结新技术整流电源产生谐波的扩展趋势,并建议重视大型数据中心配电系统在新形势下电能质量及电磁问题的研究。     

北斗探空系统研发及其测风性能初步分析

高空气象观测是综合气象观测系统的重要组成部分,对天气预报、气候变化等业务科研具有重要的作用。基于北斗卫星导航系统研发了北斗探空仪及地面接收系统,目前试验样机生产已初步完成。北斗探空仪可采取单北斗、单GPS、北斗与GPS混合定位测风等3种测风模式,试验结果表明:北斗探空仪采用混合定位测速方式测风与GPS标准探空仪相比, 北向速度标准差为0.05 m·s-1,平均偏差为-0.05 m·s-1; 东向速度标准偏差为0.03 m·s-1, 平均偏差为-0.01 m·s-1; 高度标准偏差为6.88 m,平均偏差为7.48 m。北斗探空仪测风性能与GPS探空仪相当。     

利用地基北斗站反演大气水汽总量的精度检验

采用上海市气象局建立的北斗气象站的2014年观测数据和我国自主研发的精密导航数据处理软件PANDA (position and navigation data analysist) 实现了基于北斗数据的大气水汽总量 (precipitable water vapor,PWV) 反演,并将利用北斗卫星信号解算的大气水汽总量 (W_BD) 结果与目前较为成熟的GPS卫星反演结果 (W_GPS) 和无线电探空反演结果 (W_Radio) 进行对比,研究表明:反演的W_BD与W_GPS的均方根误差均低于3.5 mm,反演的W_BD与W_Radio的均方根误差为3.6 mm,两种对比方式的相关系数均在0.95以上,反演方法以及地理位置的差异对于反演结果有一定影响;反演的W_BD能够很好地反映出大气中水汽的变化特征,对于气象短时临近预报、气候分析有指示作用。     

基于GNSS差分定位的天气雷达坐标精确定位研究

天气雷达天线馈源的精确定位关系到雷达数据的精确使用和天气雷达全网拼图的使用效果.目前,国内新一代天气雷达天线馈源坐标基本都是使用GNSS(GLobal Navigation Satellite System)系统中的美国GPS(Global Position System)系统接收机,在雷达塔楼楼顶单点瞬时定位测量得到的,误差一般大于30 m.为了提高定位精度,将GPS精确定位技术与全站仪测量相对高度结合起来,提出了一种测量天气雷达的馈源坐标的方法,可使天线馈源的海拔高度测量精度达到10 m以内.使用这种方法对北京市气象局S波段新一代天气雷达天线馈源坐标进行了实地测量,精度达到设计要求.     

The Impact of Assimilating FY-3C GNOS GPS Radio Occultation Observations on GRAPES Forecasts

In the present study, a gross quality control (QC) procedure is proposed for the Global Navigation Satellite System Occultation Sounder (GNOS) Global Positioning System radio occultation (GPS RO) refractivity data to remove abnormal data before they are assimilated. It consists of a climate extreme check removing data outside the range of the Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate (COSMIC) climate maxima and minima over approximately five years, and a vertical gradient check that rejects profiles containing super-refractions. These two QC steps were applied sequentially to identify outliers in GNOS GPS RO refractivity data during boreal winter 2013/2014. All of the abnormal refractivity profiles and the outliers at each level of the GNOS GPS RO observations were effectively removed by the proposed QC procedure. The post-QC GNOS GPS RO refractivity observations were then assimilated in the Global/ Regional Analysis and PrEdiction System (GRAPES) using the three-dimensional variational (3D-Var) system. The impacts of the GNOS refractivity observation on GRAPES analysis and forecasting were evaluated and analyzed using an observation system experiment run over one whole winter season of 2013 / 2014. The experiment results demonstrated a positive impact of GNOS GPS RO data on analysis and forecast quality. The root mean squared error of GRAPES analysis temperature was reduced by 1% in the Southern Hemisphere (SH) extratropics and in the tropics, and the anomaly correlation scores of the forecasted 500-hPa geopotential height over the SH increased significantly during days 1 to 5. Overall, the benefits of using GNOS GPS RO data are significant in the SH and tropics.     

GNSS/PWV与风云四号A星GIIRS水汽廓线融合应用研究

中国新一代地球静止气象卫星风云四号A星（FY-4A）搭载的干涉式大气垂直探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）以红外高光谱干涉分光方式探测三维大气温湿结构,取得了在静止轨道上探测大气的突破性进展。地基全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是一种连续监测大气可降水量（Precipitable Water Vapor,PWV）的有效手段,基于2018年6—8月中国地基GNSS站监测的PWV和FY-4A/GIIRS水汽廓线的业务产品以及常规无线电探空资料,开展GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线快速融合应用,以提高卫星资料反演大气水汽廓线的精度。结果表明:与常规无线电探空相比,FY-4A/GIIRS水汽廓线产品在大气低层均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为4.5 g/kg,700 hPa为2.4 g/kg,500 hPa以上因水汽含量较低RSME小于1.5 g/kg。GNSS/PWV与FY-4A/GIIRS水汽廓线融合后,FY-4A/GIIRS水汽廓线误差整层RMSE减小20%,从近地层到600 hPa RMSE平均减小20%—25%,尤其是850—700 hPa改善最明显,极大改善了卫星水汽反演资料的可用性。对一次多系统影响的暴雨天气过程应用分析表明,GNSS/PWV和FY-4A/GIIRS融合产品可获得高时、空密度的大气水汽廓线,对强降水的临近预报有非常重要的支撑作用。