无线电探空仪的操作特性Word文档下载推荐.docx
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建议
1应将附件1中的技术和操作特性作为403
MHz频带气象辅助业务使用的典型技术和操作特性;
2在制定干扰标准和进行与其它业务共享方面的研究时,应考虑表3中规定的性能标准。
附件1
1引言
1.1日常气象操作
气象辅助主要用于高度在36公里以下的大气层内,对气象变量(压力、温度、相对湿度、风速和方向)进行高空就位探测。
探测对国家的气象预报能力至关重要(因此公共恶劣天气预报服务与保护人民生命财产安全密切相关)。
气象辅助和相关的跟踪系统能够在所需的各个高度范围,同时探测温度、相对湿度、风速和方向的垂直构成。
这些气象变量在垂直方向上的变化包含了气象预报的大部分关键信息。
气象辅助系统是唯一能够定期为气象学家提供其所需四项变量垂直分辨率的气象观测系统。
确定某变量发生突变的高度十分重要。
因此必须确保在无线电探空仪升空的整个过程中能够持续获得可靠的探测数据。
气象辅助观测结果是通过以下系统获得的:
陆地台站或船上发射的升空气球搭载的无线电探空仪,由航空器投放并由降落伞搭载的空投探空仪,由火箭发射到大气层并在数据收集过程中由降落伞搭载的火箭探空仪。
几乎所有国家都将无线电探空仪观测作为日常工作,每天要进行二至四次。
观测数据将在数小时之内,通过WMO全球电信系统(GTS)立即被传送到所有其它国家。
观测系统和数据传播都是在WMO世界气象观测计划的框架下组织进行的。
无线电探空仪网络为实时就位探测提供了主要的全球性资源。
《世界气象组织规则》(全球数据处理系统(GDPS)手册)要求进行无线电探空仪探测,并将探测结果发送到世界各地的国家、区域和全球性GDPS中心,用于数字气象预测。
在二十一世纪前十年,全世界范围内的观测台站水平间隔都小于或等于250公里,且观测的频率为每天一至四次。
但是,小范围天气现象(例如,雷暴、局部风力、龙卷风)和紧急环境事故实际需要每隔一至三个小时,便以50至100公里的分辨率进行局部高空观测。
需要通过根据国家主管部门需求选定的各观测系统进行观测,其中包括气象辅助探测、风廓线雷达探测和卫星探测。
无线电探空仪对保持WMO全球观测系统(GOS)的稳定至关重要。
卫星的遥感探测不具备无线电探空仪的垂直分辨率。
成功地从这些卫星探测结果中导出垂直温度结构,通常需要直接根据无线电探空仪的数据或数字气象预报本身进行计算。
对于后一种情况,无线电探空仪的探测结果可以确保这些预报的垂直结构能够随时间的变化保持准确和稳定。
此外,无线电探空仪的探测结果可通过多种技术手段对卫星观测结果进行校准。
因此,在可预见的将来,无线电探空仪对气象操作仍必不可少。
1.2监测气候变化
在过去20年,大气层的温度和臭氧层在世界范围内都发生了巨大的变化,其许多大的变化都发生在距地球表面12至30公里的范围。
这些变化之大,足以引起对未来的公众健康安全的关注。
对30公里以上高度进行日常的无线电探空仪观测,能够确定已发生的垂直变化的分布,从而能够对变化的原因进行评估。
相似高度的臭氧层无线电探测仪探测结果可以确定臭氧层损耗的垂直分布,这些损耗目前出现于南北半球的冬季和春季。
许多国家在这些季节至少每周放飞三次臭氧层无线电探测仪,以监视情况的发展。
气候变化的成功取样要求使用具有成熟系统误差特性的无线电探空仪。
对高空探测时间序列一致性的要求意味着,新设计的无线电探空仪在投入使用之前,必须在实验室和自由大气层进行几年的高强度测试。
1.3其它用户
气象辅助系统可由独立于主要民用气象组织的国家研究机构和其它用户部署。
具体的调查对象将包括自由大气层中的环境污染、水文、放射性,重大天气现象(如冬天的风暴、飓风、雷暴等)以及对一系列大气物理和化学属性的调查。
由于现有自动化技术使移动系统和船载系统的成功运行比过去容易许多,同时也不需大量熟练操作员和支持设备,因此这一用途不会随时间的推移而减少。
气象辅助操作必须适合这些用户的要求,从而增加了该操作所需的无线电频谱。
当这些其它用户的升空发射台在气象组织发射站150公里的范围内时,这一点尤为重要。
2无线电探空仪的操作特性
尽管许多无线电探空仪的操作通常是按照特定的时间表进行,但是可以根据特殊的操作要求、大气条件或测试要求在白天或夜晚的任何时间实施。
为向每日的天气预报提供必要的观测信息,全世界都在使用气象无线电探空仪进行观测。
标准观测名义上在协调世界时(UTC)0000和1200进行,但实际的发射时间根据各国惯例不同而异,且在有些情况下至少比名义时间早三刻钟开始。
如果无线电探空仪起飞前的准备工作出现了问题、当地空中管制规则对发射时间提出的了限制或在首次起飞时出现了故障,则发射时间也可能推迟两小时。
一些国家会在0600和1800UTC这两个中间时间段进行常规观测。
为观测异常天气或应测试的要求,天气观测部门通常会定期使用移动系统从临时站点发射额外的无线电探空仪和空投探空仪。
为满足操作需求,对非用于天气观测的发射也作出了规划。
国家气象服务部门根据世界气象组织推荐使用的惯例和获得国际认可的程序,进行无线电探空仪网络的实施和操作。
目前,定期提交报告的无线电探空仪数量为900台。
一年内大约有800
000台与世界气象组织网络相关的无线电探空仪发射升空,且据估计另有400
000台无线电探空仪被用于国防和专门用途。
由于操作成本的限制,目前无线电探空仪的使用水平不能满足气象需求。
3世界气象组织报告的操作中所使用的无线电频谱
3.1世界气象组织调查的结果
表1中给出了为世界气象组织气象数据交换每日报告信息的、由气象无线电探空仪台站使用的无线电频率估计值。
此信息是基于世界气象组织成员正在使用的《无线电探空仪目录》及《高空测风系统》。
频带分割的建议必须考虑到这样一个事实,即国际上为气象辅助划分的主用频带,并不是在所有国家都可用于该业务。
例如,在澳大利亚,至少403
MHz频带中的一半目前无法用于气象辅助操作。
世界各地在划分给气象辅助(403和1
MHz频带)使用的两个主要频带的用法上存在很大的差异。
在1
MHz频带工作的系统,主要是美国、日本和中国使用。
这些系统向世界气象组织的全球电信系统提供气象数据。
在这些国家中,其它用户主要将403
MHz做为非气象操作的频带。
在欧洲,403
MHz频带被大量用于支持气象无线电探空仪的操作。
俄罗斯和一些有合作协议的国家将1
780
MHz附近的频率用于无线电探空仪操作。
使用1
MHz的国家应将其操作转移至这两个主要频带之一,以便能够利用现有的商用设备。
表
1
用于日常气象操作的无线电探空仪无线电频率使用一览表
区域
站点的总数
使用
400MHz的站点
1
MHz的站点
MHz的站点
(1)
欧洲和俄罗斯西部
184
122
12
50
亚洲和俄罗斯东部
370
139
127
104
非洲
74
65
9
北美洲
166
55
109
2
南美洲和南极洲
63
7
4
澳大利亚和大洋洲
100
73
27
船载系统
36
总计
1004
553
291
160
(1)1
780MHz频带(1
774-1
790MHz)在世界少数几个国家使用,但在《无线电规则》中并未将其划分给气象辅助业务。
3.2西欧和北欧使用的无线电频谱
在西欧和北欧地区,无线电探空仪网络很稠密,其中包括用于日常气象操作、环境监测和各种国防用途的台站。
大部分无线电探空仪在403
MHz频带工作。
目前这些无线电探空仪大部分是模拟的,但预计将来会转变为数字通信设备。
现已为在欧洲使用的所有数字无线电探空仪制定了统一的欧洲标准,其内容涵盖了频谱屏蔽和传输功率的基本要求。
模拟无线电探空仪还没有统一的标准,其使用需各国批准。
3.3北美和南美使用的无线电频谱
美国的民用气象服务部门目前是1
MHz频带的主要用户。
其它美国用户使用403
MHz频带。
尽管在1
MHz范围内有划分,但民用气象服务部门的操作主要集中于1
6751
683
MHz频带,以避免与1
675
683-1
MHz频带的业务发生冲突。
在对主要气象卫星地球站产生的干扰成为问题时,或在安装大型抛物面跟踪天线不切合实际时,这些地点的民用气象服务部门使用了一些403
MHz频带的系统。
最近对美国403
MHz频带无线电探空仪使用进行的调查显示,非气象用户部署了大量系统。
至少40个系统被大学或其它美国机构使用。
为支持在国家科研站进行长期研究,有些系统的部署很密集,其水平间距小于250公里。
4操作要求
除准确性之外,无线电探空仪设计的主要要求还包括可靠性、强健性、重量轻、体积小和功耗低。
由于无线电探空仪通常仅使用一次,因此其设计应确保生产成本很低。
传感器校准的易用性和稳定性也是重要的因素。
无线电探空仪应至少能够通过200公里范围内的无线电链路提供数据,并能够在−90︒C至+60︒C的温度范围内工作。
由于电池的电压会随时间和温度而变化,因此无线电探空仪的设计必须使该设备能够容忍这些变化,并满足精度和无线电频率飘移的要求。
相关接地设备不应过于复杂或需要频繁的高技能维护。
但宜保持无线电探空仪本身尽量简单,甚至不惜以增加接地设备复杂度为代价,因为后者发生故障更容易修复,且应尽量降低飞行设备的成本。
无线电探空仪全程的升空时间为90至120分钟,在使用降落伞的情况下其下降时间为升空时间的一半。
无线电探空仪通常在下降过程中仍在发射。
根据系统设计的不同,适于无线电探空仪接收的最大范围在200至350公里之间。
升空速度约为5
m/s,其轨道取决于当时的风力条件。
总之,在射频探测台站四周半径约400至650公里的区域范围内,相同的下行链路频率不能复用。
在高密度地区,一台无线电探空仪的有效区内会有十家以上的无线电探空仪运营机构。
西欧和北欧地区的无线电探空仪网密度很大。
此外,气象和环境监测部门、各种研究活动以及国防部门都与天气观测部门共享这一频带。
为避免在不同无线电探空仪台站之间产生干扰,需要在无线电探空仪运营机构之间进行协调。
5未来的频谱要求
预计无线电探空仪将继续在403和1
MHz气象辅助频带工作。
我们必须认识到,尽管气象辅助在1
MHz(大于30
MHz)中有划分,但由于气象辅助与这一频带内的其它无线电业务不兼容,因此这一频带的大部分都无法为气象辅助所用。
在世界其它许多地区,只有子频带1
675-1
MHz可用于气象辅助操作。
下述因素可能会影响到国家对频带使用的选择。
5.1特强高空风力
根据地理位置不同,高空风力的平均强度也不相同。
在日本和西北欧许多海岸地区的地面和距地面16公里的范围内,其平均风力要比北半球其它地区高很多。
在西北欧,无线电探空仪操作的情况就更加严峻,因为在冬天的大部分时间里,高纬度16至30公里处的风力通常比低空层更强。
所以,须在大大超过150公里范围的基础上,以很低的仰角对无线电探空仪进行定期跟踪。
这种强风条件可能会持续几周,且如果上层无线电探空仪数据在这一时间段内无法接收,则会在气候记录中出现巨大的漏洞。
冬季观测对臭氧层损耗调查十分重要,而通过在这些条件下使用的载有臭氧传感器的无线电探空仪,尽可能多的获得高空层的信息也至关重要。
因此,403
MHz的高层接收对在长时间、高空大风力条件下工作的无线电探空仪是必不可少的。
无论使用NAVAID还是主雷达跟踪来测量高空风力,这一条均适用。
因此,对于定期会受到高风速影响的站点,将403
MHz用于气象辅助是出于两种原因。
首先,403
MHz的传播特性对长距离传输更为可靠。
其次,多径效应在地平线附近的仰角处会限制无线电经纬仪的精确性。
所以,在403
MHz使用基于NAVAID的系统,甚至不惜使用成本高昂的全球定位系统(GPS),对在苛刻条件下准确测风是必不可少的。
5.2高度自动化的系统带来的人力资源节约
过去,全球许多国家的气象服务部门都是通过加入NAVAID测风系统(主要是Loran-C系统)来获得403
MHz频带的气象辅助服务,从而提高其操作过程中的人力资源效率。
在403
MHz频带工作的系统通常更容易操作也更易于维护。
NAVAID测风系统无线电探空仪产生的额外成本被提高效率带来的节约所抵消,效率提高表现在单人操作、地面系统维护减少等方面。
但是,目前也在生产同时能在1
MHz频带工作的GPS无线电探空仪。
这些无线电探空仪提供的部分优势,以前只能从在403
MHz工作的、基于NAVAID系统的无线电探空仪处获得。
传统的地面NAVAID系统,例如LORAN-C,已于1997至2001年在世界大部分地区停止使用。
从长期看,如果GPS无线电探空仪的成本比过去的NAVAID无线电探空仪的成本高出许多,目前使用403
MHz系统的一些国家,可能重新恢复使用1
680MHz的无线电经纬仪。
在LORAN-C将继续运行的地区,LORAN-C无线电探空仪会继续得到使用。
5.3与无线电探空仪成本相关的问题
在全球网络中使用无线电探空仪进行观测的最大限制就是成本。
对于经济合作发展组织(OECD)的成员国来说,无线电探空仪的成本占无线电探空仪观测总成本的四分之一。
成本结构在发展中国家则大不相同,在这些国家中,无线电探空仪的成本是最为重要的因素。
鉴于气象数据的要求是全球性的,有些发达国家为确保高空观测的连续性,向一些发展中国家捐赠了系统和无线电探空仪的某些部分。
因此有必要将无线电探空仪的价格尽量压低,以确保对气象学至关重要的观测连续性,包括与保护生命相关的各个方面。
在无线电探空仪的总成本中,传感器和测风装置占很大比重,因此要有意识地尽量简化发射机的设计,从而将总价压低。
发射机的成本约占目前无线电探空仪电子设备成本的15-35%。
680MHz频带适用于大风出现频率低的国家和/或对使用403
MHz气象辅助频带基于GPS的无线电探空仪成本有所担心的国家。
MHz频带能够提供无线电测向测风的能力,而不必使用高成本的GPS无线电探空仪。
使用无线电经纬仪或一次雷达的气象操作无线电探空仪是最基本的设计,其单位成本最低。
尽管购买更为复杂的地面台站会使初期成本上升,但在采购了大量无线电探空仪后且人力资源成本所占比例不大时,可能会节约年度运营成本。
5.4独立于国际NAVAID的系统
有些国家为能够独立于国际NAVAID系统工作的高空探测系统制定了国家规定。
国际NAVAID系统在紧急情况下不一定可用。
此时,1
MHz频带的无线电经纬仪或403
MHz频带的一次雷达均为可用方案。
5.5频谱阻塞
在世界某些地区,单一频带可能无法满足气象辅助业务用户对频谱的需求。
在这些地区将使用两条频带,为气象操作、国防工作、大气层研究和其它应用提供充足的频谱。
5.6当前对频谱效率的改进
提高无线电探空仪频谱效率的方法之一就是使用数字遥测技术。
此类系统的优点主要在于所占带宽低,从而允许无线电探空仪同时使用更多的频谱。
为数字无线电探空仪引入的ETSI标准(表4中的类型B)规定,占用带宽为200
kHz的频率飘移范围不应超过20
kHz。
在过去十年间,使用高密度网络的西欧国家被迫使用晶体稳频发射机或特选稳定发射机来为日常操作提供支持。
有些国家继续使用LORAN-C作为测风的方法,因为这种方法的成本比使用GPS要低。
由于LORAN-C无线电探空仪的带宽很高,进行极高密度网络的操作(即间距为100公里)将是十分困难的。
世界气象组织鼓励世界上那些将甚宽频带雷达用于测风的地区使用更窄的频带系统,因为这些无线电频谱要与其它系统共享。
1
MHz的频带系统还未用于间距如此小的网络,且并未要求主要供应商相应地完善发射机的稳定性。
因此有可能在世界部分地区提高这一频带(需要大约8MHz多的带宽)频谱的使用效率,但前提是这些变化的分阶段实施不会造成无线电探空仪成本的大幅上升。
频带分割的任何建议都必须考虑到这样一个事实,即国际上为气象辅助划分的主用频带,并不是在所有国家都可用于该业务。
MHz频带的一半目前无法用于气象辅助操作。
5.7检错/纠错
在确保数据可用性性能不变的前提下,数字气象辅助系统的频谱效率可以通过降低发射机的功率来提高。
提高比特差错率(BER)性能的方法之一就是使用前向纠错(FEC)。
编码过程中,在发射机的数据内加入一些比特,用于在接收时检测错误;
例如分组编码、更具体的讲,里德·
所罗门(RS)编码。
RS编码被广泛地用于当今的数字通信,例如在光盘、移动和卫星通信中的应用。
比特纠错码能够改善遥测链路的性能。
RS码用RS(n,k)的形式表示,其中n为码字的长度,k为数据字符的数量。
编码器用s比特中的k个数据字符,并加入奇偶性字符,从而得出码字的长度n。
其中有s比特的n
-
k个奇偶性字符。
总之,最大码字长度可以通过n
=
2S
−
1来计算。
RS解码器最多可以更正码字中t个有差错的字符,其中2t
n
–
k。
使用RS编码可以将链路性能提高5
dB左右。
6气象辅助的可用性要求
除无线电探空仪故障或气球提前爆裂之外,无线电链路不可用是数据不可用的主要原因,这可能会造成重复探测。
无线电链路可用性下降有两个主要原因,即传播条件和干扰。
根据统计数据,电信系统不可用的情况分布在整个操作过程中,与此不同的是,无线电探空仪系统的不可用情况主要集中于测量的末段,即当无线电探空仪处于距地最高点时,且此时通常探空仪与接收机之间的倾距最大。
无线电探空仪的链路预算大部分由无线电探空仪与接收机之间的距离来控制,且该距离通常随高度的增加而上升。
由任何原因引起的无线电探空仪链路可用性的降低(例如,干扰),主要会影响大高度的测量结果,而这些测量结果是收集数据中的关键部分(会因传输中无冗余备份而丢失),因此会限制无线电探空仪的实际工作范围。
无线电探空仪系统对大气压力、温度和相对湿度(PTU)进行就位测量。
通过NAVAID或无线电测向(RDF)测出接收天线的方位角和倾角,便可确定风速和风向。
对于1
MHz的频带,无线电探空仪信号丢失10秒以上通常会造成地面接收机丢失跟踪目标。
轨迹丢失的无线电探空仪很少能被重新捕获,因此即使干扰信号消失,此次飞行的所有信息也会丢失。
无线电接收机将跟踪瞬时带宽(1.3
MHz)中最强的振幅信号。
6.1传播条件
ITU-RP.528建议书与“使用甚高频(VHF)、特高频(UHF和)超高频(SHF)频带从事航空移动和无线电导航业务的传播曲线”相关。
特别是300和1200
MHz传播条件与403和1680MHz频带现场测试的对比结果比较令人满意。
在下述假设的基础上,根据无线电探空仪的具体情况,图1和图2对ITUR
P.528建议书中的传输损耗曲线做了推断:
–时间可用性为97%(根据ITU-RP.618建议书中的公式,从ITU-RP.528建议书中95%的可用性推出);
–大陆性温带气候;
–最大倾斜路径距离为300公里;
–与天线高度方案A、C和E相应的接收天线为15米,且发射天线的高度分别为1000、10000和20000米;
–考虑到与ITUR
P.528建议书中描述频率的差异,403MHz和1
MHz频带分别存在2.6和2.9dB的额外衰减。
在这些曲线中我们注意到,在表示无线电探空仪操作的距离范围内,曲线C和E是相似的。
另外,对与高度为1
000米的无线电探空仪相对应的曲线A,50公里(大约)以下的传输损耗相似,而在更高的高度,却出现了明显的变化。
但是,很可能在1000米的高度时,无线电探空仪的倾斜路径距离低于50公里,这意味着对于两个频带来说,与此无线电探空仪高度相关的传播曲线与用于更大高度的曲线相似,如蓝色曲线所示。
在此基础上,图3和图4为无线电探空仪操作达到95%的可用性留出了必要的余量,该数值所示为自由空间损耗曲线与传输损耗曲线之间的差。
6.2飞行中的关键时段
通常在所有无线电探空仪的飞行过程中都存在关键时段,这些时段的数据比其它时段的数据重要。
但这些时间段无法用时间和高度来描述。
图5中的实例摘自《世界气象组织/国际电联手册-气象学中无线电频谱的使用》(2002年版)。
图中绘出了温度曲线以及无线电探空仪飞行中的湿度。
整个飞行过程中的数据接收很重要,但因温度、湿度或风所产生的突然变化而造成的数据损失(如图5中的圆圈所示),也会对预报能力产生巨大影响,因为我们无法精确地确定这一特殊过渡点。
对于干扰研究,必须假设所有数据曲线图具有同等的重要性。
6.3气象操作无线电探空仪的数据可用性要求
即使在气象网络内部,数据可用性要求也不相同。
其它独立的气象业务可能会有不同的要求,但本建议书已经确定了三种不同的类别。
第一类包括所有在403
MHz频带工作的无线电探空仪系统,在第7段中以系统A和B表示。
第二类是在1
MHz频带工作的较老旧的无线电探空仪系统,第7段中的系统C和D属于这一类别。
最后一类是正在1
MHz频带部署的新系统,第7段中的系统E属于这一类别。
6.3.1在403MHz频带工作的无线电探空仪系统
对在403MHz频带工作的不同系统的要求也有所不同。
对在403MHz频带工作的模拟无线电探空仪而言,丢失压力、温度、湿度和测风数据的最长可接受时间为4分钟。
在数据丢失的时段内,无线电探空仪处理系统将插入数
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