无线电探空系统已经有几十年的历史，至今仍然是高空气象探测领域中最基本、最重要、最普遍、最可信赖的手段, 为天气预报、气候分析、气象研究和业务服务提供基本大气状态信息，是现代数值预报发展最主要的资料来源。作为高空探空系统的探空仪，其传感器经历了机械式、电子式的发展，测风从经纬仪、雷达一次/二次测风到卫星导航测风的发展，自动化程度和探测精度有了很大提高。20世纪80年代以来，随着各种导航技术的发展，出现了奥米伽、罗兰-C以及全球定位系统 (GPS)、北斗等导航测风系统^[1-5]。此后，各个国家开始过渡到使用卫星导航系统测风。当前，导航型探空仪成为高空探测业务的主流产品，但中国一直没有使用导航型的探空仪，使得中国高空探测技术落后于世界先进水平。

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统 (CNSS)，是继美国GPS和俄罗斯的GLONASS之后第3个卫星导航系统。北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力，中国迎来了发展导航型探空仪的最佳时机，本文所提到的探空系统就是在这个背景下研制而成。

为了缩小与世界高空探测技术的差距, 发展和研究北斗探空系统成为当前首要任务。目前，已研发了基于北斗卫星导航系统的探空仪、地面接收系统的原理样机，并进行了初步试验。对探空系统的介绍和探空仪的测风性能进行研究分析，为北斗探空系统进一步完善和推广均具有重大的意义。鉴于北斗卫星导航系统目前部署的现状，北斗探空仪支持多种模式，即单北斗、单GPS、北斗与GPS混合模式。由于单北斗模式的精度还不能满足业务需要，单GPS模式不是发展的重点，而北斗与GPS混合模式能够满足业务的需求，因此是当前的发展重点，因此在下文中所提到北斗探空仪均指北斗与GPS混合模式的探空仪。在试验中，为了比对需要，标准GPS探空仪采用曾参加阳江国际探空仪比对试验获得认可的国产GPS探空仪，简称GPS探空仪。

北斗卫星导航系统完全部署后的星座有35颗卫星，轨道分布如图 1a所示，其中包括5颗地球同步静止轨道卫星 (GEO)、3颗倾斜同步大圆轨道卫星 (IGEO) 和27颗中圆轨道卫星 (MEO)。其中5颗GEO卫星在一个轨道，3个IGEO卫星分布在3个倾斜轨道，27颗MEO卫星分布在3个中圆地球轨道。目前，北斗导航系统星座有15颗在轨卫星，其中5颗GEO卫星中的G2号卫星不能正常使用，5颗MEO卫星部署在中圆地球轨道，5个IGEO卫星分布在3个倾斜轨道，其IGEO星下点轨迹呈“8”字形，轨道倾斜角为55°，如图 1b所示。已经初步具备区域导航、定位和授时能力。

图 1

图 1. 北斗卫星导航系统星座示意图 (a) 部署完善后的北斗卫星导航系统星座[6]，(b) 当前北斗卫星导航系统星下点轨迹[7] Fig 1. Schematic diagram of Beidou Satellite Navigation System (a) the constellation of Beidou Satellite Navigation System after the deployment to improve[6]，(b) the ground track of the current Beidou Satellite Navigation System[7]

随着北斗导航系统的发展，研发基于北斗卫星导航系统测风的探空仪具备了前提条件。自北斗系统建设以来，国内就开始了北斗探空仪和探空系统的研究。高太长等^[8]在北斗双星定位系统基础上研究了无源探空仪的测风性能。2010年中国气象局开始组织北斗探空仪的研究, 同年8月在中国阳江国际探空仪的比对中施放成功^[9]。目前，国内的探空仪厂家都在GPS探空系统基础上研发北斗探空系统^[10-12]。

北斗探空系统包括北斗探空仪和地面接收系统。北斗探空仪和GPS探空仪结构相同，包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、北斗测风模块、数据处理模块和数据信号发射模块；地面接收系统包括接收机、数据处理模块和产品输出显示模块。组成结构如图 2所示。

图 2

图 2. 北斗探空仪组成结构 (a) 和地面接收系统组成结构 (b) 框图 Fig 2. The diagram of Beidou radiosonde structure (a) and the ground receiving system structure (b)

目前北斗探空仪的温度传感器是热敏电阻，湿度传感器是湿敏电容，采用奥地利E+E公司的产品，气压传感器是硅压阻, 用于500 hPa以下的气压测量。

北斗探空测风模块可以同时接收北斗和GPS信号，在PVT输出上可以采用3种模式定位测速：①单北斗信号解算, ②单GPS信号解算, ③北斗与GPS混合解算。

目前我国北斗测风模块已完全实现国产，可以以北斗与GPS双模方式工作。表 1为北京东方联星科技有限公司提供的CC50测风模块的性能指标。测风模块的北斗接收机采用陶瓷有源天线，探空仪的总体性能参数如表 2所示。

表 1

表 1 CC50测风模块性能指标 Table 1 The performance index of CC50 参数 指标 水平位置精度 5 m 垂直位置精度 10 m 速度精度 0.1 m·s-1 重捕获时间 ≤1 s 平均热启动时间 1 s 平均冷启动时间 37 s 输入信号 GPS L1和BD2 B1 通道数 并行双32通道 定位输出速率 1 Hz 通讯端口 两个串口双向，LV-TTL电平

表 1 CC50测风模块性能指标 Table 1 The performance index of CC50

表 2

表 2 北斗探空仪性能指标 Table 2 The performance index of Beidou radiosonde 参数技术指标 范围 探测距离 0~200 km 探测高度 0~36 km 温度测量范围 -90℃~50℃ 温度最大静态测量误差 0.2℃ 湿度测量范围 1%~100%(相对湿度) 湿度最大静态测量误差 3%(相对湿度) 气压测量范围5 hPa~1060 hPa(高度计算) 100 hPa~1060 hPa(传感器直接测量) 气压最大测量误差 1 hPa 风速测量范围 0~150 m·s-1 风速最大测量误差 ±0.3 m·s-1 风向测量范围 0°~360° 风向最大测量误差 ±3°(风速分量大于3 m·s-1) 发射机频率范围 401~406 MHz 发射机发射功率 ≤23 dBm 发射机发射谱宽 ≤20 kHz(-50 dBc) 发射机频率稳定度 ≤20 kHz(温差≤100℃) 天线频率范围 1567.75±9 MHz 天线增益 >3 dBi 天线极化方式 右旋极化

表 2 北斗探空仪性能指标 Table 2 The performance index of Beidou radiosonde

北斗探空仪使用我国自主研发的芯片，可以同时接收北斗和GPS信号，支持单独用北斗、单独用GPS解算，也兼容用北斗与GPS混合解算。北斗探空仪与GPS探空仪最大区别在于前者是接收中国自主研发的北斗卫星信号，而后者是接收由美国发射的GPS卫星信号，这样从源头上北斗探空仪摆脱了GPS卫星使用的限制，使得北斗探空仪稳定性和安全性有了保障。本文根据静态试验和动态试验的结果进行分析。

2011年9月6日—10月4日进行了静态试验。在静态试验中，先在4个固定点用高精度测量工具测量出该点的位置 (经度、纬度，海拔高度)，然后在每个固定点上放置一个类型探空仪 (单北斗、单GPS和两个北斗与GPS混合)，每次试验数据连续采集24 h的数据，采样频率为1 s，间隔24 h以上的时间再次重复采集数据。期间共进行12次试验，每次4个探空仪测风模块同时采集数据，共获得48个测风模块的样本数据，通过解算探空仪接收到数据与已知点位置进行对比，可以计算出水平位置的偏差、高度偏差、速度偏差。2011年9月28日—10月10日北京市观象台进行动态放球试验，采用同球携带多探空仪的方法放球，每球同时悬挂4~5个探空仪 (单北斗、单GPS、1个或者2个北斗与GPS混合和参考GPS探空仪)，共施放16个探空气球，采集到73个探空数据样本。该试验重点是评价探空仪的测风模块性能，通过探空仪的北斗接收模块获取探空仪位置，根据探空仪位置的变化计算出探空仪的飞行速度，计算获取风场的风速和风向。

在数据采集和处理上，采用国际探空仪比对方法，同球同时施放多个探空仪，时间同步和数据采样率同步。不同探空仪数据的保存格式、数据解算方法、数据接收率和系统时间都不完全一致。为了保证数值的可比性，需要完成以下3个步骤：①不同探空仪起始计时不同，需要统一到同一GPS时间上；②探空仪在放飞过程中会出现数据丢失情况，为了便于比较，需要补齐数据记录、采用逐秒记录数据，丢失的数据均填补空数据，最后参与对比的数据是各个探空仪均有值的记录；③按照WMO在阳江的国际探空仪比对方法^[13]，将风速分解为北向速度和东向速度分别比较，如果探空仪输出不是按北向和东向速度 (不同型号探空仪数据输出格式不一样)，则需要按输出的风速分解为北向和东向。有些探空仪所获取风速是瞬时值，波动性较大，消除波动性差异的算法较多^[14-19]，本文数据采用30 s平滑算法，即当前时刻前15 s和后14 s数据的平均值作为当前时刻的值。

在不同时段共进行了12次静态试验，静态测试结果如表 3所示。从试验结果可知，北斗与GPS混合模式与单GPS的定位性能相当。在卫星的分布上，北斗与GPS混合模式优于单GPS模式。单北斗模式在定位和定位几何衰减精度 (PDOP) 上与GPS模式存在明显差距。

表 3

表 3 3种模式静态定位精度对比 Table 3 The comparison of three modules for the positioning precision in the static test 模式 CEP50/m 水平标准差/m 高度标准差/m 速度标准差/(m·s-1) 平均PDOP GPS 2.11 2.67 5.49 0.02 1.80 北斗 8.16 12.64 20.27 0.06 5.03 北斗与GPS混合 2.10 2.66 5.93 0.02 1.40   注：CEP50为圆概率误差。

表 3 3种模式静态定位精度对比 Table 3 The comparison of three modules for the positioning precision in the static test

动态试验中，在具有放球环境的场地施放与业务放球相同标准的气球，在同一气球上携带多个参与对比的探空仪。通过动态试验，可以真实检验北斗探空仪的测风性能。

定位是北斗探空系统基本功能，准确定位可以精确测出大气的风速、风向。图 3是北斗探空仪与GPS探空仪在气球飞行中定位结果对比。由图 3可以看出，北斗探空仪的轨迹定位性能与GPS探空仪基本一致，说明北斗探空仪接收GPS信号和位置解算具备了初步功能，可以用于探空测风。图 4是北斗探空仪与GPS探空仪垂直定位的对比结果。由图 4可以看出，大部分偏差在10 m以下，统计结果显示，平均偏差为7.48 m，标准偏差为6.88 m，优于业务要求导航探空仪的测量精度^[20]。由图 4还可以看出，在13~17 km高度处，高度定位波动较大，这个位置恰处于对流层顶与平流层交界处，气流变化较大，对探空仪的稳定性有较大影响。这也说明了北斗探空仪适应大气剧烈变化的能力还有待提高。图 5为两种探空仪定位结果的散点图。由图 5偏差分布可以看出，两种探空仪的偏差在纬向-10 m和经向10 m的位置上，也就是说纬向定位偏小10 m，而经向定位偏大10 m。由图 5可以看出，纬向点位偏差基本为-10 m~0，而经向点位偏差为-20~30 m。导致北斗探空仪纬向定位比经向定位效果好是因为当前东西方向卫星数量比南北方向偏多^[8]。

图 3

图 3. 北斗探空仪与GPS探空仪轨迹对比 Fig 3. The trace comparison of Beidou radiosonde and GPS radiosonde

图 4

图 4. 北斗探空仪与GPS探空仪垂直定位差值变化 Fig 4. The change trend of the vertical location difference between Beidou radiosonde

图 5

图 5. 北斗探空仪与GPS探空仪的水平定位偏差散点图 Fig 5. The scatterplot of the horizontal positioning difference between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

测风是北斗探空仪的重要功能之一。测风性能效果决定了一个探空仪的性能优劣，因此在探空仪研究中，测风功能的设计与研究尤为重要。北斗探空测风模块设计了多种解算模式，以北斗和GPS混合解算作为默认模式。通过试验数据可知，北斗探空仪与GPS探空仪的测风性能相当，曲线变化基本一致，如图 6和图 7所示。从图 6的曲线变化可以看出，两种探空仪在16 km以下大气层的北向风速测量结果基本一致，从16 km以上开始出现差异。图 7的结果表明东向速度两种探空仪测量结果差异较小。

图 6

图 6. 北斗探空仪与GPS探空仪北向速度对比 (a) 与东向速度对比 (b) Fig 6. The speed comparison in the north (a) and east (b) directions between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

图 7

图 7. 北斗探空仪与GPS探空仪北向和东向风速差值变化 Fig 7. The change trend of the difference of velocity measurements in north and east directions between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

图 7是北斗探空仪与GPS探空仪的风速探测值的差值对比。统计结果表明，北斗探空仪北向风速标准差为0.05 m·s^-1，平均偏差为-0.05 m·s^-1；东向风速标准差为0.03 m·s^-1，平均偏差为-0.01 m·s^-1，与当前世界上使用的GPS探空仪性能相当。图 8是单北斗探空仪和GPS探空仪风速探测的对比，从统计结果可知，北向速度标准差为0.91 m·s^-1，平均偏差为0.58 m·s^-1; 东向速度标准差为0.17 m·s^-1，平均偏差为-0.03 m·s^-1。由图 8曲线变化情况可知，在16 km以下的探测中，北向和东向速度偏差都较小，绝对值约为0.2 m·s^-1，与图 7中北斗探空仪相当，而在16 km以上高度，速度偏差开始逐步加大，尤其是北向风速测量的稳定性在25 km以上高度出现了很大变化。对比图 7和图 8可知，混合模式比单北斗模式的北斗探空仪测风性能要稳定，在25 km以上高度的大气风速测量中差异尤为明显。

图 8

图 8. 单北斗探空仪与GPS探空仪北向和东向测速差值变化 Fig 8. The change trend of the difference of velocity measurements in north and east directions between the single Beidou radiosonde and GPS radiosonde

图 9为按业务规定层气压对比北斗探空仪与GPS探空仪北向和东向风速差异。由图 9可以看出，在40 hPa以下的大气层风速差都很小，绝对值在0.5 m·s^-1以内。40 hPa以上大气，南北向风速差异很大，而东西向风速差异相对较小。

图 9

图 9. 北斗探空仪与GPS探空仪在规定层上的北向和东向测速差值变化 Fig 9. The change trend of the difference of velocity measurements at specified level between Beidou radiosonde and GPS radiosonde

由图 6至图 8速度对比可以看出，虽然北斗测风模块总体情况较好，但是北斗探空仪在16 km以上高度的大气风速测量中出现较大的波动，可能与大气环境的复杂性有关，也可能与测风模块在该高度以上空间适应性不稳定有关，其原因仍有待进一步研究。同时，北斗探空仪多种模式的风速测量中，东向速度在精度和稳定性均好于北向。这是由于当前北斗卫星星座部署特点影响，当前北斗星座南北向的卫星较少，卫星呈“8”字型轨迹运行，使得南北定位起伏较大，精度较低；东西向的卫星较多且均为静止卫星，东西向的定位较稳定，精度较高，这可以在北斗卫星星座发展过程中解决。

本文通过试验，对当前北斗探空系统的研发进展和北斗探空仪的测风性能进行详细分析，得出以下结论：

1) 基于当前的北斗卫星导航系统，探空系统逐步稳定。双模芯片也日益成熟，为在高空测风中的应用奠定了基础。

2) 在双模测风模块中，利用北斗与GPS混合测风、定位，测风精度可满足业务需求。试验结果表明：北斗探空仪采用混合定位测速方式测风与GPS标准探空仪相比，北向速度标准差为0.05 m·s^-1，平均偏差为-0.05 m·s^-1；东向速度标准偏差为0.03 m·s^-1，平均偏差为-0.01 m·s^-1；高度标准偏差为6.88 m，平均偏差为7.48 m。北斗探空仪测风性能与GPS探空仪相当。

3) 单北斗测风，由于目前星座还未完全部署，定位平均PDOP值相比GPS要大，定位精度差，使用单北斗定位测风还需要北斗系统的完善和发展。

4) 北斗探空仪在低空大气中性能较稳定，而在高空中出现了较大波动，说明国产的双模芯片和模块稳定性还需提高。