《地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽探測系統(tǒng)》編制說明

氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽探測系統(tǒng)》編制說明一、工作簡況任務(wù)來源氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽探測系統(tǒng)》 由全國氣象儀器和觀測方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC507）提出并歸口。任務(wù)于

2019年

9月

30日由中國氣象局政策法規(guī)司下達(dá)

（氣法函〔2019〕58

號），項目編號

QX/T-2020-51

，項目名稱《地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽探測系統(tǒng)》

。協(xié)作單位本標(biāo)準(zhǔn)起草單位為：中國氣象局氣象探測中心、武漢大學(xué)、青海省大氣探測技術(shù)保障中心、上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、南京信息工程大學(xué)主要工作過程（1）成立起草組2019年10月成立起草組，確定起草組人員，明確分工。（2）組織起草2019年

10月份確定了編寫大綱，通過電話會議以及網(wǎng)絡(luò)群內(nèi)討論的形式，組織編寫組成員，學(xué)習(xí)了

GB/T1.1-2009

標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則，研討了本標(biāo)準(zhǔn)的基本情況、主要內(nèi)容、已有試驗或數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、技術(shù)路線，對標(biāo)準(zhǔn)草案進(jìn)行了補充和細(xì)化，形成了標(biāo)準(zhǔn)討論稿第

1稿。（3）2020年

3，編寫組分別參考相關(guān)的國標(biāo)、

行標(biāo)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對本標(biāo)準(zhǔn)的討論稿內(nèi)容逐章逐條進(jìn)行了討論，進(jìn)一步完善和修改，形成了第

2稿和第

3稿討論稿。（4）完成征求意見稿2020年

5月，編寫組結(jié)合反饋意見完成了初稿，

在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了專家咨詢和意見征求，結(jié)合意見反饋和編寫組內(nèi)討論，對討論稿做了進(jìn)一步修改和完善，形成了征求意見稿。標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作姓名職稱單位分工涂滿紅高工中國氣象局氣象探測中心標(biāo)準(zhǔn)編制、技術(shù)把控及制定組織工作總體負(fù)責(zé)，編制說明的起草和審定。曹云昌正研級高工中國氣象局氣象探測中心參與標(biāo)準(zhǔn)制定，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)文本科學(xué)規(guī)范性審查。樓益棟教授武漢大學(xué)參與標(biāo)準(zhǔn)制定，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲徐國元高工青海省大氣探測技術(shù)保障中心參與標(biāo)準(zhǔn)制定，負(fù)責(zé)氣象設(shè)備部分內(nèi)容王立端高工上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有參與標(biāo)準(zhǔn)制定，負(fù)責(zé)接收機天線限公司部分內(nèi)容的編寫張衛(wèi)星副研究員武漢大學(xué)參與數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理部分內(nèi)容的編寫柯福陽教授南京信息工程大學(xué)參與標(biāo)準(zhǔn)編寫，負(fù)責(zé)編制說明編制。梁靜舒助工中國氣象局氣象探測中心參與標(biāo)準(zhǔn)的編寫，負(fù)責(zé)專家意見征求，專家意見的收集和整理。閔敏工程師上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有參與天線和接收機部分內(nèi)容的編限公司寫馬軍工程師青海省格爾木市氣象局參與氣象設(shè)備部分內(nèi)容的編寫王海深高工中國氣象局氣象探測中心參與編制說明和專家意見的收集整理安力珺助工青海省氣象局參與氣象設(shè)備部分內(nèi)容的編寫和專家意見的收集整理二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)說明：標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括技術(shù)指標(biāo)、 參數(shù)、公式、性能要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等；論據(jù)包括試驗、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。修訂標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)增列新舊標(biāo)準(zhǔn)水平的對比。標(biāo)準(zhǔn)的編制原則本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) GB/T1.1—2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第 1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》給出的規(guī)則起草，并堅持以下原則：（1）科學(xué)性和規(guī)范性原則本標(biāo)準(zhǔn)充分借鑒和參考了國際、 國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 力求吸收國際上先進(jìn)經(jīng)驗和做法， 強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和規(guī)范性，與國際接軌。（2）簡化性、實用性原則在起草過程中，編寫組在滿足需求的前提下， 充分考慮國內(nèi)實際情況， 從標(biāo)準(zhǔn)便于實施的角度出發(fā)，對國內(nèi)外的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了篩選提煉，以期實現(xiàn)經(jīng)濟有效地滿足設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)與驗收需求。（3）協(xié)調(diào)性原則編寫組在收集已有的研究成果、 查閱大量資料、征求多方意見后， 在綜合考慮各方面需求和意見的基礎(chǔ)上對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整， 達(dá)到內(nèi)容全面， 規(guī)定具體，語言通俗，易于實施。標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容及論據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)涉及到的天線和接收機支持 BDS、GPS、GLONASS和Galileo等不同導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的單個系統(tǒng)或者兼容多個系統(tǒng)， 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了天線和接收機的性能要求及測試方法。 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列性能指標(biāo)是根據(jù)現(xiàn)階段和今后一定時期內(nèi)所采用的或?qū)⒉捎玫募夹g(shù)及目前的實際應(yīng)用情況而制訂，同時也是目前大多數(shù)廠家認(rèn)可的性能指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 應(yīng)將指標(biāo)范圍定義較為寬松， 體現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的適用性。 標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的天線性能指標(biāo)包括： 極化方式與軸比、電壓駐波比、天線方向圖與增益、仰角不圓度、滾降系數(shù)、極化增益前后比、相位中心偏差、多路徑效應(yīng)、1d壓縮點輸出功率、噪聲系數(shù)、有源增益、帶內(nèi)平坦度、帶外抑制。標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的接收機性能指標(biāo)包括：捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、信噪比、觀測值精度、內(nèi)部噪聲水平、單點定位精度、靜態(tài)基線測量精度、 RTK測量精度（選配）、1PPS精度。本標(biāo)準(zhǔn)涉及到的天線和接收機的各項性能指標(biāo)， 主要依據(jù)國內(nèi)同類標(biāo)準(zhǔn)、 行業(yè)慣例或理論結(jié)果、實際研發(fā)試驗和應(yīng)用經(jīng)驗積累， 性能指標(biāo)對應(yīng)的試驗方法參照 BD420002-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ GNSS）測量型 OEM板性能要求及測試方法》 、BD420003-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ GNSS）測量型天線性能要求及測試方法》和 BD420009-2015《北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型接收機通用規(guī)范》進(jìn)行了規(guī)定。本標(biāo)準(zhǔn)涉及的對流層水汽在全球氣候系統(tǒng)、天氣動力系統(tǒng)、氣候災(zāi)害監(jiān)測、水文學(xué)及空間大地測量等領(lǐng)域占有極其重要的地位，然而目前常規(guī)的對流層水汽探測手段設(shè)備昂貴 ,其建設(shè)成本高和覆蓋密度低， 嚴(yán)重制約著學(xué)科的發(fā)展和業(yè)務(wù)應(yīng)用。 隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的不斷發(fā)展及地基增強網(wǎng)布設(shè)密度不斷增加， 北斗/GNSS技術(shù)與氣象科學(xué)交叉融合， 短短數(shù)十年間已取得了巨大的發(fā)展， 地基GNSS作為新型的大氣探測手段， 具有低成本、高實效、時空分辨率高等顯著優(yōu)勢， 已成為常規(guī)探測水汽手段的有利補充。 另一方面，隨著GNSS綜合服務(wù)網(wǎng)的廣泛建立，特別是“中國北斗地基增強系統(tǒng)”工程的啟動，為地基 GNSS遙感大氣提供了廣域范圍全天候、高時空分辨率的觀測資源，極大地推動了國內(nèi)相關(guān) GNSS水汽探測技術(shù)的發(fā)展及業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用。三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟論證，預(yù)期的經(jīng)濟效果試驗分析及綜述報告對于本標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵的性能指標(biāo)和測試方法，目前國內(nèi)已具備較為豐富的研發(fā)、生產(chǎn)、實際應(yīng)用和工程測試經(jīng)驗， 在生產(chǎn)與應(yīng)用方面也開展了深入細(xì)致的長期試驗分析。 對于北斗準(zhǔn)實時水汽探測與反演處理技術(shù)， 以國際上 IGS組織跟蹤網(wǎng)、國內(nèi)北斗地基增強系統(tǒng)為觀測數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行了長期（大于 1年）的連續(xù)測試評估，獲得的對流層天頂總延遲（ ZTD）產(chǎn)品：處理時間≤ 1小時、時間分辨率≤ 1小時的，精度為 8毫米左右，優(yōu)于或相當(dāng)于氣象局目前單GPS水汽業(yè)務(wù)指標(biāo)。以下為給出近期（2020年5月17日-5月23日一周）國際IGS站與國內(nèi)地基增強站的測試結(jié)果。IGS-ZTD平均誤差 RMS約為8毫米，地基增強測站網(wǎng) ZTD約為8毫米。（左）ZTD誤差RMS地理分布圖；（右）ZTD誤差RMS分布直方圖（左）地基增強測站網(wǎng) ZTD產(chǎn)品精度地理分布圖；（右）ZTD誤差RMS分布直方圖技術(shù)經(jīng)濟論證，預(yù)期的經(jīng)濟效果本標(biāo)準(zhǔn)將氣象設(shè)備納入地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽探測系統(tǒng)的一部分，避免了目前有些GNSS水汽站沒有氣象觀測數(shù)據(jù)，需要尋找就近氣象站氣象數(shù)據(jù)匹配，增加時間成本降低水汽產(chǎn)品計算效率，更造成因安裝高度以及地域差距帶來的數(shù)據(jù)誤差，影響水汽產(chǎn)品結(jié)算的精度；本標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)技術(shù)發(fā)展和實際應(yīng)用，規(guī)定系統(tǒng)需滿足支持BDS、GPS、GLONASS和Galileo等不同導(dǎo)航定位系統(tǒng)中的單個系統(tǒng)或者兼容多個系統(tǒng)，而且具備接收BDS3數(shù)據(jù)的功能，既可保證本系統(tǒng)的先進(jìn)性，也可保證本系統(tǒng)的安全性；本標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)存儲和處理部分納入了系統(tǒng)組成，通過實時接入服務(wù)平臺提供的高精度衛(wèi)星軌道鐘差產(chǎn)品，在臺站處實現(xiàn)分布式、高時效、高精度對流層延遲解算和大氣水汽含量反演，創(chuàng)新性實現(xiàn)臺站級水汽產(chǎn)品的實時高精度獲取，可以極大地提高水汽觀測的時間、空間分辨率和產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)能力、效率，滿足中小尺度極端強對流天氣系統(tǒng)監(jiān)測、臺風(fēng)監(jiān)測和短臨預(yù)報需求；本標(biāo)準(zhǔn)通過實時PPP技術(shù)獲取單站水汽產(chǎn)品，實現(xiàn)臺站分布式處理代替數(shù)據(jù)中心的集中式數(shù)據(jù)處理，不同于傳統(tǒng)的GNSS水汽處理，具有如下優(yōu)勢：一方面，大大降低GNSS原始數(shù)據(jù)從臺站傳輸?shù)街行恼镜膫鬏敵杀荆_站的數(shù)量的增加不受中心處理服務(wù)能力的限制，有利于大范圍推廣；另一方面，可極大提高數(shù)據(jù)處理時效性和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，可進(jìn)一步減少處理延遲到15分鐘。四、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的程度，以及與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，或與測試的國外樣品、樣機的有關(guān)數(shù)據(jù)對比情況一、隨著現(xiàn)有的生產(chǎn)及加工工藝水平的提高等，及市場需求日趨嚴(yán)苛，本標(biāo)準(zhǔn)在編制過程中結(jié)合實際工程經(jīng)驗和技術(shù)分析，對部分性能要求進(jìn)行了提高，通過反復(fù)技術(shù)驗證和行業(yè)調(diào)查，這些指標(biāo)在業(yè)內(nèi)也都是較好實現(xiàn)的。本標(biāo)準(zhǔn)與全國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織編寫發(fā)布的BD420003-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型天線性能要求及測試方法》和BD420009-2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測量型接收機通用規(guī)范》相比，性能指標(biāo)主要有以下幾方面的調(diào)整：（1）天線性能指標(biāo)調(diào)整：1）修改噪聲系數(shù)，由2.5降低為2.0；2）修改帶內(nèi)平坦度，由1.5調(diào)整為1.0；（2）接收機性能指標(biāo)調(diào)整：1）補充捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度的 BDS-3信號頻點：B1C，B2a；2）增加信噪比；3）增加觀測值精度；4）修改單點定位精度，水平定位精度由 5調(diào)整為1.5，垂直定位精度由 10調(diào)整為3；5）修改靜態(tài)基線測量精度，水平標(biāo)稱精度由± (5＋1×D)調(diào)整為±(2.5＋1×D)，垂直標(biāo)稱精度由±(10＋1×D)調(diào)整為±(5＋1×D)；6）修改RTK測量精度，水平標(biāo)稱精度由± (20＋1×D)調(diào)整為±(8＋1×D)，垂直標(biāo)稱精度由±(30＋1×D)調(diào)整為±(15＋1×D)；7）修改1PPS精度，由50ns調(diào)整為20ns。二、數(shù)據(jù)處理與水汽反演方面，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)已作為武漢大學(xué) E-GVAP分析中心支撐之一，業(yè)務(wù)化提供準(zhǔn)實時 ZTD產(chǎn)品，對氣象同化提供了重要的產(chǎn)品， 已得到E-GVAP高度認(rèn)可。以下是同國際上幾家代表性分析中心處理得到的同時段的 ZTD產(chǎn)品進(jìn)行比較，參考值為幾家分析中心產(chǎn)品的平均值。 WUHN產(chǎn)品同國際上的代表性分析中心產(chǎn)品精度相當(dāng)。處理獲得的ZT