附件1北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统功能需求书中国气象局综合观测司二〇一二年九月前言为规范北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统的研制和生产，中国气象局综合观测司组织中国气象局气象探测中心编写了《北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统功能需求书》。

本需求书针对综合应用北斗和GPS导航卫星双模的高空气象观测体制，主要提出了系统的总体要求、结构与组成、基本功能、技术性能。

系统的研制、生产和使用必须遵从本功能需求书。

本功能需求书解释权归中国气象局综合观测司。

目录1 总体要求 (1)2 系统组成 (1)2.1 探空仪 (2)2.2 地面信号接收和处理设备 (3)3 系统功能 (3)3.1 探空仪 (3)3.2 地面信号接收和处理设备 (4)3.3 软件系统 (4)3.3.1 放球操作 (5)3.3.2 探空数据处理 (5)4 技术性能及其指标要求 (5)4.1 工作频段 (5)4.2 观测范围 (6)4.3 测量范围和最大允许误差 (6)4.3.1 探空仪定位 (6)4.3.2 风矢量速度 (6)4.3.3 气温 (6)4.3.4 相对湿度 (6)4.3.5 气压 (6)4.3.6 风向 (7)4.3.7 风速 (7)4.4 探空仪 (7)4.4.1 结构要求 (7)4.4.2 测量传感器 (8)4.4.2 测风模块 (8)4.4.3 发射机 (8)4.4.4 数据传输速率 (9)4.4.5 电池 (9)4.5 地面信号接收处理设备 (9)4.5.1 天线类型 (9)4.5.2 天线抗风能力 (9)4.5.3 接收灵敏度 (9)4.5.4 电源 (9)4.5.5 电源适应性 (9)4.5.6 接收设备与天线距离 (9)4.5.7 计算机 (9)4.5.7 连续工作时间 (10)4.6 探空仪检测箱 (10)4.7 可靠性和维修性 (10)4.7.1 可靠性 (10)4.7.2 维修性 (11)4.8 电气安全性 (11)4.9 电磁兼容性 (11)4.10 环境适应性 (12)4.10.1 工作环境 (12)4.10.2 系统贮存环境 (12)4.10.3 运输和振动 (12)4.11 软件系统 (13)4.11.1动态链接库调用 (13)4.11.2 放球操作 (15)4.11.3 探空数据处理 (16)5 技术文件和资料 (19)1 总体要求北斗-GPS高空气象观测系统应集成北斗和GPS导航双模测风体制，能够按照《常规高空气象观测业务规范》要求，完成高空气象观测任务，总体要求包括：系统能在恶劣天气环境中完成正常探空业务。

系统采用通用化、系列化、组合化设计，降低系统的复杂程度。

系统安装、调整、标定和校正方便，维修维护简便易行。

系统须选用合格的耐老化、抗腐蚀、电气绝缘的材料和元器件，材料和元器件须经过严格检验和老化筛选处理，并采用降额使用的方法提高可靠性。

系统的焊缝整齐平滑，无焊渣、气孔，铆接牢固、可靠，无歪斜、松动，连接件、紧固件无锈、无损、无松动、无变形等缺陷，结构件的表面须经涂、敷、镀等工艺程序，具有耐潮、防霉、防盐雾等性能。

系统软件设计符合相关标准要求，软件结构便于修改和维护，操作界面简明，方便使用，易于学习。

系统各部件颜色应协调，不应有影响读数和观察的缺陷。

软件系统要求运行稳定、可靠，界面直观友好，操作简便快捷，自动化程度高，允许人工介入各种处理过程，提供强大的数据恢复、备份、联网能力，输出的气象产品能够满足业务要求。

数据处理方法严格遵循中国气象局的《常规高空气象观测规范》，在生成常规业务产品的基础上，满足其它业务和科研的观测数据产品需求。

2 系统组成北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统由北斗GPS导航测风探空仪（以下简称探空仪）、地面信号接收处理设备和探空仪检测箱三部分组成，如图1所示。

其中各部分具体组成如下：2.1 探空仪探空仪由包括北斗-GPS 信号接收和处理电路模块（测风模块）、温度和湿度测量元件、信号采集和转换模块及数字编码和调制模块（内嵌气压传感器）、发射机和电池等组成。

具体如图2所示：图1 北斗-GPS 导航卫星高空气象观测系统组成示意图2.2 地面信号接收和处理设备地面信号接收和处理设备包括探空仪信号接收和解调单元、导航卫星信号接收机、数据终端处理单元、传输接口、探空仪检测箱等。

采用在线UPS电源与市电一起不间断供电。

其组成用图3表示。

其中，探空仪检测箱所采用的温度和湿度标准器为铂电阻通风干湿表，气压标准器采用硅压阻压力传感器。

检测箱用电机带动风扇形成气流循环，为保证测试室温度、湿度的稳定性和均匀性，整个风道为上下型回流式风洞结构，其测试室和湿度控制室分别置于环形通风道的上、下面。

3 系统功能3.1 探空仪3.1.1 温湿度测量。

探空仪温湿度测量元件安装在探空仪盒体伸出的支架上，温度、湿度测量元件的测量数据通过数据采集模块应能转换为数字信号送至信号编码调制模块。

3.1.2 气压测量。

北斗-GPS导航卫星高空气象观测系统主要采用卫星定位测量高度反算气压，为满足用户精细化探测的需求，搭载气压传感器，同步从地面至100hPa进行观测。

3.1.3 探空仪校准信息。

存储于探空仪的器件中，并在地面基测时传送给地面接收终端。

3.1.4 风及空间位置的测量。

探空仪由安装在探空仪上的测风模块接收和处理北斗-GPS导航卫星定位信息，并接收卫星时间信息、卫星位置信息和卫星信号状态信息等，实时确定探空仪飞行轨迹上每秒间隔的三维坐标和三维速度，相关信息通过编码调制模块传送给发射机发回地面，经地面信号接收和处理设备进行后续计算。

3.1.5 信号传输。

发射机将经过调制的载波信号通过功率放大器放大，经发射天线将放大后的射频信号向地面接收处理设备发送。

3.2 地面信号接收和处理设备3.2.1 地面信号接收处理设备通过探空仪信号接收天线、探空信号接收和解调装置，接收和解调探空仪发射信息，获取以下信息：（1）探空仪随施放时间变化的三维坐标和三维速度；（2）探空仪传感器测量到的温度、湿度和气压原始数据，以及探空仪状态信息原始数据。

3.2.2 地面信号接收处理设备通过导航卫星接收天线接收导航卫星定位信息，获取地面信号接收和处理设备的位置信息和时间信息；3.2.3 数据终端处理单元采用高档微机，其配置满足信号接收、数据存储及处理需求，接口通用。

通过搭载软件系统，实现探空数据编辑、报文产品生成等功能，并通过I/O接口及附属设备，实现人机交互以及产品显示和传输等功能。

3.2.4 地面信号接收处理设备配有探空仪检测箱，用于探空仪施放前的基值测定，以判定探空仪的测量性能是否合格，并对合格的探空仪提供温度和湿度修正值，同时提供反算气压用的地面基准气压值。

3.2.5 地面信号接收处理设备有维修检查接口及维修调试软件，故障隔离到电路板级；具有故障自检和报警功能，能在显示器的窗口画面上显示故障类型和故障部位。

3.3 软件系统软件系统功能主要包括放球操作和数据处理功能。

具体如下：3.3.1 放球操作3.3.1.1 根据《常规高空气象观测业务规范》要求，具有地面信号接收处理设备对台站参数、地面参数、设备参数等设置和参数调用功能。

3.3.1.2 具有地面信号接收处理设备操作、运行状态监控功能。

3.3.1.3 具有探空仪信号接收、解调和计算机自动预处理（粗大误差自动剔除、自动数据插值替换、数据误差订正、数据平滑等数据预处理）功能。

3.3.1.4 根据《常规高空气象观测业务规范》要求，具有包括温度、湿度、气压、高度、风向风速、探空仪状态信息、卫星定位信息等的图形和数字显示功能，支持实时人工数据编辑和人机互动。

3.3.1.5 具备数据安全保护功能，能定时备份存储数据，并在系统“死机”时支持系统重启后恢复放球操作。

3.3.1.6根据《常规高空气象观测业务规范》要求，在探空完成后将经处理（自动预处理和人工二次处理）后的观测数据，形成标准数据文件。

保存未经订正处理的、经过预处理的和进行了人工二次处理的所有数据；3.3.2 探空数据处理针对经动态链接库预处理和人工二次处理后的标准数据文件，根据《常规高空气象观测规业务范》中的数据处理方法对探空数据进行显示、删除、修改、处理等工作，软件还应提供人机交互手段，操作员能够以人工介入的方式处理各种数据，在此基础上生成要求的报文，并完成文件打印和上传。

具体功能包括3.3.2.1 对标准数据文件的秒数据和相关参数信息进行再次编辑处理功能。

3.3.2.2 针对3.3.2.1编辑处理后的数据进行探空数据处理和产品生成。

3.3.2.3 报表生成和数据通信功能。

3.3.2.4 图形显示功能。

3.3.2.5打印、窗口查看、快捷操作和帮助查询等辅助功能。

4 技术性能及其指标要求4.1 工作频段P波段（401 MHz～406 MHz）及其他气象仪器可用频段。

频谱应与GNSS兼容。

4.2 观测范围最大观测高度：≥36 km；最大观测斜距：≥200 km。

4.3 测量范围和最大允许误差4.3.1 探空仪定位测量高度范围：0～36km水平最大允许误差：±10 m；垂直最大允许误差：±20 m。

4.3.2 风矢量速度测量高度范围：0～36km水平分量（南北和东西）最大允许误差：±0.2m/s。

4.3.3 气温测量范围：+50℃～-90℃；最大允许误差：50℃～-80℃：±0.2℃；-80℃～-90℃：±0.3℃。

4.3.4 相对湿度测量范围：0～100% RH；最大允许误差：±3%RH。

4.3.5 气压采用导航卫星提供的高度计算以及气压传感器观测两种方式联合观测，高度反算气压时以探空仪检测箱提供的地面气压值为基准点计算气压值。

高度反算气压：测量范围：1060 hPa ～1 hPa，最大允许误差：具体见表1。

气压传感器观测（用户可选项）：指标应用范围：1060 hPa ～100hPa最大允许误差：１hPa表1 高度反算气压指标高度（km）位势高度最大允许误差（gpm）气压最大允许误差（hPa）1 15 1.53 15 1.56 20 1.510 30 1.516 60 120 100 124 100 0.532 120 0.24.3.6 风向测量高度范围：0～36km测量范围：0°～360°；最大允许误差：±3°（风速大于3m/s）。

4.3.7 风速测量高度范围：0～36km测量范围：0～150 m/s；最大允许误差：±0.3 m/s。

4.4 探空仪4.4.1 结构要求4.4.1.1 探空仪测量元件的安装应牢固、可靠,探空仪处于水平、垂直、倒置、旋转运动时均应能保持其测量性能。