周鐵樁，葉 飛

(1. 呼倫貝爾市海拉爾區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

L波段雷達(dá)探空系統(tǒng)是我國(guó)北方高精度探空數(shù)據(jù)的獲取的主要力量，內(nèi)蒙古也是全國(guó)探空測(cè)風(fēng)的大省，目前，全區(qū)氣象系統(tǒng)內(nèi)有12部L波段探空雷達(dá)正在業(yè)務(wù)運(yùn)行，占全國(guó)1/10。呼倫貝爾市海拉爾區(qū)探空站是內(nèi)蒙古地區(qū)最北部的一個(gè)探空站(經(jīng)度：119.70°，緯度：49.25°，海拔高度：649.7m)，該站冬季溫度能達(dá)到-30℃左右，屬于典型的高寒、高濕站，L波段探空雷達(dá)機(jī)械部分在冬季經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰、霜凍現(xiàn)象，因此，時(shí)刻掌握雷達(dá)天線指向是否準(zhǔn)確就顯得十分必要[1-2]。筆者將分別應(yīng)用太陽法和經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)法對(duì)海拉爾區(qū)探空雷達(dá)天線指向進(jìn)行檢查，通過分析兩種方法的對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)際操作過程，總結(jié)兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，希望對(duì)探空業(yè)務(wù)有所促進(jìn)。

1 太陽法

將太陽作為微波輻射的噪聲，L波段雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，通過獲取太陽噪聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤太陽[3]。太陽法對(duì)比觀測(cè)前只需將計(jì)算機(jī)授時(shí)為正確的北京時(shí)間，將雷達(dá)天線設(shè)置對(duì)準(zhǔn)太陽后天線打到自動(dòng)狀態(tài)即可，然后打開太陽法對(duì)比觀測(cè)軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置所需的采樣間隔，即可自動(dòng)執(zhí)行對(duì)比觀測(cè)，觀測(cè)完成后數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器后系統(tǒng)將自動(dòng)繪制太陽法和雷達(dá)對(duì)比觀測(cè)曲線。通過對(duì)比太陽位置的理論數(shù)值和雷達(dá)跟蹤太陽時(shí)的實(shí)際指向(仰角、方位)數(shù)值之間的差異，即可知道雷達(dá)天線指向是否準(zhǔn)確。查找文獻(xiàn)可知太陽高度角(θ)，太陽方位角(α)求解公示如下：

sinθ=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

(2)

其中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，δ為太陽赤緯角，ω為太陽時(shí)角。通過太陽赤緯角算法和當(dāng)?shù)貢r(shí)差算法的解析即可獲得高精度的太陽位置。

在2020年6月16日早上9:30開始應(yīng)用太陽法對(duì)海拉爾區(qū)L波段探空雷達(dá)天線指向進(jìn)行檢查，圖1、圖2分別采集了200多組對(duì)比數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采樣間隔為3s，從圖中可以看出太陽法理論計(jì)算值線性度較高，雷達(dá)天線實(shí)測(cè)值波動(dòng)范圍較小，仰角誤差和方位誤差基本都在0.3°以內(nèi)，誤差相對(duì)較小，對(duì)比效果很好，太陽法能夠用來檢查雷達(dá)天線指向是否正確。

由于太陽法對(duì)比時(shí)除雷達(dá)發(fā)射機(jī)不開以外，其他雷達(dá)分部件都正常運(yùn)行，雷達(dá)能否實(shí)時(shí)跟蹤太陽也從側(cè)面檢驗(yàn)了雷達(dá)接收、伺服、饋線等系統(tǒng)是否存在故障，在L波段雷達(dá)放球計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)太陽法軟件，將雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)太陽并能自動(dòng)跟蹤(若無法對(duì)準(zhǔn)或自動(dòng)跟蹤可判斷雷達(dá)天控、接收、伺服部分存在故障)，通過對(duì)比雷達(dá)跟蹤太陽時(shí)的實(shí)時(shí)方位、仰角和太陽理論方位仰角之間的誤差，判斷雷達(dá)天線指向是否準(zhǔn)確，此方法能夠?qū)θ斯?biāo)定雷達(dá)是否準(zhǔn)確進(jìn)行驗(yàn)證，提供了一種新的標(biāo)定雷達(dá)天線指向的方法，能第一時(shí)間判斷雷達(dá)主要部件的性能是否正常。

圖1 太陽法對(duì)比仰角誤差

圖2 太陽法對(duì)比方位誤差

2 經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)法

圖3 經(jīng)緯儀對(duì)比仰角誤差

圖4 經(jīng)緯儀對(duì)比方位誤差

現(xiàn)行高空觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范中要求每月需通過經(jīng)緯儀和雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，檢查探空雷達(dá)天線指向是否準(zhǔn)確。圖3、圖4分別展示了2020年6月16日早8點(diǎn)放球時(shí)的雷達(dá)和經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)情況，由于放球半小時(shí)后經(jīng)緯儀已無法觀測(cè)到探空氣球，數(shù)據(jù)采集從放球第11min開始采集，到第30min結(jié)束，數(shù)據(jù)采樣間隔為每分鐘一次，其間一共獲取了20組對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出仰角誤差在0.4°以內(nèi)，放球初期仰角誤差較大，隨著時(shí)間推移，越往后仰角誤差越??；方位誤差在0.5以內(nèi)，誤差隨機(jī)性較大。

經(jīng)緯儀架設(shè)、調(diào)平、定向以及抓球都需由觀測(cè)員自主完成，因此，觀測(cè)員觀測(cè)水平的高低直接影響了所獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且每次經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)都需調(diào)平和確定固定目標(biāo)物是否準(zhǔn)確，操作繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，容易引入人為誤差。

3 結(jié)論

應(yīng)用太陽法和經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)法兩種方法對(duì)內(nèi)蒙古呼倫貝爾市海拉爾區(qū)探空雷達(dá)進(jìn)行了天線指向檢查，通過分析對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)可以得到如下幾條結(jié)論：①太陽法對(duì)比觀測(cè)只需1人操作對(duì)比觀測(cè)軟件即可，操作簡(jiǎn)便，且可獲取任意時(shí)間間隔、大體量的對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)；經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)法至少需要2名業(yè)務(wù)熟練的觀測(cè)員進(jìn)行配合操作，且受經(jīng)緯儀觀測(cè)距離和天氣能見度狀況影響較大，一般只能獲取到放球前半小時(shí)內(nèi)的對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)。②太陽法對(duì)比觀測(cè)精度更高，誤差線性度較好，有利于后期數(shù)據(jù)偏差訂正；經(jīng)緯儀對(duì)比觀測(cè)法由于人為操作因素較多，容易引入人為誤差，對(duì)比觀測(cè)精度相對(duì)較差。③太陽法不僅可以檢查探空雷達(dá)天線指向是否正常，還能作為日常雷達(dá)維護(hù)保障的驗(yàn)證工具。