GPS/北斗探空系统
GPS/北斗探空系统由HT-GTS(U)2-1型GPS/北斗探空仪（以下简称探空仪）和HT11G地面接收系统（以下简称地面接收系统）组成，地面接收系统包含接收机、基测箱、天线和气象数据处理软件，系统工作框图如图1所示：
图1 探空系统工作结构框图
系统实物图如图2所示。（a）为探空仪，（b）为接收机，（c）为基测箱（d）为天线（左边为固定天线，右边为便携天线）。
（a） （b）
（c） （d）
图2 探空系统实物图
探空仪主要由卫星导航定位模块、气象传感器、无线电发射机和电池四部分构成。利用卫星导航定位模块对探空仪进行空间实时定位，计算出高空大气的风向、风速；利用气压、温度、湿度（PTU）传感器实时测量大气环境要素；利用无线电发射机将探空仪定位数据和PTU数据发送到地面接收系统；地面接收系统对数据进行接收和处理，生成高空气象探测业务所要求的各种信息和产品。
表1 探空仪性能指标
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参数 |
指标 |
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导航定位 |
定位模式 |
北斗/GPS/北斗+GPS联合 |
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首次定位时间 |
冷启动＜90s |
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水平定位精度 |
10m |
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垂直定位精度 |
15m |
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温度 |
传感器类型 |
热敏电阻 |
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测量范围 |
-90℃～+50℃ |
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分辨率 |
0.01℃ |
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大允许误差 |
±0.2℃ |
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相对湿度 |
传感器类型 |
高分子湿敏电容 |
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测量范围 |
0%RH～RH |
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分辨率 |
0.1%RH |
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大允许误差 |
±3%RH |
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气压 |
传感器类型 |
硅压阻压敏元件 |
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测量范围 |
3hPa～1080hPa |
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分辨率 |
0.1hPa |
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大允许误差 |
±1hPa@3hPa～1080hPa |
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风速 |
测量范围 |
0m/s～150m/s |
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分辨率 |
0.1m/s |
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大允许误差 |
±0.2m/s |
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风向 |
测量范围 |
0°～360° |
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分辨率 |
0.1° |
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大允许误差 |
±3° |
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无线通讯 |
工作频率
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400MHz～406MHz |
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频点设置 |
1kHz步进，连续可调 |
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调制方式 |
GFSK |
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发射功率 |
22dBm±1dBm |
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发射谱宽 |
≤40kHz |
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频率稳定度 |
≤10kHz（－30℃～50℃） |
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传输速率 |
2400bps |
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传输距离 |
固定天线≥200Km；便携天线100Km |
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探测高度 |
≥35Km |
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工作电压 |
≥5V |
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工作时间 |
≥140Min |
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电池 |
锂电池 |
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重量 |
≤300g |
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探空仪的无线电信号经天线接收送入接收机，经射频滤波器预滤波后由低噪声放大器进行信号放大以减少电缆损耗造成信号强度损失，信号经电缆连入接收机，经过解码终还原为气象探测数据。接收机中还有频率自动跟踪控制，通过设置频综改变载波频率，即使探空仪受温度影响导致发射频率漂移的情况下也能正常接收探空信号。此外，接收机内部还有卫星接收机，可以获取基站的定位信息。
表2 地面接收处理系统性能指标
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参数 |
指标 |
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电源 |
DC5V |
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工作温度 |
-40℃～+80℃ |
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RF输入阻抗 |
50Ω |
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频率范围 |
400MHz～406MHz |
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灵敏度 |
优于-115dBm |
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接收通道 |
2个并行通道，接收范围400MHz~406MHz |
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扫频 |
范围400MHz~406MHz，分辨率10KHz |
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数据输出接口 |
网口，UDP/TCP协议 |
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尺寸 |
200X220X90(1.7Kg) |
接收天线由六个天线阵列和一个螺旋天线构成。其中，六个天线阵列分别负责六个不同的方向，每个方向均为60°；螺旋天线负责头顶的方向，再利用软件来控制电子开关选择相应的方向进行接收，这样固定式接收天线便覆盖了整个天空。固定式接收天线适合固定于气象基站使用，接收信号能力更强，探测的有效距离更远。天线指标如表所示。
表4 固定式天线指标
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参数 |
指标 |
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频率范围 |
400MHz～406MHz |
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带宽 |
8MHz |
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增益 |
≥30dB |
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噪声系数 |
≤1.5dB |
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驻波比 |
≤1.5 |
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通道隔离度 |
≥30dB |
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抗风等级 |
50m/s |
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尺寸 |
Ø1100X1000(30Kg) |
基测箱是用于对将要放飞的探空仪的温湿压进行检测，并且设置探空仪频率。技术指标如下表所示。
表5 基测箱性能指标
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工作条件 |
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电源 |
220V/50Hz或DC12V |
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温度传感器 |
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精度 |
±0.1℃ |
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分辨率 |
0.01℃ |
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湿度传感器 |
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精度 |
±1.5%RH |
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分辨率 |
0.1%RH |
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气压传感器 |
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精度 |
±0.3hpa |
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分辨率 |
0.01hpa |
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尺寸 |
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外形尺寸 |
180X240X140(8Kg) |
用户软件可以完成对地面接收子系统的控制和探空数据的解算，处理和显示。
(1)系统状态实时监测
软件拥有对整个系统工作状态实时监测的功能，支持整个系统模块级故障诊断，方便系统故障分析、定位及排除。状态实时监测包括：探空仪工作状态（电源电压、盒内温度等）、天线工作状态、系统数据通信状态。
(2) 丰富的图表显示
接收软件拥有各个气象参数的曲线显示，包括温度曲线、湿度曲线、气压曲线、探空仪飞行轨迹平面图和导航卫星状态显示。
(3)支持数据回放、模拟、软件中断后恢复探测等功能
接收软件支持探测数据的回放；支持回放速度可调；支持对探测数据进行重处理，方便探空过程的分析；支持意外原因导致探空中断后，软件重启可恢复之前的探测数据并继续完成当前的探测。
(4)支持用户灵活修改、调节参数，重新处理探测数据
(5) 支持实时数据质量检测，自动剔除异常值和修正错误
在探测过程中可能会出现噪声的影响从而影响整个探测的质量，软件会自动查询并排除异常的数据，提高探测的准确性，获取高质量的探测数据。
(6) 数据产品多样化
软件还具有实时保存数据，及数据输出功能，生成规定格式数据产品（BUFR格式文件等）及打印输出的功能。可以根据用户需求生产特定文件。
图3 探空温压湿曲线图
图4 探空定位星历图
