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中国气象局全球卫星导航气象探测基准站建设指南


中 国 气 象 局 全球导航卫星系统大气探测基准站网 建设指南

(试行稿)

中国气象局监测网络司 二 OO 六年一月

编制说明
利用全球卫星定位系统(GPS)技术发展起来的 GPS 气象学(GPS/MET) ,经过广大 科学工作者研究与实践,已经在以下两方面取得了新的进展:一是利用地面的 GPS 接收机

测量整层大气的水汽含量和电离层电子数密度;二是利用低轨道卫星上的 GPS 接收机,在 GPS 卫星、地球和低轨卫星之间发生掩星事件时,探测大气折射率廓线,进而反演电离层 电子数密度、大气温度、气压或湿度的垂直分布。 GPS/MET 作为一种大气遥感探测新技术, 国外发达国家在技术研究及业务应用上, 已 经取显著成果。近年来,我国气象部门也积极开展 GPS/MET 的研究和业务化试验,取得 了一定的成绩,为业务化奠定了基础。目前,全国气象部门通过自建或与其他部门合作建 设、共享数据的 GPS 站总数近百个。根据“十一五”发展规划,我国气象部门一方面要加 大自建 GPS 站的力度,另一方面通过与其他部门合作共建 GPS 站,从而形成布局基本合 理的 GPS 站网。与此同时,还要加快 GPS/MET 在气象领域的研究,并按照大气探测业务 系统的要求进行规划布局、建设以及业务运行等。 为了加强对全国气象部门进行 GPS 站建设的指导,我司组织国家卫星气象中心和国 家基础地理信息中心编制了《全球导航卫星系统大气探测基准站网建设指南》 ,为全国气 象部门建设 GPS 站提供依据。

中国气象局监测网络司 二 OO 六年一月





本《指南》是根据现阶段和今后一段时期内中国气象局采用全球导航卫星定位技术建 设大气探测基准站网而制定的。 内容涉及连续运行站和数据中心的建设。 本《指南》由中国气象局提出并归口。 本《指南》由国家卫星气象中心负责起草。 本《指南》主要起草人:夏青、方宗义、李峰、赵志强、武军郦、曹云昌、杨光林 本《指南》由中国气象局负责解释。


1 2 3 4 5 范围 规范性引用文件 术语和定义 缩略语 构成 5.1 5.2 5.3 6 连续运行基准站 数据通信网络 数据中心



分类与布设原则 6.1 6.2 6.3 分类 国家气象基准站网 区域气象基准站网

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基准站建设 7.1 7.2 7.3 选址 基建 设备配置

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数据中心 8.1 8.2 8.3 8.4 一般原则 基准站网管理系统 数据处理分析系统 产品服务系统

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数据通信网络 9.1 9.2 9.3 一般原则 通信协议 通信链路

中 国 气 象 局 全球导航卫星系统大气探测基准站网建设指南
1 范围 本《指南》规定利用全球导航卫星系统(GNSS)技术建设连续运行的大气探测基准站 网(以下简称连续运行站网)及其运行的基本要求。连续运行站网的构成:类别定义、基 准站(站址选择、基建、仪器设备配置) 、数据通信网络、数据中心(数据处理、数据管 理、产品服务) 。 本《指南》适用于连续运行站及数据中心建设,也可作为区域连续运行站建设及相应 数据中心建设的依据。

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规范性引用文件 下列文件中的条款通过本规范的引用而成为本规范的条款。 GB/T 18314—2001 全球定位系统(GPS)测量规范 GB/T 12897—1991 国家一、二等水准测量规范 GB/T 16952—1997 卫星通信中央站通用技术条件 GB 17859—1999 计算机信息系统安全保护等级划分准则 GB 7450—87 电子设备雷击保护导则 GB 50057-94 建筑物防雷设计规范 GB/T 16821—1997 通信用电源设备通用试验方法 CH 8016—1995 全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程

3 术语和定义 3.1 全球导航卫星系统 采用全球卫星无线电定位技术确定时间和目标的空间位置的系统。当前包括美国的 GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统。 3.2 精密星历 利用全球或区域导航卫星跟踪站网确定的导航卫星精密轨道信息。 3.3 地球参考框架 由国际地球自转服务局提供的,基于多种空间大地测量技术的观测数据分析得到的一 组全球站坐标和速度场, 是国际地球参考系统的具体实现和维持。 它具有明确的定向基准、 原点基准、尺度基准和框架时间演变基准。 3.4 全球导航卫星系统大气探测 GPS的定位准确度受到大气层,包括电离层和对流层的影响,对大气影响的订正成为 控制GPS测量精度的关键,尤其是大气中的水汽对测量误差的影响最难处理,但这也提供 了一种全新的探测大气的方法。

3.5 实时数据服务 时间延迟在15分以内的数据服务。 实时产品服务 时间延迟在75分以内的数据服务。 3.6 快速数据服务 时间延迟在12小时以内的数据服务。 快速产品服务 时间延迟在12小时以内的数据服务。 3.7 事后数据服务 时间延迟在24小时以上的数据服务。 事后产品服务 时间延迟在24小时以上的数据服务。 3.8 精密相对卫星钟差 与绝对卫星钟差之间的一个系统性偏差。 3.9 误码率 在测试时间内误码的元码数占传输流总码数的比率,一般规定,连续测试时间不小于 24小时。

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缩略语 ITRF International Terrestrial Reference Frame 国际地球参考框架 IGS International GPS Service 国际GPS服务局 PPS Pulses Per Second UPS Uninterruptible Power Supply 不间断电源 每秒脉冲数

5 构成 5.1 连续运行基准站 连续运行基准站(以下简称基准站)是由全球导航卫星系统接收机及天线、计算机、 气象设备、通讯设备及电源设备、观测墩等构成的观测系统。它长期连续跟踪观测全球导 航卫星信号,通过数据通信网络定时、实时或按数据中心的要求(询问方式)将观测数据 传输到数据中心。 5.2 数据通信网络 数据通信网络是利用通信链路实现基准站与数据中心、数据中心与用户间数据交换的 系统。它完成数据传输、远程监控管理、数据共享和数据产品分发等任务。 5.3 数据中心 数据中心是汇集、存储、处理和分析基准站数据资源,并形成产品和开展服务的机构。

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基准站分类与布设原则

6.1 分类 中国气象局建设的连续运行基准站网属于本行业的专业应用网 依据管理形式、任务要求和应用范围,连续运行基准站网可划分为: ——国家 GNSS 大气探测基准站网; ——区域 GNSS 大气探测基准站网。 6.2 国家 GNSS 大气探测基准站网 中国气象局根据本行业需求建立的连续运行基准站网,用于开展气象探测业务,满足 气象预报、空间天气和气候变化等应用与科学研究的要求。 6.3 区域 GNSS 大气探测基准站网 区域网的基准站,是国家站网的补充,用于开展区域性气象探测。布设密度应根据区 域气象业务与服务需求进行设计。

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基准站建设

7.1 选址 7.1.1 观测环境 ——远离周边的高大建筑、树、水体、海滩和易积水地带,其距离不小于 200m; ——应有 5—10°以上的地平高度角卫星通视条件; ——远离电磁干扰区(微波站、无线电发射台、高压线穿越地带等),其距离不小于 200m; ——避开铁路、公路等易产生振动的地点。 7.1.2 地质环境 ——国家大气基准站网的基准站一般应建立在稳定地基上,应避开地质构造不稳定区 域:断层破碎带,易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点(如采矿区、油气开采区、地下 水漏斗沉降区等),易受水淹或地下水位变化较大的地点; ——区域大气基准站网的基准站参照上款要求或依据自身特殊需求选择稳定的建站 环境。 7.1.3 维持条件 ——便于接入气象专业通信网络或公共通信网络; ——具有稳定、安全可靠的电源; ——交通便利,便于人员往来和车辆运输。 ——安全保障,人员与设备安全。 7.1.4 实施步骤 站址选择工作程序应符合以下规定: ——建站人员应根据技术设计进行踏勘,在实地按要求选定点位; ——实地绘制点之记, ——实地绘制概略地形图,为基准站设计使用;

——在预计站点位置进行踏勘,确认基岩、土壤类型及其承重能力等; ——实地进行观测,以 1s 采样间隔记录不少于连续 24h 的 GNSS 信号观测数据,当载 波相位数据利用率低于 80%时,该站需要变更站址。观测数据作为选点依据归档备查。 ——由电磁环境监测资质的单位进行电磁环境测量。 7.1.5 提交成果 选址结束后,应提交选址报告,内容包括: ——所属行政区划,自然地理、地震地质概况、交通、通讯、物质、水电、治安等情 况; ——点位的远、近景照片; ——选址点之记; ——实地测试数据和结果分析; ——电磁环境监测数据; ——收集的其他资料。 7.2 基建 7.2.1 观测墩 观测墩一般为钢筋混凝土结构,依据基准站建站地理、地质环境,观测墩可分为基岩 观测墩、岩石观测墩、土层观测墩和屋顶观测墩四类。 ——根据地质条件、周边环境条件,具体设计观测墩; ——基岩、岩石和土层观测墩应高出地面 2m,一般不超过 5m,;对于屋顶观测墩, 高度应大于 1.5m; ——基岩、岩石和土层观测墩应加装防护层,防止风雨与日照辐射对观测墩的影响; ——对于基岩观测墩,内部钢筋与基岩紧密浇注,浇注深度不少于 0.5m; ——对于岩石观测墩,钢筋混凝土墩体应埋于解冻线 2m 以下; ——对于土层观测墩,钢筋混凝土墩体应埋于解冻线 2m 以下; ——对于屋顶观测墩,内部钢筋应与房屋主承重结构钢筋焊接,结合部分应不少于 0.1m; ——观测墩应浇注安装强制对中标志,并严格整平,墩外壁应加装(或预埋)适合线 缆进出硬制管道(钢制或塑料),起保护线路作用; ——基岩、岩石和土层观测墩与地面接合四周应做不低于 5cm 左右的隔振槽,内填粗 沙,避免振动带来的影响; ——屋顶观测墩与屋顶面接合处应做防雨处; ——应对观测墩的稳定性进行监测; ——观测墩及天线应进行雷电防护系统建设。 7.2.2 观测室 ——根据地质条件、周边环境条件,具体设计观测室; ——观测室应在观测墩周围建设,工作面积应在 10m2 左右; ——观测室地基应牢固,并敷设防水层,周围考虑排水设计;应考虑防水、排水、防 风、防雷设计;结构中应预埋进出两种管线通道(电力和信号通道),并进行动物防护处 理;

——观测室内应安装空调设备或通风换气设备,使室内气温和相对湿度满足仪器设备 正常工作的要求; ——在满足以上条件的情况下,因地制宜,可就近将气象站观测室设为 GNSS 基准站 观测室。 7.2.3 其他要求 ——基准站站址选定后,建站所占用的土地,依据相关土地管理法规办理用地手续; ——基准站的建设单位应委托当地有关单位指派专人负责管理; ——国家大气基准站网的基准站应与国家大地坐标系的网点进行联测,区域大气基准 站网中应有不少于 3 个站进行联测; 7.2.4 实施步骤

基准站基建工作程序应按照以下步骤进行: ——在选址工作的基础上完成基准站建筑的整体设计及专项防护设计(如防风、防雷 等); ——建造观测墩和观测室地基; ——建造观测室主体结构; ——敷设电力线、通信线等管线; ——进行设备安装调试及试运行,待验收完毕后正式使用。 7.2.5 提交成果 基建工程完成后,应提交以下成果: ——《基准站设计方案》,包括整体式样、观测墩结构、观测室结构、管线、排水、 安防等专项设计,施工方案、经费预算等。 ——《基准站基建工程报告》,包括施工进度、经费使用、建筑结构图,竣工地形图 (当地气象站范围)等。 7.3 设备配置 7.3.1 组成 基准站主要设备由全球导航卫星系统接收机及天线、气象设备、电源、通讯设备、雷 电防护设备、计算机、集成柜等组成。 7.3.2 接收机 7.3.2.1 技术指标 ——具有同时跟踪不少于 12 颗卫星的能力; ——至少具有 1s 采样率的数据观测能力; ——观测数据至少应包括:双频测距码、双频载波相位值、卫星广播星历; ——具有在-20°C 到+55°C、相对湿度≤95%的环境下正常工作的能力; ——具备外接频标输入口,可配 5MHz 或 10MHz 的外接频标; ——具备 3 个以上的数据通讯接口,接口可包括 RS232、USB 等; ——具有输出原始观测数据、导航定位数据、差分修正数据、1PPS 脉冲的能力; ——在 30s 采样率的条件下,接收机内存可连续保存至少 7 天的数据。 7.3.2.2 安装与测试

——安装之前应按照 CH 8016 完成接收机的检定工作; ——安装或更新后,需要详细填写《全球导航卫星系统接收机登记表》; ——安装应根据其使用手册或说明进行; ——接收机应放置于通风良好、干燥、避光的地点,一般置于集成柜内。 7.3.3 天线 7.3.3.1 技术指标 ——相位中心稳定性应优于 1mm; ——具备抗多路径效应的扼流圈或抑径板; ——具有较强的抗电磁干扰能力; ——具有定向指北标志; ——在-45°C~+55°C 的环境下能正常工作; ——气候条件恶劣地区应配有防护罩。 7.3.3.2 安装与测试 ——天线必须固紧于观测墩的强制对中标志上,天线定向指北标志与真北方向差异应 小于 5°; ——天线电缆应采用低损耗的射频电缆。若电缆需要延长时,必须加装相应的在线放 大器; ——天线电缆可根据需要加装低损耗射频电缆防雷装置,并按照 GB 7450—87 进行接 地电阻测试; ——安装、更新后需要详细填写《全球导航卫星系统天线登记表》。 7.3.4 气象设备 7.3.4.1 技术指标 ——可精确测定气压、温度、湿度等气象要素; ——气压测定精度±0.3 hPa,温度测定精度±0.2°C(不低于±0. 5°C),湿度测定精度 ±3%; ——可连续测定气象元素,具有多采样率设置的能力; ——具备自动记录、与 GPS 数据打包实时输出的功能; ——具备数据通讯接口。 7.3.4.2 安装与测试 ——安装前应进行设备测试,取得授权部门的检测证书; ——安装须按照设备使用手册进行; ——传感器架设高度应与接收机天线上平面高度相同,高度误差不大于 10cm,平面位 置距离小于 5m; ——敷设数据传输线,若线长超过 30m,应加装偶合器或转换器; ——根据需要可加装数据传输线防雷设备; ——安装、更新后需要详细填写《气象设备登记表》。 7.3.5 电源设备 7.3.5.1 技术指标 ——单相市电供电,并加装智能在线式 UPS;

——后备电源可选择使用太阳能、大容量电池组等; ——后备电源单独供电时,至少能维持基准站设备连续工作 12h; ——电源线路应作接地保护并加装电涌防护设备。 7.3.5.2 安装与测试 ——依据有关标准敷设、安装供电系统,并加装电涌防护设备; ——基准站内全部设备由 UPS 供电,电压不稳定地区可按需要加装交流稳压器; ——安装、更新后需要详细填写《电源设备登记表》。 7.3.6 通讯设备 7.3.6.1 技术指标 ——可长期、可靠、连续地工作; ——基准站—省局通信系统数据传输速率应大于 64kbps; ——省局通信系统—国家信息中心数据传输速率应大于 128kbps; ——实时通讯时通讯误码率应小于 10-9,延时小于 100ms; ——有条件时基准站—省局通信系统应采用两种相互独立的数字通信链路,提高数据 传输的可靠性。 7.3.6.2 安装与测试 ——根据需要可加装信号线(或射频线)防雷设备; ——室内通讯设备应尽可能远离接收机; ——安装、更新后需要详细填写《通讯设备登记表》。 7.3.7 雷电防护设备 ——雷电防护主要指建筑物整体、站内外电子设备的雷电防护,依据 GB 50057 和 GB 7450 执行; ——基准站根据需要可加装电力线、通信线、射频线电涌防护设备和建筑物雷电防护 设备。 ——由具备专业资格的工程人员设计防护结构和系统; ——安装及测试工作由专业技术人员完成; ——安装、更新后需要详细填写《雷电防护设备登记表》。 7.3.8 计算机与软件 7.3.8.1 技术指标 ——应选择符合工业标准的计算机; ——计算机应具备 4 个以上的数据通讯接口, 其中必须具备接入 GNSS 和气象数据的通 讯接口; ——计算机至少应具备连续存储 1 年的观测数据的能力; ——计算机要具备联网能力; ——应用软件应具有数据下载、格式转换、自动存储、自动传输等功能; ——应用软件选用商用软件或研制。 7.3.8.2 安装与测试 ——根据设备和软件安装说明书进行安装和测试; ——安装、更新后需要详细填写《计算机与软件登记表》。

7.3.9 集成柜 ——应选用符合工业标准的集成柜; ——具有设备散热能力; ——分层次安装机柜内各项设备。 7.3.10 提交成果 ——基准站设备安装与测试完成后,应提交基准站技术报告,内容包括: ——设计方案; ——测试报告(包括仪器检定证书、安装测试报告等); ——工作总结; ——设备登记表。

8. 数据中心 一般原则 数据中心主要由基准站网管理系统、数据处理分析系统和产品服务系统组成。 数据中心以计算机及网络技术为基础,用于数据存储、处理分析和产品服务。建设时 应考虑: ——安全性:数据中心内部局域网与外部网络进行物理隔离,并应设置不同级别的访 问权限; ——可靠性:关键设备采用冗余备份系统,关键数据采用双机异地备份; ——保密性:数据和产品应根据不同密级进行加密处理; ——可恢复性:发生故障时,数据管理系统 3h 恢复,产品服务系统 3h 恢复。 基准站网管理系统 基准站网管理系统负责对基准站设备工况进行远程监控,对基准站产生的源数据进行 采集、分流、整理和存储,对数据中心产生的各类成果数据进行规范化管理。其中源数据 包括基准站原始观测数据、广播星历、气象观测数据等;成果数据包括基准站信息、基准 站坐标、大气参数、坐标转换参数、精密星历等。 数据处理分析系统 8.3.1 数据处理原则 ——国家大气基准站网和区域气象基准站网应采用 ITRF 作为参考框架, 以适当数量和 分布均匀的 IGS 站的坐标和原始观测数据、精密星历为起算数据; ——推荐使用 IGS 提供的精密星历,可根据不同目的选用事后精密星历、快速精密星 历或预报精密星历; ——软件应采用授权机构认定的高精度数据处理软件。推荐软件:GAMIT、BERNESE、 GIPSY 等。 ——区域大气基准站网数据处理可选用商用软件; ——业务软件应符合中国气象局业务管理的有关规定; ——数据处理模型推荐采用 IERS 相关标准。 8.3.2 数据准备 ——基准站数据及质量评价;

——原始数据格式转换; ——测站信息文件准备; ——卫星星历准备; ——地球极移、章动、岁差、太阳和月亮星历等相关文件准备。 8.3.3 数据解算 ——国家大气基准站网数据解算方案应包括:小时解、单天解、年解;区域气象基准 站网包括小时解、单天解和年解; ——国家大气基准站网采用的 GNSS 精密星历应根据其相应的精度定权; 区域大气基准 站网采用精密星历时,一般采用强制性约束; ——实时应用时可采用广播星历或预报精密星历; ——实时应用时基准站坐标应采用最新的年解结果; ——地球自转参数的选用应与所采用的卫星星历一致。 8.3.4 数据分析 国家大气基准站网每年应提供下列分析报告: 1.各基准站工作状况分析; 2.数据综合处理和分析,其中包括各个基准站水汽随时间变化分析,基准站网水汽分布随 时间变化分析等; 8.3.5 结果与精度 1.国家气象基准站网应提供基准站大气参数,原则上还应提供精密卫星钟差和接收机 钟差、区域事后精密星历和预报精密星历; 2.区域气象基准站网应提供大气参数等。有条件的情况下还应提供精密相对卫星钟差 和接收机钟差; 8.4 产品服务系统 8.4.1 产品内容 1.国家气象基准站网产品主要有:基准站卫星跟踪原始数据及气象观测数据、基准站 坐标及相应精度指标、大气参数、事后及预报精密星历、精密卫星钟差等; 2.区域气象基准站网产品主要有:基准站卫星跟踪原始数据及气象观测数据、基准站 坐标及相应精度指标、精密相对卫星钟差、大气参数,有条件情况下提供实时载波相位和 伪距差分修正数据等; 8.4.2 服务类型 产品服务可分为气象、源数据等服务类型。 具体服务内容有: 1.气象服务提供快速垂直大气水汽总量和电离层 TEC 等参数; 2.源数据服务提供基准站原始观测数据、气象观测数据、站信息等。 8.4.3 产品级别 产品分为四级: 1.零级产品为原始数据; 2.一级产品为解算软件输出的大气总延迟量; 3.二级产品为垂直大气水汽总量、电离层 TEC 和区域水汽 MAP 图等;

4.三级产品为应用二级产品进行再开发的产品。

9. 9.1

数据通信网络 一般原则

国家级GNSS大气站网是利用中国气象局的气象数据通信网络。区域级GNSS大气站网是 利用当地气象局的数据通信网络。 9.2 9.3 通信协议 采用中国气象局气象数据通信网络标准进行。 通信链路 1.区域级 GNSS 大气站网需要提供实时服务;数据传输间隔应为 1h。 2.国家级 GNSS 大气站网需要提供实时服务;数据传输间隔应为 1h。 3.精密星历预报的基准站数据传输间隔应为 1h。 9.3.1 基准站 连接基准站到省局级系统的通信链路可以采用数据专线、卫星通讯等多种通信方式, 通信宽带数据传输速率不低于64kbps。数据传输实效不低于30分。 9.3.2 数据中心 国家级数据汇集到国家气象信息中心,由该中心传输到国家级数据中心,采用光纤连 接,有备份路邮;通信数据有效传输速率不低于2Mbps。


附录A 附录B 附录C 附录D 附录E 附录F 附录G 附录H 附录I 附录J 附录K 附录J 基准站点之记(表格)



基准站观测墩(建筑设计施工图) 基准站观测室(建筑设计施工图) 测量标志委托保管书 卫星定位系统接收机登记表 卫星定位系统天线登记表 气象设备登记表 电源设备登记表 通信设备登记表 雷电防护登记表 计算机与软件登记表 基准站数据通信格式


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