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1、卫星导航探空仪功能规格需求书综合观测司2020年72020年8月编写说明本功能规格需求书针对综合应用卫星导航的高空气象探测体制，规定了卫星导航探空仪的总体要求、结构与组成、基本功能、技术性能，适用于基于卫星导航定位系统探空仪的设计、生产和产品检验。1原理与组成错误!未定义书签。41.I概述错误!未定义书签。41.2组成错误!未定义书签。42功能错误!未定义书签。42.1测量要素错误!未定义书签。52.2初始化和参数设置错误!未定义书签。52.3数据采集错误!未定义书签。52.4数据处理错误!未定义书签。52.5数据存储错误!未定义书签。52.6数据传输错误!未定义书签。52.7数据质量控制错误
2、!未定义书签。52.8状态监控错误!未定义书签。52.9远程配置错误!未定义书签。52.10校准或定标错误!未定义书签。52.11控制指令及数据格式错误!未定义书签。53测量性能错误!未定义书签。43.1工作频段错误!未定义书签。43.2探测范围错误!未定义书签。53.3静态测量性能错误!未定义书签。53.4动态测量性能错误!未定义书签。53.5信号编码及调试发射性能错误!未定义书签。63.6近程无线通信性能错误!未定义书签。？3.7供电错误!未定义书签。？3.8采样时间准确度错误!未定义书签。？3.9体积和重量错误!未定义书签。？3.10功耗错误!未定义书签。84可靠性指标错误!未定义书签。
3、84.1贮存可靠性错误!未定义书签。84.2施放可靠性错误!未定义书签。85环境适应性指标错误!未定义书签。85.1 气候条件错误!未定义书签。85.2 机械条件错误!未定义书签。86电磁兼容错误!未定义书签。87安全要求ft定义7.1安全标识错误!未定义书签。88外观及结构错误!未定义书签。91.1 1夕卜观错误!未定义书签。91.2 结构形式错误!未定义书签。91.3 探空仪接口错误!未定义书签。91.4 机械强度错误!未定义书签。99材料与表面处理错误!未定义书签。910包装、运输和标识错误!未定义书签。的10.1包装错误!未定义书签。一10.2运输错误!未定义书签。一10.3标识错误!
4、未定义书签。一附录A（规范性附录）探空仪数据格式错误!未定义书签。托卫星导航探空仪功能规格需求书1原理与组成1.1 概述卫星导航探空仪指采用北斗和GPS双模卫星导航定位系统进行定位和测速的探空仪。为满足高空气候观测的应用需求，引领技术进一步发展，除常规天气应用需求外，本需求书提出I型探空仪为，以满足高空气候观测的需求；II型探空仪为满足常规气象探测需求探空仪。采用基带射频SoC一体化设计导航定位技术，实现036km高空大气温度、湿度、气压和风向风速的高准确度和高空间分辨率的测量，提供卫星导航信息和状态信息,采用GFSK无线调频通信方式通过P波段频段将采集的数据实时发送至地面接收处理系统。1.2
5、 组成卫星导航探空仪由卫星导航及数据处理模块、温度、湿度、气压测量元件及转换电路、射频芯片及信号调理电路、电池等组成。其中，卫星导航及数据处理模块由导航定位芯片及其外围辅助电路组成。卫星导航探空仪组成见图1。北斗/GPS天线RP1.NA电池电压板上温度卫星导航及数据处理模组ADC输入通道2)/1电池及电源变 换电路保温单元ZXZX信号调理电路k=d射频芯片基测接口气压测贷模块预留接口湿度传感器温度传感器图1卫星导航探空仪组成框图2功能2.1 测量要素2.1.1 温度和湿度测量探空仪温度和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温度和湿度测量电路及卫星导航及数据
6、处理模块转换为数字信号送至射频芯片。主要采用卫星定位测量高度反算气压，外接气压传感器，同步从地面至IOOhPa进行探测。2.1.3风及空间位置的测量1. 1.3.1探空仪由卫星导航及数据处理模块接收和处理北斗和GPS卫星导航定位信号，至少具有同时接收和处理12颗北斗卫星和12颗GPS卫星信号的能力，并能输出规定参数，以便进行卫星位置显示。2. 1.3.2卫星导航及数据处理模块应具有根据卫星信号质量优选出四颗以上的用于对探空仪定位的卫星的能力，并能将被选卫星设置标志。3. 1.3.3由安装在卫星导航探空仪上的卫星导航及数据处理模块接收和处理卫星时间信息、卫星位置信息和卫星信号状态信息等，以每秒为
7、时间间隔，实时确定探空仪飞行轨迹的三维坐标和三维速度，相关信息通过信号调理电路发回地面，地面信号接收和处理设备接收解调后，得到风信息。1.2 初始化和参数设置2. 2.1初始化保存探空仪频点、传输速率、发射功率。3. 2.2具备探空仪频点设置功能。4. 2.3具备探空仪传输速率设置功能。5. 2.4具备探空仪发射功率设置功能。1.3 数据采集测量要素采样频率为1Hz,时间分辨率为0.01s。1.4 数据处理2. 4.1具备将测量要素原始值转换为测量要素值的处理能力.3. 4.2探空仪应具备电池电压、盒内温度、卫星定位准确度因子、卫星颗数、卫星信号状态等监测信息的采集功能，并通过无线方式对外发送
8、的功能。2.5 数据存储具备探空仪校准参数信息的存储功能，并能够在基测时通过基测接口输出校准参数。2.6 数据传输2.6.1发射机将经过调制的载波信号通过功率放大器放大，经发射天线向地面接收处理设备发送。2. 6.2与地面基测设备可以通过有线方式和近程无线方式进行参数传输、参数设置等交互。2.7 数据质量控制对温度、湿度、气压、定位信息进行质量控制，包括：采样瞬时值的质量控制（变化极限范围）、瞬时气象值的质量控制（变化极限范围）和综合质量控制，各参数质量控制依照无线电探空资料质量控制（QX/T123-2011）的规定执行。2.8 状态监控探空仪具备相关状态信息的监控，包括：探空仪卫星定位准确度
9、因子、探空仪卫星颗数状态、探空仪电池电压状态、探空仪盒内温度状态、探空仪升速是否正常状态。状态监控信息参见表1。表1状态监控参数表序号参数参数范围状态1定位准确度因子2.5定位较好2.5定位差2卫星颗数2个可定位4个不能定位3电池电压N最低工作电压V最低工作电压不正常4盒内温度-4Ot+50C正常-4or不正常5升速状态300420mmin正常150300mmin或420mmin600mmin偏慢或偏快600mmin过慢或过快2.9 远程配置可以通过基测箱、自动探空系统和自动放球系统进行有线和近程无线方式连接探空仪，远程平台进行参数配置。2.10 校准或定标可以通过基测箱进行固定点校验。2.1
10、1 控制指令及数据格式探空仪控制指令和传输协议见附录A。3测量性能2.12 作频段P波段(400.15MHz-406MHz)。频谱应与GNSS兼容。2.13 测范围探测高度：036k探测斜距：2200km。2.14 态测量性能3. 3.1气温测量范围：-90C+50。允许误差：0.2。4. 3.2相对湿度测量范围：0-100%。允许误差：3乳5. 3.3气压主要采用导航定位高度和气压传感器共同提供气压探测结果。测量范围：106OhPaIOOhPa(气压传感器)。106OhPa3hPa(高度反算)。允许误差：1.3hPa(106OhPa500hPa);0.7hPa(50OhPaIOOhPa)。3
11、.3.4探空仪定位准确度测量高度范围：。36km。水平允许误差：8m。垂直允许误差：16m。3.3.5定位时间冷启动定位时间：2mio热启动定位时间：10s重新获捕时间：2so数据更新周期：1s。3.3.6基测测试温度允许误差：土03C,湿度允许误差：5%,气压允许误差：1.5hPa3.4动态测量性能根据高空气候观测和常规气象观测需求差异，I型探空仪为满足高空气候观测需求探空仪；型为满足常规气象探测需求探空仪。3. 4.1温度一致性：一一I型探空仪要求0.2；II型探空仪要求0.2(016km),0.3016km)测量准确度：I型探空仪要求0.3C(O16km),0.4C(16km);II型探
12、空仪要求0.4(016km),0.8(16km)o4. 4.2湿度一致性：11 I型探空仪要求3%；12 II型探空仪要求5%测量准确度：13 I型探空仪要求4%；II型探空仪要求5%(-40C),10%(-4060C)o5. 4.3气压一致性：(IOOhPa);(IOO-IOhPa);IOhPa)O( IOOhPa);(IOO-IOhPa);IOhPa)O1.OhPa0.3hPa0.IhPa测量准确度:-1.3hPa0.5hPa0.2hPa测量高度范围：O36km。测量范围：Oo360。允许误差：3（风速3ms）。3.4.5风速测量高度范围：。36km。测量范围：0150ms允许误差：+0.
13、3mso3. 4.6风矢量速度测量高度范围：。36km。水平分量（南北和东西）允许误差：0.2m/s。3.5信号编码及调试发射性能3.5.1 校验码采用CRC-CCnT16位校验码。3.5.2 发射频率连续可调，步进IkHz。探空仪应提供相应串口由地面接收终端发送指令进行频率设置。3. 5.3平均发射功率IOOmW,可设置不大于50mW的低功率发射模式。3.5.4调制方式GFSK3.5.5发射谱宽50kHz（-50dBc）。3.5.6载波频率温度稳定性探空仪未加保温状态下在温度-40C+50C变化条件下，中心频率允许偏移W妹Hz。3. 5.7传输速率默认2400bps,可设置为4800bps、
14、9600bpso3.6近程无线通信性能无线全双工近程通信模式。通信距离为室外250m。符合IEEE802.15.4标准协议。采用干电池供电，I型探空仪要求放电持续14Omin,II型探空仪要求放电持续12Omin,型探空仪应根据用户需求，可采用直接更换电池的方式，满足长时探测要求放电持续8h,不低于最低工作电压（工作状态，温度-30C）o3.8采样时间准确度保留两位小数。3.9体积和重量重量（含电池包装状态）：常规探测及气候探测要求W120g,长时探空探测要求W170g.体积：包括探臂，探臂与探空仪泡沫盒夹角小于10时，不大于90丽*65!*280丽（长、宽、高）。3.10功耗1.8Wo4可靠
15、性指标4.1贮存可靠性探空仪的贮存时间为24个月，在储存有效期内，失败率W0.1。4.2施放可靠性探空仪在储存有效期内施放，施放失败率0.U5环境适应性指标5.1 气候条件5.1.1 工作环境高温：+50,低温：-90Co湿热：95%（+356o淋雨：降雨强度IOOmm/h15Ommh,雨滴直径0.5Inm4.5mm,持续时间30min,气压：1060hPa5hPa05.1.2 贮存环境低温：-50C。高温：+60,湿热：95%（+40C）o5.2 机械条件振动：单一频率正弦振动，频率IOHZ20Hz、加速度29.4ms2,持续振动时间30min,运输：用模拟试验台正弦振动，加速度29.4ms
16、2,频率4Hz,持续时间2hour06电磁兼容采用综合有效措施抑制北斗-GPS探空仪自身产生和来自周围环境的电磁干扰;保证北斗-GPS探空仪各组成单元在预定的电磁环境中协调工作。7安全要求7.1 安全标识对装备安全标识提出要求。包括但不限于以下内容：电源（极性和电压）、开关的通断等进行标识。8外观及结构8.1外观8.1.1 采用通用化、系列化、组合化设计，降低系统的复杂程度。8.1.2 探空仪安装、调整和校正方便，维修维护简便易行。8.1.3 探空仪外观应表面平整，曲面无变形；各部件应无损伤，无污染，无毛刺，无残损；各模块组装稳固，无晃动。8.2结构形式8.2.1探空仪测量元件的安装应牢固、可
17、靠。8.2.2探空仪温湿度传感器应安装在探空仪盒体伸出的支架上,应位于探空仪上方，并尽可能远离探空仪壳体；气压传感器应安装在探空仪内部。8.2.3传感器支架和发射板处于一个平面上，从背面向上引出，至泡沫盒最右侧边距离为20mm30m%8.3探空仪接口8.3.1探空仪采用7芯排针弯座，间距2.Omm,排针座在下方引出，长度5丽，其中伸出泡沫盒部分的长度W3mm（不含在28Omm内）：排针座第7脚至泡沫盒最左侧边距离为16mmIOmm,天线至泡沫盒最右侧边距离为20mmIOmmo8.3.27芯排针弯座由右至左为1-7脚，特性见错误!未找到引用源。入一表2接口定义7654321NCTXDNCNCRX
18、D加电电压一加电电压+备用TT1.备用备用TT1.GND5V 排针座第1脚和2脚实现探空仪加断电功能，连接加电电缆，1脚外接5V电压信号；针座3脚和6脚实现探空仪改频功能；座4脚5脚和7脚备用。 方式1：1脚外接5V电压信号，持续IS以上，触发探空仪开机工作，同时探空仪可利用自动探空系统进行供电；1脚外接接地信号，持续1秒以上，电池断电，探空仪不工作。施放时1管脚保持高电平。 方式2：关机状态下，高电平3秒以上开机；开机状态下，高电平3秒以上关机。（高电平22.4V）8.4机械强度8. 4.1探空仪在移动、运输、贮存过程中应对探空仪盒采取有效保护。在施放时温度和湿度测量元件支架能伸展到规定位置
19、并被锁定,测量元件支撑在探空仪盒的上方,与盒的轴线保持适当的夹角，其距离使测量元件少受探空仪表面辐射热的影响。9. 4.2探空仪盒应方便装放探空仪；为检查、调节探空仪所开的观察、调节孔在操作完毕后应能方便地覆盖。9材料与表面处理探空仪采用环保保温材料，机壳是为暗光材料，伸出机壳外的温度和湿度测量元件，不受机壳辐射和气流阻挡的影响。温度传感器表面涂覆有防辐射铝层。10包装、运输和标识10.1 包装10.1.1 外包装除应符合GB/T1912008的要求外，还应：一一标志齐全、清晰，无错漏；箱体整洁、完整，无缺损；一一按规定紧固包装，不得有突出尖状物。10.1.2 内包装除应符合GJB145AT9
20、93的要求外，箱内还应：一一有合格证及装箱单；一一配套齐全、正确、完整，无损伤和差错。10.1.3 成套性每箱探空仪应附有：产品说明书；一一产品合格证；一一装箱单；一一备件和附件。10.2 运输装箱后的接收设备可以航空、公路、铁路和水运运输；运输装卸过程中应避免高温日晒、雨雪淋湿和强烈撞击。10.3 标识10.3.1外包装箱上通常应有以下标志：一一产品型号、名称、数量、生产厂家名称及详细地址；执行的产品标准号；一一箱体外形尺寸；重量；一一出厂日期；一一需要时还应标明发站、到站及收货单位；一符合GB/T191-2008规定的“小心轻放”、“向上”、“怕雨”等包装储运图示标志。10.3.2探空仪壳
21、体外面的明显处应有以下标志：一一产品型号、名称；生产厂家；出厂编号；一一生产日期。AA附录A（规范性附录）探空仪数据格式表A.1探空仪交互协议序号帧头命令描述数据方向数据说明帧尾1设置探空仪频点7FFFFF0xF6Freqz(2B)+DIV(IB)例如：Freqz=403,设置为(F-400)*1000+1=3001=0x0BB9=OxOB,0Xb9；DIV=OxO1.(该字节固定不变)：无10020x02-OKZError(IB)0：失败；1：成功10032查询探空仪频点7FFFFF0xA8无无10020x08-Freqz(2B)参照上面设置频点命令10033设置空口速率7FFFFF0xA4
22、B(IB)B:0:2400bps1:4800bps2:9600bps无10020x04-OKZError(IB)0:失败;1:成功10034查询空口速等7FFFFFOxAA无无1002OxOA-B(IB)B:0:2400bps1:4800bps2:9600bps10035设置发射机功率值7FFFFFOxf7B(IB)B:03,（3：高功率；0、1、2：低功率）无10020xf7OKZError(IB)0：失败；1：成功10036查询发射机功率值7FFFFF0xe2-无无10020xd2-B(IB)B:0310037设置工作模式7FFFFFOxedB1.(IB)+B2(IB)B1.B2:0x04
23、Oxfc工厂模式（关闭P波段射频发射）B1.B2:0x01Oxfd发射模式（禁用数据质量控制）B1.B2:0x11Oxfd发射模式（使能数据质量控制）1002OxedB1(1B)+B2(1B)B1.B2:0x04Oxfc工厂模式B1.B2:0x01Oxfd发射模式（禁用数据质量控制）B1.B2:Ox1.1.Oxfd发射模式（使能数据质量控制）10038查询工作模式7FFFFFOxec无无1002Oxec-B1.(IB)+B2(IB)B1.B2:0x04Oxfc工厂模式B1.B2:0x01OXfd发射模式（禁用数据质量控制）B1.B2:Ox1.1.Oxfd发射模式（使能数据质量控制）10039系
24、统软件复位7FFFFFOxee-无无1002OxeeB(IB)B:Ox1.1.1003表A.2探空仪探测数据编码格式字节位置定义说明11码组标识符帧头(0x7fOxffOxffOxee)5K采集板编码探空仪识别码（例如0x190x050x060x10）9数据包标识0/1/210UTC时间：小时hour11UTC时间：分钟秒数据为0599（扩大10倍），占10位，需要与分钟的字节合并，分钟为059,占6位，将秒的2位移至分钟的第78位上。12UTC时间：秒13定位状态0/114-17经度-to（正数表示东经，负数表示西经）18-21纬度-2to2（正数表示北纬，负数表示南纬）22-25海拔0-6
25、00000（比例因子是10）26-27北向速度比例因子为100,分辨率为0.01ms,范围是-327.68ms到327.67ms,28-29东向速度30-31垂向速度32卫星数接收到卫星数（GPS+BD最多24）33UDOP定位准确度因子（饱和值为25.5,即如果大于25.5时，输出值为25.5。其比例因子是10）34卫星状态信息包编号状态信息包编号和参与解算卫星数（暂定分8组）35-46卫星状态信息一组3个卫星，每组4字节（包括卫星号、是否参与计算、载噪比、仰角和方位）。47-50温度1(原始)(unsigned1.ongint)低字节在前，高字节在后，即：BOB1.B2B351-54预留预
26、留4字节55-58温度2(原始)(unsigned1.ongint)低字节在前，高字节在后，即：BOB1.B2B359-62预留预留4字节63-64湿度1（原始）低字节在前，高字节在后，即：BOB1.65-66预留预留2字节67-68湿度2（原始）低字节在前，高字节在后，即：BOB1.69-70预留预留2字节71-73气压原始低字节在前，高字节在后，即：BOB1.B274气压附温（计算）（signedbyte）分辨率1C,-406075-77预留预留3字节78数据质量控制BitO:温度监控1-正常；0-异常；Bit1.湿度监控1-正常；0-异常；Bit2：气压监控1-正常；O-异常；Bit3：
27、海拔监控1-正常；O-异常；Bit4：温度露点差监控正常；0-异常；79电压监控电池电压，比例因子为10,分辨率为0.IV,010.OV80盒内温度监控比例因子为1,分辨率为1,-4050C81采样时间比例因子100,采样时间保留2位小数，0.0比0.99s82-83温度1(计算)(Signedshortint)低字节在前，高字节在后比例因子为为0,分辨率为0.01,-99.0099.0084-85温度2(计算)(signedshortint)低字节在前，高字节在后比例因子为100,分辨率为0.01C,-99.0099.0086-87湿度(计算)(UnSignedshortint)低字节在前，
28、高字节在后比例因子为100,分辨率为0.0KRH,0100.0088-90气压（计算）低字节在前，高字节在后比例因子为100,分辨率为0.O1.hPa,01200.0091-94预留预留4字节95-96数据组流水号高字节在前，低字节在后，06553597预留预留1字节98-99校验和字尾（16比特校验和为无符号短整型数，其为所有信息字节（包括帧头）求CRC-CCnT16校验和。低字节先发，高字节后发。）注1：字节34-卫星状态包编号表示本数据包中卫星状态信息的编号（3bit）,从0开始，要发送24颗卫星的状态信息，则该编号为07；以及参与解算卫星数（5位）：注2：字节35-46卫星状态信息中，
29、共三组，每组四字节，第一字节中7bit表示卫星号（其中GPS的卫星号为132,北斗2的卫星号为实际卫星号+50。）,第8个bit代表该颗卫星是否参与计算，参与计算则为1,不参与计算则为0;信噪比占用1个字节；方位和仰角信息合并占用2个字节，仰角最大为90,占用7bit,方位角最大为360,占用9bit,需要将方位角的1个bit移至仰角所占字节中。注3：字节9数据包标识为探空仪发射两种状态的标识，O为探空仪校准数据传送给地面终端的格式；7为探空仪探测数据传送给地面终端的格式。注4：HDOP(Horizonta1.Di1.utionofPrecision)：水平定位准确度因子。是描述水平坐标准确度
30、的误差程度，值为纬度和经度误差平方和的开根号值，值越小定位准确度越高，最准确时准确度近似1表A.3近程通信组网协议序号C1.USTERID方向帧头数据说明帧尾1接收其他设备地址信息0x1001-3F3FFFType(1.B)+ID(1.B)+NwkAddr(2B)+PNwkAddr(2B)+MacAddr(8B)TyPe:1:探空仪2:终端3:基测箱ID：自定义设备标号NWkAddr:网络地址PNWkAddr:父节点网络地址MaCAddr:MAC地址无2发布设备网络地址信息0x10033F3FFFTAddr(2B)+res(6B)+RAddr(2B)+res(6B)+JAddr(2B)+res
31、(4B)TAddr：探空仪网络地址RAddr:熔断网络地址JAddr：基测网络地址Res:为保留字节无3串口数据无线透传0x1002-BFBFFFSType(1.B)+SID(1.B)+DTyPe(IB)+DID(IB)+DTUdata(?B)Stype:自身设备类型SID:自身设备IDSType:目标设备类型DID:目标设备IDDTUdata:要透传的,串数据无注1：中心节点上电自动建立网络，终端节点上电自动加入网络。其中参数设置如下ZgAPSUSeEXtendedPANIDZ一EXTADDR_1.EN=0x57,0x58,0x43,0x2D,0x00,0x00,0x00,OXo1;(扩展网络ID)ZDAPP_CONFIG_PAND=OX2019DEFAU1.TJ(EY=0x58,0x59,0x5A,0x32,0x30,0x31,0x39,0x30,0x35,0x32,0x37,0x31,0x36,0x35,0x30,0x31)只有上述三个参数相同的设备才可自动组网。注2：建立、加入网络成功后，即可按照上述协议进行网络地址信息记录和数据无线透传(应用层的端口号为8)。可透传的命令列表见表A.U
