摘 要：采用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象探空是國(guó)際上氣象探空儀發(fā)展的重要趨勢(shì)，而我國(guó)高空探測(cè)系統(tǒng)還比較落后。在我國(guó)探空系統(tǒng)中采用GPS技術(shù)，使其與國(guó)際探空技術(shù)同步發(fā)展勢(shì)在必行。通過對(duì)GPS氣象探空的實(shí)現(xiàn)方式的研究，闡述了GPS探空儀的工作原理及其工作流程，并給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。研究表明采用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象探空能夠提高準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航;GPS;氣象;探空儀;測(cè)風(fēng)

中圖分類號(hào)：P412.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0317903

Study on the Technology of GPS Sonde

LIU Xiaoqin1，CAI Delin2，XU Changlei1

(1.Department of Electronic Science and Technology，Anhui University，Hefei，230039，China;

2.The 38th Research Institute，China Electronics and Technology Group Corporation，Hefei，230031，China)

Abstract：It is an important trend of international meterological sounding that using GPS technologycarry out meterological sounding.In China，the upper—air sounding system is relatively backward.It is imperative to develop the technology of GPS in our sounding system and make the sounding development of our country and the international simultaneously.Through the research of GPS meteorological sounding way，the working principle and the process flow of GPS sonde are expounded.System structure diagram of GPS sonde is presented.The research shows that using GPS technology to achieve meteorological sounding can improve the accuracy of meterological sounding.

Keywords：navigation;GPS;meteorology;sonde;anemography

1 引 言

近年來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，特別是美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）[1，2]發(fā)展極為迅速。GPS能夠?yàn)榈厍虮砻婧徒乜臻g的廣大用戶提供全天候、實(shí)時(shí)、高精度的位置、速度和時(shí)間等導(dǎo)航服務(wù)信息。GPS是一種新興的全球定位技術(shù)，他具有定位精度高、使用方便的特點(diǎn)。

GPS高空探測(cè)系統(tǒng)是新一代探空系統(tǒng)，他采用數(shù)字化測(cè)量電路測(cè)量大氣溫、壓、濕，并運(yùn)用GPS測(cè)量大氣風(fēng)向、風(fēng)速。采用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象探空，能夠大大提高氣象探空的準(zhǔn)確性，降低地面接收系統(tǒng)的成本，提高氣象探空系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。國(guó)際上一些先進(jìn)國(guó)家已將該GPS技術(shù)應(yīng)用到氣象探空和高空測(cè)風(fēng)當(dāng)中，國(guó)內(nèi)一些研究單位也相繼開展了相關(guān)技術(shù)的研究。

探空儀主要為電子探空儀，國(guó)際先進(jìn)的電子探空儀主要有芬蘭Vaisala公司RS92探空儀。我國(guó)是惟一還在使用機(jī)械電碼式探空儀的國(guó)家，應(yīng)盡快發(fā)展我國(guó)GPS探空技術(shù)。

2 GPS氣象探空的實(shí)現(xiàn)

GPS氣象探空[3]主要有空中射頻轉(zhuǎn)發(fā)和空中數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)兩種方式：如圖1和2所示。

圖1 射頻轉(zhuǎn)發(fā)方案框圖

由圖1可見，射頻轉(zhuǎn)發(fā)方案是將球載設(shè)備接收到的GPS射頻信號(hào)直接下變頻到氣象探空專用頻率，放大后與溫濕壓傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)合成后轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收機(jī)，也就是說(shuō)球載部分只有射頻接收部分沒有定位解算部分的電路。地面接收機(jī)將接收到的射頻信號(hào)分離成溫濕壓信號(hào)和GPS射頻信號(hào)，在地面接收機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)GPS的定位解算。主要技術(shù)難題是GPS射頻信號(hào)與溫濕壓數(shù)字信號(hào)電平相差懸殊所帶來(lái)的電磁兼容問題，以及抗干擾和地面解算的頻率基準(zhǔn)問題。而且射頻轉(zhuǎn)發(fā)方案的通信鏈路設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積大，因此一般采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方案。

圖2 數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)方案框圖

圖2中數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)是將GPSOEM板的定位數(shù)據(jù)直接與溫濕壓數(shù)據(jù)合成編碼后轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是減少探空儀設(shè)備的復(fù)雜程度，把大量處理過程轉(zhuǎn)移到地面，降低探空儀的成本。采用數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)方式，發(fā)射功率利用率較高，避免發(fā)生自激，工作頻點(diǎn)可調(diào)，可避開環(huán)境的干擾。

3 GPS探空儀的系統(tǒng)組成

GPS探空儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，他由兩部分組成：球上設(shè)備和地面設(shè)備。

圖3 GPS探空儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

球上設(shè)備由PTU數(shù)據(jù)處理單元、GPS單元、通信單元三部分構(gòu)成。

PTU數(shù)據(jù)處理單元 由單片機(jī)和測(cè)量電路構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸。既可以測(cè)量電阻感應(yīng)元件，又可以測(cè)量電容感應(yīng)元件。

GPS單元 用于接收GPS衛(wèi)星信息，提供氣球的位置信息（經(jīng)緯度、高度）和時(shí)間信息。

通信單元 接收PTU數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼、合成，將數(shù)字信息進(jìn)行FSK調(diào)制，轉(zhuǎn)變成射頻信號(hào)，發(fā)送給地面接收系統(tǒng)。

地面設(shè)備由通信單元、基站GPS處理機(jī)、終端數(shù)據(jù)處理和指示單元等三部分構(gòu)成。

通信單元 接收探空儀發(fā)射的射頻信號(hào)，解調(diào)出數(shù)字信息，進(jìn)行解碼，輸出為GPS通道數(shù)據(jù)以及PTU測(cè)量數(shù)據(jù)（溫濕壓）；

基站GPS處理機(jī) 對(duì)接收的球上GPS通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接收基站GPS位置數(shù)據(jù);

終端數(shù)據(jù)處理單元 由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、調(diào)制解調(diào)器組成。計(jì)算機(jī)收集探空儀發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和基站位置數(shù)據(jù)，對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，顯示溫、壓、濕數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)風(fēng)信息進(jìn)行處理，解算出風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)。調(diào)制解調(diào)器用于通過電話線路與氣象計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，傳送探空數(shù)據(jù)。

4 工作原理

4.1 溫、濕、壓測(cè)量

PTU設(shè)備測(cè)量原理如圖4所示，通過溫濕度、氣壓傳感器探頭探測(cè)的電阻、電容變化量轉(zhuǎn)化為電壓或頻率變化量，這些變化量均為模擬量，經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行小信號(hào)放大，A/D變換為數(shù)字量，同時(shí)查表進(jìn)行修正、數(shù)字編碼，由外時(shí)鐘采集同步輸出傳感器數(shù)據(jù)。

探空儀采集的空中的氣壓、溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱PTU數(shù)據(jù)）經(jīng)探空儀的轉(zhuǎn)發(fā)器電路轉(zhuǎn)發(fā)到地面基站，經(jīng)硬件解調(diào)設(shè)備和軟件處理后得到所需的探測(cè)氣象要素?cái)?shù)據(jù)。由于遙測(cè)噪聲、調(diào)制電路、下行鏈路、解調(diào)電路、輻射及外界不確定氣候條件等因素影響，導(dǎo)致PTU原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)物理上的不一致數(shù)據(jù)點(diǎn)和丟失的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這就要求我們必須利用物理方程、數(shù)學(xué)算法及氣象學(xué)理論模型對(duì)原始數(shù)據(jù)做編輯處理。

圖4 PTU設(shè)備測(cè)量原理框圖

4.2 測(cè)風(fēng)原理

在探空系統(tǒng)中采用GPS技術(shù)測(cè)風(fēng)。GPS是全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，將他用于高空氣象探測(cè)具有測(cè)量精度高，地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

GPS技術(shù)測(cè)風(fēng)采用定位方式，首先測(cè)量GPS衛(wèi)星到接收機(jī)的距離（偽距），衛(wèi)星的位置（即軌道）是已知的，可列出方程：

[（X－Xi）2＋（Y－Yi）2＋（Z－Zi）2]1/2

＝Ri （i=1，2，3，4，…）

其中:Xi，Yi，Zi是第i顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，Ri是t時(shí)刻第i顆衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，只要有3顆衛(wèi)星就能計(jì)算出接收機(jī)所在的位置，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星上時(shí)鐘的偏差，常常用4顆或4顆以上衛(wèi)星的資料計(jì)算探空儀在特定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即定位。然后通過探空儀位置的變化計(jì)算風(fēng)向風(fēng)速。探空儀在上升過程中相鄰兩點(diǎn)相對(duì)于基站的坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，則實(shí)際風(fēng)向和風(fēng)速：

θ＝arctg((y2-y1)/(x2-x1))

v=sqrt((x2-x1)2+(y2-y1)2)/t

其中t為探空儀從該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到相鄰點(diǎn)所需的時(shí)間。

注意：這里要考慮探空儀的地理坐標(biāo)和空間直角坐標(biāo)之間的換算。

4.3 通信工作原理

通信系統(tǒng)分為收（地）、發(fā)（球）兩端，為單向數(shù)據(jù)傳輸，由以下功能模塊組成：射頻調(diào)制解調(diào)模塊、糾錯(cuò)編碼模塊、糾錯(cuò)譯碼模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。

GPS數(shù)據(jù)由GPS模塊產(chǎn)生， PTU數(shù)據(jù)由PTU模塊產(chǎn)生，數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的GPS、PTU數(shù)據(jù)打包成幀。成幀后的數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器進(jìn)行編碼，最后進(jìn)入調(diào)制模塊進(jìn)行FSK調(diào)制并發(fā)射出去。接收端對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解幀，最后將數(shù)據(jù)傳送給終端計(jì)算機(jī)。

4.3.1 編 碼

本系統(tǒng)采用的射頻是氣象專用頻率400 MHz，該頻段無(wú)線電干擾嚴(yán)重，無(wú)法避免。另外由于球載設(shè)備的空中姿態(tài)變化會(huì)帶來(lái)信道快衰落，對(duì)傳輸也會(huì)有比較大的影響。針對(duì)這樣一個(gè)同時(shí)受到隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤影響的混合信道，必須采用適合的信道編碼，才能降低誤碼率，保證球地通信的可靠性?？焖ヂ湟话阍斐傻恼`碼是一長(zhǎng)串，而不是單獨(dú)的一個(gè)一個(gè)，而交織技術(shù)是將待傳的信息重新排序，這樣可以把突發(fā)的連串錯(cuò)誤打散，變成單個(gè)的錯(cuò)誤，這樣對(duì)于編碼糾錯(cuò)是有利的，對(duì)消除快衰落產(chǎn)生的影響有很好的效果。綜合考慮以上問題，我們可以在發(fā)端采用卷積編碼[4]加交織，收端采用Viterbi譯碼[5]。這種方案在第二代通信系統(tǒng)中被采用，適合于低速數(shù)據(jù)的傳輸。

典型的（n，m，k）卷積碼編碼器是指輸入位數(shù)為m、輸出位數(shù)為n、約束長(zhǎng)度為k的卷積碼編碼器，編碼速率為m/n。一個(gè)（2，1，7）的卷積碼編碼器如圖5示，可用6個(gè)移位寄存器實(shí)現(xiàn)。例如輸入msg_bit=[10110101000000]，其輸出為 msg_i=[11010110101101]，msg_q=[10001001100111]。

圖5 (2，1，7)編碼器框圖

Viterbi譯碼算法是一種針對(duì)卷積碼而提出的最大似然譯碼算法。他基于卷積碼編碼器的狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系，求出碼集所有碼字中與接收序列有最小距離度量的碼字。在譯碼器中有一個(gè)與發(fā)送端一樣的本地編碼器，只不過這個(gè)編碼器能遍歷所有可能的編碼路徑，而譯碼就是在每一時(shí)刻都將這些路徑與接收序列進(jìn)行距離度量，并去掉那些度量值小的編碼路徑，最后留下的那條路徑就是正確的譯碼路徑。譯碼器的方框圖如圖6所示。

4.3.2 傳輸距離

電波在空間傳輸，其自由空間損耗：

Ls=32.45+20log f(MHz)+20log D(km)(1)

其中：f為發(fā)射頻率，D為傳輸距離。

電波從電臺(tái)發(fā)出，經(jīng)過饋線和天線，通過空中向遠(yuǎn)方傳播，信號(hào)受到衰減，到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收?qǐng)鰪?qiáng)電平：

Pr=Pt+Gt+Gr-Lr-Lt-Ls(2)

Pt為發(fā)射功率，Gt，Gr為收發(fā)饋線增益， Lt，Lr為收發(fā)饋線損耗。

技術(shù)衰落儲(chǔ)備越多，抗干擾能力越強(qiáng)，誤碼越少。

4.3.3 視距的計(jì)算

無(wú)線電波的傳輸距離不僅取決于功率，即要求接收機(jī)有一定的技術(shù)衰落儲(chǔ)備，還受天線所設(shè)高度的影響，即視距的影響。由于受地球曲率的影響，兩個(gè)點(diǎn)（天線高度分別為H m和h m）之間最大可視距離（視距）D（km）為：

D=4.12(H+h)(3)

圖6 Viterbi譯碼器框圖

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS技術(shù)已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，采用GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象探空是國(guó)際上氣象探空儀發(fā)展的重要趨勢(shì)，于是對(duì)GPS探空儀技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，介紹了GPS氣象探空的工作方式，并對(duì)其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。為使我國(guó)探空技術(shù)趕上國(guó)際水平，要盡快發(fā)展GPS探空技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介 劉曉琴 女，1975年出生。主要研究方向?yàn)閭€(gè)人通信與無(wú)線通信。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。