用于對(duì)流層延遲改正的溫濕壓測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張文，劉音華，張慧君，李孝輝

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

用于對(duì)流層延遲改正的溫濕壓測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張文1，2，3，劉音華1，2，張慧君1，2，李孝輝1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為支持北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間兼容與互操作，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心建立了GNSS系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)平臺(tái)。為了修正系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)中對(duì)流層延遲的影響，針對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)平臺(tái)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款適用于時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)的溫濕壓測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x以FPGA作為核心處理器，能夠輸出溫度精度為0.5℃、濕度精度為5%、氣壓精度為10 hPa的氣象參數(shù)。輸出的氣象參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)NMEA格式，能夠?yàn)槎喾N導(dǎo)航接收機(jī)直接識(shí)別并使用。該測(cè)量?jī)x不僅可用于改善對(duì)流層延遲誤差，而且可以將其擴(kuò)展應(yīng)用到其他精密定位、時(shí)間傳遞等工作中。

對(duì)流層延遲；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）；氣象參數(shù)

0　引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）目前包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GAILEO以及中國(guó)的北斗系統(tǒng)（BDS），每個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)都有專用的系統(tǒng)時(shí)間。任意兩個(gè)GNSS系統(tǒng)時(shí)間之間存在一定的偏差，稱為GNSS系統(tǒng)時(shí)間偏差[1]。為了支持北斗系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的時(shí)間兼容與互操作，更好地應(yīng)用多模聯(lián)合導(dǎo)航系統(tǒng)，需要對(duì)GNSS的系統(tǒng)時(shí)差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心已經(jīng)建立GNSS系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)以接收空間信號(hào)為主要監(jiān)測(cè)手段，把UTC（NTSC）作為中介時(shí)間尺度，目前的監(jiān)測(cè)精度為5.0 ns[2]。系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)會(huì)受到很多誤差源的影響，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)許多誤差進(jìn)行了校正，但是關(guān)于對(duì)流層延遲產(chǎn)生的誤差只采用了參考高度角的簡(jiǎn)單模型予以計(jì)算[3]，仍存在一定的誤差。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)的精度，需要為對(duì)流層延遲的計(jì)算提供實(shí)時(shí)的溫度、濕度和氣壓參數(shù)。

目前市場(chǎng)上的大多數(shù)氣象測(cè)量?jī)x都不是專用于導(dǎo)航接收機(jī)的，包含很多定位解算并不需要的氣象參數(shù)，因此價(jià)格昂貴。同時(shí)其產(chǎn)生的測(cè)量參數(shù)并不符合接收機(jī)可以直接識(shí)別和解算的數(shù)據(jù)格式。因此，需要研制一款適用于時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)的溫濕壓測(cè)量?jī)x。

本文基于FPGA可編程處理器研制一款系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)專用溫濕壓測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x既能獲取高精度的溫度、濕度和壓力值，又能輸出大多數(shù)接收機(jī)都能夠直接識(shí)別的NMEA格式的氣象數(shù)據(jù)。使用該儀器能采集實(shí)時(shí)氣象參數(shù)，并使用這些氣象參數(shù)對(duì)已有的對(duì)流層改正模型進(jìn)行分析。

1　溫濕壓測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1.1溫濕壓測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

溫濕壓測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)的最終目的是要與時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)聯(lián)合使用，將對(duì)流層延遲誤差控制在分米量級(jí)。目前搭建的GNSS系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用的是Septentrio Pola RX4型接收機(jī)。該接收機(jī)能夠通過RS232串口接收NMEA格式的氣象參數(shù)，并將其用于內(nèi)建的Saastamoinen模型[4]來(lái)計(jì)算對(duì)流層延遲。該接收機(jī)不僅可以自行計(jì)算對(duì)流層延遲，而且可以通過串口將接收到的測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸給其他工作機(jī)，用其他的方式或者模型進(jìn)行對(duì)流層延遲的計(jì)算。溫濕壓測(cè)量?jī)x與接收機(jī)的工作原理示意于圖1。

圖1　溫濕壓測(cè)量?jī)x工作原理示意圖

根據(jù)溫濕壓測(cè)量?jī)x的工作原理，測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)要求包括兩部分：測(cè)量指標(biāo)和接口要求。根據(jù)時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收外部數(shù)據(jù)的要求，測(cè)量?jī)x的接口要求如表1所示。

表1　溫濕壓測(cè)量?jī)x的接口要求

為了對(duì)溫度、濕度和氣壓的測(cè)量指標(biāo)加以標(biāo)定，需要計(jì)算這3個(gè)參數(shù)誤差對(duì)對(duì)流層延遲計(jì)算結(jié)果的影響。以接收機(jī)使用的Saastamoinen模型為例，Saastamoinen模型天頂方向?qū)α鲗友舆t計(jì)算公式為[5]

式（1）中，P為測(cè)站氣壓，單位為hPa；T為測(cè)站溫度，單位為℃；e0為測(cè)站水汽壓，與測(cè)站溫度和濕度有關(guān)。f（φ，h）為測(cè)站地心緯度φ（單位為弧度）和測(cè)站高程h（單位為m）的函數(shù)。根據(jù)誤差傳遞理論，Saastamoinen模型的誤差公式為[6]

式（2）中，W為測(cè)站相對(duì)濕度，單位為%。水汽壓e0和f（φ，h）的計(jì)算式分別如式（3）和（4）所示：

將式（1），（3），（4）代入式（2）可以計(jì)算出

在靜態(tài)定位時(shí)，測(cè)站高程和緯度這兩項(xiàng)為已知參數(shù)，其誤差導(dǎo)致的對(duì)流層延遲誤差可以忽略不計(jì)。溫度、濕度和氣壓對(duì)對(duì)流層延遲的影響可以看做是獨(dú)立分布的，忽略它們之間的協(xié)方差。計(jì)算當(dāng)對(duì)流層延遲誤差為1 dm時(shí)，溫度、濕度和氣壓的誤差值結(jié)果（認(rèn)為這3項(xiàng)結(jié)果的誤差各為總誤差的1/3）。計(jì)算結(jié)果要求溫度誤差≤2.94℃，濕度誤差≤14.49%，氣壓誤差≤12.82 hPa。考慮到測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)成本和現(xiàn)有各氣象傳感器的能力，以及接收機(jī)對(duì)測(cè)量參數(shù)顯示位數(shù)的要求，測(cè)量?jī)x的測(cè)量指標(biāo)如表2所示。

表2　溫濕壓測(cè)量?jī)x的測(cè)量指標(biāo)要求

將表2所示的溫度、濕度和氣壓的精度要求代入式（5），得到saasσ=0.040 9 m，表明能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的分米級(jí)精度要求。

1.2溫濕壓測(cè)量?jī)x的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選定Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT75作為溫濕度測(cè)量芯片，Motorola公司的壓力傳感器MPX4115作為壓力測(cè)量芯片。由于MPX4115為模擬輸出，選擇8通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7608作為配套的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。這幾款芯片的性能指標(biāo)如表3所示，其中AD7608的性能指標(biāo)是通過其模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍和傳遞函數(shù)，將MPX4115的數(shù)據(jù)代入后計(jì)算得到的相應(yīng)氣壓值的指標(biāo)。

表3　所選測(cè)量芯片的性能指標(biāo)

選擇核心處理器時(shí)不僅要考慮處理器的性能，同時(shí)應(yīng)當(dāng)兼顧測(cè)量?jī)x前期的調(diào)試和后期兼容性的擴(kuò)展。因此選擇Xilinx公司的Spartan-6 FPGA芯片作為測(cè)量?jī)x的核心處理器。該系列的FPGA芯片包含有DSP48的數(shù)據(jù)處理芯片，適用于含有更多計(jì)算要求的設(shè)計(jì)，同時(shí)還兼有其慣有的可編程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠在不更改外部電路的情況下完成設(shè)計(jì)的修改[7]。設(shè)計(jì)的溫濕壓測(cè)量?jī)x除了溫濕度采集、氣壓采集和與接收機(jī)接口的模塊，還需要其他支持FPGA芯片正常工作的模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　溫濕壓測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)量?jī)x的工作模式為：接收機(jī)首先通過RS232串口發(fā)送測(cè)量命令，F(xiàn)PGA識(shí)別測(cè)量命令后通過GPIO并口和I2C串口向氣壓傳感器和溫濕度傳感器請(qǐng)求氣象數(shù)據(jù)。得到反饋的氣象數(shù)據(jù)后，再通過RS232串口返回給接收機(jī)。外部振蕩器OSC 50 MHz為FPGA的正常工作提供主時(shí)鐘，SPI FLash存儲(chǔ)芯片可以在電源不連續(xù)時(shí)保證FPGA內(nèi)部系統(tǒng)功能的正確性。使用FPGA作為核心處理器實(shí)現(xiàn)溫濕壓測(cè)量?jī)x，除了硬件上的器件連接，還需要使用VHDL語(yǔ)言對(duì)FPGA內(nèi)部的功能進(jìn)行軟件上的實(shí)現(xiàn)。測(cè)量?jī)x的功能實(shí)現(xiàn)主要是溫濕度數(shù)據(jù)采集、氣壓數(shù)據(jù)采集和與接收機(jī)連接模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。

2　溫濕壓測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)

2.1溫濕度采集模塊

溫濕度測(cè)量芯片與FPGA的接口為I2C串行接口。主要依靠Sck和Sda兩個(gè)信號(hào)完成所有測(cè)量功能。Sck為串行工作時(shí)鐘，Sda為雙向數(shù)據(jù)信號(hào)[8]。溫濕度采集模塊的工作方式如下：

①首先主處理器發(fā)送一組“啟動(dòng)傳輸”，來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。?dāng)Sck時(shí)鐘高電平時(shí)，將Sda翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著Sck變?yōu)榈碗娖?，隨后在Sck時(shí)鐘高電平時(shí)將Sda翻轉(zhuǎn)為高電平。

②隨后主處理器發(fā)送命令指令，包含3個(gè)地址位和5個(gè)命令位。“00 000 011”代表溫度數(shù)據(jù)采集，“00 000 101”代表濕度數(shù)據(jù)采集。

③在第8個(gè)Sck時(shí)鐘下降沿后，溫濕壓傳感器將Sda下拉為低電平（Ack位）。在第9個(gè)Sck時(shí)鐘的下降沿后，將Sda恢復(fù)為高電平，以表示其已經(jīng)正確地收到測(cè)量指令。

④溫度采集等待約320 ms，濕度采集等待約80 ms后，溫濕度傳感器將Sda下拉至低電平進(jìn)入空閑模式，表示測(cè)量的結(jié)束。此時(shí)主處理器通過控制Sck時(shí)鐘信號(hào)，依次傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)（可選）。每個(gè)字節(jié)主處理器需要下拉Sda 1個(gè)時(shí)鐘的低電平，以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)的正確傳輸。

⑤最后1個(gè)字節(jié)傳輸完成后，主控制器將Sda置為高電平，作為終止信號(hào)，表示整個(gè)測(cè)量過程的結(jié)束。

使用ISE軟件[9]完成溫濕度采集模塊功能的設(shè)計(jì)和仿真后，使用Chipcope軟件[9]對(duì)溫濕度采集模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯分析，以溫度測(cè)量為例，實(shí)時(shí)分析結(jié)果如圖3和4所示。

圖3　溫濕度采集模塊的命令發(fā)送時(shí)序分析圖

圖4　溫濕度采集模塊的數(shù)據(jù)接收時(shí)序分析圖

通過圖3和4的實(shí)時(shí)邏輯分析結(jié)果可以看出，溫濕度采集模塊能夠正確采集參數(shù)并傳給處理器存儲(chǔ)，完成溫濕度采集模塊的功能要求。主處理器將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器中，等待編碼后向接收機(jī)發(fā)送。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┒思尤隒RC校驗(yàn)，將接收的16位數(shù)據(jù)和發(fā)送的8位命令一起進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)公式為X8+X5+X4+1。當(dāng)校驗(yàn)成功時(shí)，將16位測(cè)量數(shù)據(jù)存入I2C接口的輸入寄存器中。同時(shí)，為了保證每次CRC校驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在“啟動(dòng)傳輸”和測(cè)量時(shí)序之間加入軟復(fù)位命令。在每一次溫濕度采集前都對(duì)傳感器進(jìn)行狀態(tài)復(fù)位，能夠降低CRC校驗(yàn)的誤檢率。

2.2氣壓采集模塊

氣壓測(cè)量芯片與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的±5 V通道相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與FPGA的接口為GPIO并行接口。主控制器通過并行接口控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)氣壓模擬數(shù)據(jù)的采樣獲得相應(yīng)二進(jìn)制的氣壓數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇AD7608的并行工作模式時(shí)，主處理器主要通過CONVST信號(hào)、CS/RD信號(hào)和BUSY信號(hào)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成氣壓采集功能。氣壓采集模塊的工作方式如下：

① 主控制器將CONVST信號(hào)置為高電平，在信號(hào)的上升沿模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣開始。

② 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采樣開始后會(huì)將BUSY信號(hào)置為高電平，采樣結(jié)束后將BUSY信號(hào)恢復(fù)為低電平。

③ 主處理器檢測(cè)到BUSY置低后，使用兩個(gè)時(shí)鐘周期的CS/RD信號(hào)的低電平，將采樣轉(zhuǎn)換的18位結(jié)果依次輸出，整個(gè)采集過程結(jié)束。

使用ISE軟件完成氣壓采集模塊的功能的設(shè)計(jì)和仿真后，使用Chipcope軟件對(duì)氣壓測(cè)量模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)邏輯分析，實(shí)時(shí)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片并行模式數(shù)據(jù)采樣時(shí)序分析圖

通過圖5的實(shí)時(shí)邏輯分析結(jié)果可以看出，氣壓采集模塊能夠正確采集參數(shù)并傳給處理器存儲(chǔ)，完成氣壓采集模塊的功能要求。主處理器將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器中，等待編碼后向接收機(jī)發(fā)送。

2.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊指測(cè)量?jī)x與接收機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。接收機(jī)與測(cè)量?jī)x間的數(shù)據(jù)傳輸采用RS232串行接口。數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)置為：8數(shù)據(jù)位，1截止位，無(wú)校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為9 600 bit/s。

由于溫濕壓測(cè)量?jī)x使用FPGA作為處理器，所有數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制計(jì)算和存儲(chǔ)，因此在數(shù)據(jù)下行時(shí)（接收測(cè)量指令）需要對(duì)指令進(jìn)行解碼。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要將二進(jìn)制的溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的BCD碼，并編碼為NMEA格式向接收機(jī)發(fā)送[10]。因此需要在FPGA芯片內(nèi)完成二進(jìn)制與BCD碼的轉(zhuǎn)換，以及編譯碼的過程。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊的發(fā)送與接收過程如圖6所示。

圖6　接收機(jī)與測(cè)量?jī)x間數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作流程示意圖

當(dāng)接收機(jī)發(fā)出測(cè)量指令時(shí)，測(cè)量?jī)x將輸入的測(cè)量命令以二進(jìn)制存儲(chǔ)在命令接收寄存器中。將命令接收寄存器中的數(shù)據(jù)與測(cè)量?jī)x內(nèi)部存儲(chǔ)的命令數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，一致時(shí)，通知核心處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；不一致時(shí)，等待下一次測(cè)量命令的發(fā)送。測(cè)量命令正確接收后，核心處理器通知相應(yīng)的模塊采集數(shù)據(jù)。當(dāng)核心處理器得到所有數(shù)據(jù)后，首先需要將所存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的BCD碼。二進(jìn)制與BCD碼的轉(zhuǎn)換完成后，需要將數(shù)據(jù)編碼為接收機(jī)可識(shí)別的NMEA格式，發(fā)送給接收機(jī)。編碼時(shí)，將固定的字頭和連接符以ASCII碼的格式，存儲(chǔ)在發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)，依次通過RS232的發(fā)送端發(fā)送給接收機(jī)。在需要加入測(cè)量數(shù)據(jù)的位置，將測(cè)量數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)ASCII碼即可。

3　溫濕壓測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果比較分析

3.1與區(qū)域自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)對(duì)比

將測(cè)量?jī)x與接收機(jī)連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過接收機(jī)外接的工作機(jī)記錄接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)。接收機(jī)接收并識(shí)別測(cè)量?jī)x發(fā)送的NMEA格式的溫濕壓參數(shù)后，可以通過軟件生成一個(gè)RINEX格式的氣象文件存儲(chǔ)在工作機(jī)內(nèi)。將測(cè)量?jī)x與接收機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連續(xù)運(yùn)行1周以上，測(cè)量?jī)x均能正常工作，接收機(jī)也能夠正確識(shí)別輸入數(shù)據(jù)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x能夠進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的測(cè)量工作。將測(cè)量?jī)x與實(shí)驗(yàn)室所擁有的高精度區(qū)域自動(dòng)氣象站放置于同一環(huán)境下，使用氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行外部比對(duì)。采集2015年3月28日15:00至2015年3月29日15:00（北京時(shí)間）24 h的溫度、濕度和氣壓參數(shù)，外部比對(duì)結(jié)果如圖7所示。將溫濕度測(cè)量?jī)x與區(qū)域自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)做差，求其均值與RMS值，所得結(jié)果如表4所示。

表4　溫濕壓測(cè)量?jī)x與區(qū)域自動(dòng)氣象站氣象參數(shù)的差值結(jié)果

圖7　溫濕壓測(cè)量?jī)x與區(qū)域自動(dòng)氣象站同時(shí)刻數(shù)據(jù)對(duì)比（2015-03-28 T 15:00:00 / 2015-03-29 T 15:00:00）

根據(jù)圖7和表4的結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的溫濕壓測(cè)量?jī)x可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠?yàn)榻邮諜C(jī)提供長(zhǎng)期穩(wěn)定且符合要求的溫度、濕度和氣壓參數(shù)，以用于下一步的對(duì)流層延遲計(jì)算。

3.2與IGS數(shù)據(jù)的對(duì)比

除了直接比較測(cè)量值與參考值以驗(yàn)證溫濕壓測(cè)量?jī)x是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還可以通過與地理環(huán)境相似的對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)間接驗(yàn)證。使用測(cè)量?jī)x所測(cè)得的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，利用Saastamoinen模型計(jì)算天頂方向的對(duì)流層延遲，將其結(jié)果與IGS武漢站（wuhn）和北京房山站（bjfs）的對(duì)流層數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。采集2014年年積日為340的24 h的測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)和IGS MAP數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8　2014年年積日340的Saastamoinen模型與IGS對(duì)流層延遲數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

由圖8可以看出，使用實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)的對(duì)流層延遲天頂方向數(shù)據(jù)與IGS武漢站以及北京房山站的數(shù)據(jù)都非常接近。且實(shí)測(cè)值與兩者的差值都在3 dm的范圍內(nèi)，滿足溫濕壓測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)要求，即對(duì)流層延遲的誤差應(yīng)該控制在分米級(jí)。因此所測(cè)得的氣象數(shù)據(jù)精度能夠滿足對(duì)流層延遲計(jì)算的設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

本文研制的溫濕壓測(cè)量?jī)x，能夠正確連續(xù)輸出符合NMEA格式的溫濕壓參數(shù)，溫度值精度為0.5℃，分辨率為0.1℃；濕度值精度為5%，分辨率為0.1%；氣壓值精度為10 hPa，分辨率為0.1 hPa。系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)接收機(jī)可以正確識(shí)別并存儲(chǔ)測(cè)量?jī)x的測(cè)量數(shù)據(jù)，用于對(duì)流層延遲改正。利用接收機(jī)與溫濕壓測(cè)量?jī)x聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用實(shí)時(shí)的溫濕壓數(shù)據(jù)和Saastamoinen模型計(jì)算天頂方向的對(duì)流層延遲，所得的天頂方向?qū)α鲗友舆t誤差可控制在分米級(jí)范圍。使用所設(shè)計(jì)的溫濕壓測(cè)量?jī)x輔助，能夠進(jìn)一步提高GNSS系統(tǒng)時(shí)差監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)精度。

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Design and implementation of a measuring instrument of temperature/humidity/pressure for troposphere delay correction

ZHANG Wen1，2，3， LIU Yin-hua1，2， ZHANG Hui-jun1，2， LI Xiao-hui1，2
（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards， National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

In order to support the system time compatibility and interoperability between Beidou and other navigation systems， NTSC（the National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences） established a GNSS system time offset monitoring platform.A measuring instrument of temperature/humidity/pressure was designed and implemented to correct the tropospheric delay for this system time offset monitoring platform.In this measuring instrument， FPGA is adopted as the core processor.The errors of output values for temperature，humidity and pressure are less than 0.5℃， less than 5%， and less than 10 hPa respectively.The output data ofmetrological parameter are in NMEA format， which can be recognized and used by a variety of receivers.The designed instrument would not only used in correcting the tropospheric delay but also used in other aspects such as precise positioning and time transfer.

troposphere delay； FPGA； metrological parameter

TN965+.6

A

1674-0637（2015）03-0154-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0154-09

2015-01-26

地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助（SKLGIE2013-M-2-3）

張文，女，碩士，主要從事GNSS系統(tǒng)時(shí)差修正研究。