基于GPS技術的綜合氣象觀測設備時間校準器研制

趙雪明　張福斌　張昊喆

摘 要 設計了基于GPS授時技術的綜合氣象觀測設備時間校準器，解決了目前各級氣象臺站各種綜合氣象觀測設備時間校對的問題，對于氣象資料采集的準確性和傳輸的及時性具有重要的意義。

【關鍵詞】GPS技術 綜合氣象觀測 時間校準

隨著氣象現代化建設的不斷推進，綜合氣象觀測設備不斷增加。目前，吉林省已經安裝完成并投入使用的新一代天氣雷達5部，中頻相參多普勒天氣雷達2部，國家級自動氣象站54個，L波段探空系統3部。觀測設備系統時鐘準確與否將直接影響到觀測資料的準確性和及時性。準確性指觀測資料是否真實反映出精準時間下的客觀事實。及時性指資料是否及時上傳。目前，各級氣象臺站校對時間的方法一般采用通過撥打授時電話12117或者通過收聽調頻收音機整點報時進行對時，這兩種對時方法極為不便而且時間校準不夠精準，主觀性較強，不能滿足現代綜合氣象觀測設備對時間精確程度的要求。

1 時間校準器功能需求

綜合氣象觀測設備屬于科技含量較高的現代化氣象裝備，新一代天氣雷達，L波段探空系統等是高、低頻電子器件較多的電子設備，工作機房電磁環境十分復雜，需要時間校準器具有一定的抗干擾性，在硬件選型、軟件設計等方面要考慮電磁環境影響。綜合氣象觀測設備的工作特點對時間校準器的可靠性有較高要求，要求時間校準器具有故障自動檢測、信號丟失自動報警等功能。

綜合氣象觀測設備時間校準器可以輸出和顯示標準時間，GPS信號失鎖后，準確時間可以持續，不小于2天。時間校準器可以較為方便的實現對各氣象探測設備的方便校時。

2 總體結構

GPS同步授時系統的硬件以嵌入式微處理器及其外圍部件為基礎，通過串口收發數據并控制GPS接收模塊最終達到系統要求。由于綜合氣象觀測設備對時間精度要求較高，因此在硬件的設計上還應該考慮時鐘的自保持能力，當GPS接收失鎖，電磁干擾時，時間校準器使用內置晶振時鐘電路進行自保持。系統框圖如圖1所示。

其工作流程為，GPS接收模塊通過GPS天線接收衛星發出的數據報文，CPU通過程序提取數據報文中的信息，通過串口輸出到被校時設備。同時GPS輸出秒脈沖至晶振，實現設備時鐘的高精準度。

3 硬件設計

時間校準器CPU選用ARM7處理器，是系統的核心部件負責GPS數據報文的采集、處理以及時間信息的輸出等功能。ARM7處理器具有低功耗，低成本，高性能的特點。采用RISC指令集，提高了指令的執行效率，運行速度較快，目前在智能儀表以及工業控制等領域具有廣泛的應用。GPS天線與接收模塊等部件均采用美國原裝產品，具有精度較高，穩定性較好，功能強，無累積誤差，免維護等特點。

4 軟件設計

GPS數據輸出的報文為 NMEA報文. NMEA是美國國家海洋電子協會（National Marine Electronics Association ）為海用電子設備制定的標準格式NMEA-0183協議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。GPS 上電后， 每隔一定的時間就會返回一定格式的數據，數據每行都以‘$開頭，接著是信息類型，后面是數據，以逗號分隔開。信息的類型有：（1）GPGSV：可見衛星信息，（2）GPGLL：地理定位信息，（3）GPRMC：最小定位信息，（4）GPVTG：地面速度信息，（5）GPGGA：GPS 定位信息，（6）GPGSA：當前衛星信息。因為GPRMC 最小定位信息包含系統所需要的時間信息，所以嵌入式處理器只需提取最小定位信息中的時間數據。軟件編寫提取最小定位信息里的UTC時間和日期信息。從而得出精準的時間信息，以一定的格式通過串口發給被校時的綜合氣象觀測設備，從而實現對綜合氣象觀測設備的校時。

5 小結

針對綜合氣象觀測設備的特點，設計開發了基于GPS技術的綜合氣象觀測設備時間校準器，該時間校準器可以接收GPS衛星播發的數據，提取UTC日期和時間信息并且轉換成標準時間格式的字符串通過串口發送給被校時的綜合氣象觀測設備。可以改變目前各級氣象臺站使用調頻收音機或撥打電話12117對時的現狀，校時精度也較傳統方式有較大的提高。應用于新一代天氣雷達時，對于短時臨近天氣預報、防災減災工作具有重要的意義。應用在自動站設備中時，可以使自動站數據采集時間更準確，時間準確度的提高可以進一步實現各探測設備的同步觀測。該時間校準器為綜合氣象觀測裝備提供了快捷、準確、安全的授時解決方案。

參考文獻

[1]謝鋼.GPS 原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]彭剛，春志強.基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]陳軍，潘高峰譯.James Bao-yen Tsui. GPS 軟件接收機基礎[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4]龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C 串口通信編程實踐[M].北京：電子工業出版社，2006.

作者單位

1.成都信息工程學院大氣科學學院 四川省成都市 610225

2.吉林省氣象探測保障中心 吉林省長春市 130062

3.樺甸市氣象局 吉林省樺甸市 132400