ＧＰＳ探空儀技術研究

摘 要：采用GPS技術實現氣象探空是國際上氣象探空儀發展的重要趨勢，而我國高空探測系統還比較落后。在我國探空系統中采用GPS技術，使其與國際探空技術同步發展勢在必行。通過對GPS氣象探空的實現方式的研究，闡述了GPS探空儀的工作原理及其工作流程，并給出系統的結構框圖。研究表明采用GPS技術實現氣象探空能夠提高準確性。

關鍵詞：導航;GPS;氣象;探空儀;測風

中圖分類號：P412.23 文獻標識碼：A

文章編號：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，衛星導航定位系統，特別是美國的全球定位系統（Global Position System，GPS）[1，2]發展極為迅速。GPS能夠為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天候、實時、高精度的位置、速度和時間等導航服務信息。GPS是一種新興的全球定位技術，他具有定位精度高、使用方便的特點。

GPS高空探測系統是新一代探空系統，他采用數字化測量電路測量大氣溫、壓、濕，并運用GPS測量大氣風向、風速。采用GPS技術實現氣象探空，能夠大大提高氣象探空的準確性，降低地面接收系統的成本，提高氣象探空系統的自動化程度。國際上一些先進國家已將該GPS技術應用到氣象探空和高空測風當中，國內一些研究單位也相繼開展了相關技術的研究。

探空儀主要為電子探空儀，國際先進的電子探空儀主要有芬蘭Vaisala公司RS92探空儀。我國是惟一還在使用機械電碼式探空儀的國家，應盡快發展我國GPS探空技術。

2 GPS氣象探空的實現

GPS氣象探空[3]主要有空中射頻轉發和空中數字轉發兩種方式：如圖1和2所示。

圖1 射頻轉發方案框圖

由圖1可見，射頻轉發方案是將球載設備接收到的GPS射頻信號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字信號合成后轉發到地面接收機，也就是說球載部分只有射頻接收部分沒有定位解算部分的電路。地面接收機將接收到的射頻信號分離成溫濕壓信號和GPS射頻信號，在地面接收機內實現GPS的定位解算。主要技術難題是GPS射頻信號與溫濕壓數字信號電平相差懸殊所帶來的電磁兼容問題，以及抗干擾和地面解算的頻率基準問題。而且射頻轉發方案的通信鏈路設計復雜，體積大，因此一般采用數據轉發方案。

圖2 數字轉發方案框圖

圖2中數字轉發是將GPSOEM板的定位數據直接與溫濕壓數據合成編碼后轉發。數字轉發的優點是減少探空儀設備的復雜程度，把大量處理過程轉移到地面，降低探空儀的成本。采用數字轉發方式，發射功率利用率較高，避免發生自激，工作頻點可調，可避開環境的干擾。

3 GPS探空儀的系統組成

GPS探空儀的系統結構如圖3所示，他由兩部分組成：球上設備和地面設備。

圖3 GPS探空儀系統結構框圖

球上設備由PTU數據處理單元、GPS單元、通信單元三部分構成。

PTU數據處理單元 由單片機和測量電路構成，完成數據采集、處理、傳輸。既可以測量電阻感應元件，又可以測量電容感應元件。

GPS單元 用于接收GPS衛星信息，提供氣球的位置信息（經緯度、高度）和時間信息。

通信單元 接收PTU數據和GPS數據，進行編碼、合成，將數字信息進行FSK調制，轉變成射頻信號，發送給地面接收系統。

地面設備由通信單元、基站GPS處理機、終端數據處理和指示單元等三部分構成。

通信單元 接收探空儀發射的射頻信號，解調出數字信息，進行解碼，輸出為GPS通道數據以及PTU測量數據（溫濕壓）；

基站GPS處理機 對接收的球上GPS通道數據進行處理，接收基站GPS位置數據;

終端數據處理單元 由計算機、打印機、調制解調器組成。計算機收集探空儀發來的數據和基站位置數據，對信息進行預處理，顯示溫、壓、濕數據，對測風信息進行處理，解算出風向、風速數據。調制解調器用于通過電話線路與氣象計算機網絡通信，傳送探空數據。

4 工作原理

4.1 溫、濕、壓測量

PTU設備測量原理如圖4所示，通過溫濕度、氣壓傳感器探頭探測的電阻、電容變化量轉化為電壓或頻率變化量，這些變化量均為模擬量，經過運算放大器進行小信號放大，A/D變換為數字量，同時查表進行修正、數字編碼，由外時鐘采集同步輸出傳感器數據。

探空儀采集的空中的氣壓、溫度和相對濕度數據（簡稱PTU數據）經探空儀的轉發器電路轉發到地面基站，經硬件解調設備和軟件處理后得到所需的探測氣象要素數據。由于遙測噪聲、調制電路、下行鏈路、解調電路、輻射及外界不確定氣候條件等因素影響，導致PTU原始數據出現物理上的不一致數據點和丟失的數據點。這就要求我們必須利用物理方程、數學算法及氣象學理論模型對原始數據做編輯處理。

圖4 PTU設備測量原理框圖

4.2 測風原理

在探空系統中采用GPS技術測風。GPS是全球定位導航系統，將他用于高空氣象探測具有測量精度高，地面系統結構簡單，自動化程度高等優點。

GPS技術測風采用定位方式，首先測量GPS衛星到接收機的距離（偽距），衛星的位置（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顆衛星的坐標，Ri是t時刻第i顆衛星到接收機的距離，只要有3顆衛星就能計算出接收機所在的位置，但在實際應用中，由于接收機時鐘與衛星上時鐘的偏差，常常用4顆或4顆以上衛星的資料計算探空儀在特定坐標系中的坐標，即定位。然后通過探空儀位置的變化計算風向風速。探空儀在上升過程中相鄰兩點相對于基站的坐標分別為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，則實際風向和風速：

θ＝arctg((y2-y1)/(x2-x1))

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

其中t為探空儀從該點運動到相鄰點所需的時間。

注意：這里要考慮探空儀的地理坐標和空間直角坐標之間的換算。

4.3 通信工作原理

通信系統分為收（地）、發（球）兩端，為單向數據傳輸，由以下功能模塊組成：射頻調制解調模塊、糾錯編碼模塊、糾錯譯碼模塊、數據傳輸控制模塊、數據采集模塊。

GPS數據由GPS模塊產生， PTU數據由PTU模塊產生，數據采集模塊將接收到的GPS、PTU數據打包成幀。成幀后的數據進入編碼器進行編碼，最后進入調制模塊進行FSK調制并發射出去。接收端對收到的信號進行解調、譯碼、解幀，最后將數據傳送給終端計算機。

4.3.1 編 碼

本系統采用的射頻是氣象專用頻率400 MHz，該頻段無線電干擾嚴重，無法避免。另外由于球載設備的空中姿態變化會帶來信道快衰落，對傳輸也會有比較大的影響。針對這樣一個同時受到隨機錯誤和突發錯誤影響的混合信道，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。快衰落一般造成的誤碼是一長串，而不是單獨的一個一個，而交織技術是將待傳的信息重新排序，這樣可以把突發的連串錯誤打散，變成單個的錯誤，這樣對于編碼糾錯是有利的，對消除快衰落產生的影響有很好的效果。綜合考慮以上問題，我們可以在發端采用卷積編碼[4]加交織，收端采用Viterbi譯碼[5]。這種方案在第二代通信系統中被采用，適合于低速數據的傳輸。

典型的（n，m，k）卷積碼編碼器是指輸入位數為m、輸出位數為n、約束長度為k的卷積碼編碼器，編碼速率為m/n。一個（2，1，7）的卷積碼編碼器如圖5示，可用6個移位寄存器實現。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與時間的關系，求出碼集所有碼字中與接收序列有最小距離度量的碼字。在譯碼器中有一個與發送端一樣的本地編碼器，只不過這個編碼器能遍歷所有可能的編碼路徑，而譯碼就是在每一時刻都將這些路徑與接收序列進行距離度量，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為發射頻率，D為傳輸距離。

電波從電臺發出，經過饋線和天線，通過空中向遠方傳播，信號受到衰減，到達接收機時，接收場強電平：

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

Pt為發射功率，Gt，Gr為收發饋線增益， Lt，Lr為收發饋線損耗。

技術衰落儲備越多，抗干擾能力越強，誤碼越少。

4.3.3 視距的計算

無線電波的傳輸距離不僅取決于功率，即要求接收機有一定的技術衰落儲備，還受天線所設高度的影響，即視距的影響。由于受地球曲率的影響，兩個點（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 語

隨著GPS技術的不斷發展，GPS技術已滲透到各個領域，采用GPS技術實現氣象探空是國際上氣象探空儀發展的重要趨勢，于是對GPS探空儀技術進行了深入的研究，介紹了GPS氣象探空的工作方式，并對其工作原理進行了詳細的說明。為使我國探空技術趕上國際水平，要盡快發展GPS探空技術。

參考文獻

[1]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社，2003.

[2]熊志昂，李紅瑞，賴順香.GPS技術與工程應用[M].北京:國防工業出版社，2005.

[3]徐剛，王培延.GPS氣象探空原理與工程設計[J].導航:2005，41(2):115—118.

[4]曹志剛，錢亞生.現代通信原理[M].北京:清華大學出版社，1992.

[5]王新梅，肖國鎮.糾錯碼——原理與方法(修訂版)[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

作者簡介 劉曉琴 女，1975年出生。主要研究方向為個人通信與無線通信。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。