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北斗探空系统研发及其测风性能初步分析

张恩红 曹云昌 朱彬

张恩红, 曹云昌, 朱彬. 北斗探空系统研发及其测风性能初步分析. 应用气象学报, 2013, 24(4): 464-471..
引用本文: 张恩红, 曹云昌, 朱彬. 北斗探空系统研发及其测风性能初步分析. 应用气象学报, 2013, 24(4): 464-471.
Zhang Enhong, Cao Yunchang, Zhu Bin. Developing of beidou radiosonde system and analysis on its wind measuring performance. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(4): 464-471.
Citation: Zhang Enhong, Cao Yunchang, Zhu Bin. Developing of beidou radiosonde system and analysis on its wind measuring performance. J Appl Meteor Sci, 2013, 24(4): 464-471.

北斗探空系统研发及其测风性能初步分析

资助项目: 

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY201006048

详细信息
    通信作者:

    朱彬,email: binzhu@nuist.edu.cn

Developing of Beidou Radiosonde System and Analysis on Its Wind Measuring Performance

  • 摘要: 高空气象观测是综合气象观测系统的重要组成部分,对天气预报、气候变化等业务科研具有重要的作用。基于北斗卫星导航系统研发了北斗探空仪及地面接收系统,目前试验样机生产已初步完成。北斗探空仪可采取单北斗、单GPS、北斗与GPS混合定位测风等3种测风模式,试验结果表明:北斗探空仪采用混合定位测速方式测风与GPS标准探空仪相比, 北向速度标准差为0.05 m·s-1,平均偏差为-0.05 m·s-1; 东向速度标准偏差为0.03 m·s-1, 平均偏差为-0.01 m·s-1; 高度标准偏差为6.88 m,平均偏差为7.48 m。北斗探空仪测风性能与GPS探空仪相当。
  • 图  1  北斗卫星导航系统星座示意图

    (a) 部署完善后的北斗卫星导航系统星座[6],(b) 当前北斗卫星导航系统星下点轨迹[7]

    Fig. 1  Schematic diagram of Beidou Satellite Navigation System

    (a) the constellation of Beidou Satellite Navigation System after the deployment to improve[6],(b) the ground track of the current Beidou Satellite Navigation System[7]

    图  2  北斗探空仪组成结构 (a) 和地面接收系统组成结构 (b) 框图

    Fig. 2  The diagram of Beidou radiosonde structure (a) and the ground receiving system structure (b)

    图  3  北斗探空仪与GPS探空仪轨迹对比

    Fig. 3  The trace comparison of Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    图  4  北斗探空仪与GPS探空仪垂直定位差值变化

    Fig. 4  The change trend of the vertical location difference between Beidou radiosonde

    图  5  北斗探空仪与GPS探空仪的水平定位偏差散点图

    Fig. 5  The scatterplot of the horizontal positioning difference between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    图  6  北斗探空仪与GPS探空仪北向速度对比 (a) 与东向速度对比 (b)

    Fig. 6  The speed comparison in the north (a) and east (b) directions between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    图  7  北斗探空仪与GPS探空仪北向和东向风速差值变化

    Fig. 7  The change trend of the difference of velocity measurements in north and east directions between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    图  8  单北斗探空仪与GPS探空仪北向和东向测速差值变化

    Fig. 8  The change trend of the difference of velocity measurements in north and east directions between the single Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    图  9  北斗探空仪与GPS探空仪在规定层上的北向和东向测速差值变化

    Fig. 9  The change trend of the difference of velocity measurements at specified level between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

    表  1  CC50测风模块性能指标

    Table  1  The performance index of CC50

    参数 指标
    水平位置精度 5 m
    垂直位置精度 10 m
    速度精度 0.1 m·s-1
    重捕获时间 ≤1 s
    平均热启动时间 1 s
    平均冷启动时间 37 s
    输入信号 GPS L1和BD2 B1
    通道数 并行双32通道
    定位输出速率 1 Hz
    通讯端口 两个串口双向,LV-TTL电平
    下载: 导出CSV

    表  2  北斗探空仪性能指标

    Table  2  The performance index of Beidou radiosonde

    参数技术指标 范围
    探测距离 0~200 km
    探测高度 0~36 km
    温度测量范围 -90℃~50℃
    温度最大静态测量误差 0.2℃
    湿度测量范围 1%~100%(相对湿度)
    湿度最大静态测量误差 3%(相对湿度)
    气压测量范围5 hPa~1060 hPa(高度计算) 100 hPa~1060 hPa(传感器直接测量)
    气压最大测量误差 1 hPa
    风速测量范围 0~150 m·s-1
    风速最大测量误差 ±0.3 m·s-1
    风向测量范围 0°~360°
    风向最大测量误差 ±3°(风速分量大于3 m·s-1)
    发射机频率范围 401~406 MHz
    发射机发射功率 ≤23 dBm
    发射机发射谱宽 ≤20 kHz(-50 dBc)
    发射机频率稳定度 ≤20 kHz(温差≤100℃)
    天线频率范围 1567.75±9 MHz
    天线增益 >3 dBi
    天线极化方式 右旋极化
    下载: 导出CSV

    表  3  3种模式静态定位精度对比

    Table  3  The comparison of three modules for the positioning precision in the static test

    模式 CEP50/m 水平标准差/m 高度标准差/m 速度标准差/(m·s-1) 平均PDOP
    GPS 2.11 2.67 5.49 0.02 1.80
    北斗 8.16 12.64 20.27 0.06 5.03
    北斗与GPS混合 2.10 2.66 5.93 0.02 1.40
      注:CEP50为圆概率误差。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-01-31
  • 修回日期:  2013-06-12
  • 刊出日期:  2013-08-31

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