趙雪明　張福斌　張昊喆

摘 要 設(shè)計了基于GPS授時技術(shù)的綜合氣象觀測設(shè)備時間校準(zhǔn)器，解決了目前各級氣象臺站各種綜合氣象觀測設(shè)備時間校對的問題，對于氣象資料采集的準(zhǔn)確性和傳輸?shù)募皶r性具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù) 綜合氣象觀測 時間校準(zhǔn)

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，綜合氣象觀測設(shè)備不斷增加。目前，吉林省已經(jīng)安裝完成并投入使用的新一代天氣雷達(dá)5部，中頻相參多普勒天氣雷達(dá)2部，國家級自動氣象站54個，L波段探空系統(tǒng)3部。觀測設(shè)備系統(tǒng)時鐘準(zhǔn)確與否將直接影響到觀測資料的準(zhǔn)確性和及時性。準(zhǔn)確性指觀測資料是否真實反映出精準(zhǔn)時間下的客觀事實。及時性指資料是否及時上傳。目前，各級氣象臺站校對時間的方法一般采用通過撥打授時電話12117或者通過收聽調(diào)頻收音機(jī)整點(diǎn)報時進(jìn)行對時，這兩種對時方法極為不便而且時間校準(zhǔn)不夠精準(zhǔn)，主觀性較強(qiáng)，不能滿足現(xiàn)代綜合氣象觀測設(shè)備對時間精確程度的要求。

1 時間校準(zhǔn)器功能需求

綜合氣象觀測設(shè)備屬于科技含量較高的現(xiàn)代化氣象裝備，新一代天氣雷達(dá)，L波段探空系統(tǒng)等是高、低頻電子器件較多的電子設(shè)備，工作機(jī)房電磁環(huán)境十分復(fù)雜，需要時間校準(zhǔn)器具有一定的抗干擾性，在硬件選型、軟件設(shè)計等方面要考慮電磁環(huán)境影響。綜合氣象觀測設(shè)備的工作特點(diǎn)對時間校準(zhǔn)器的可靠性有較高要求，要求時間校準(zhǔn)器具有故障自動檢測、信號丟失自動報警等功能。

綜合氣象觀測設(shè)備時間校準(zhǔn)器可以輸出和顯示標(biāo)準(zhǔn)時間，GPS信號失鎖后，準(zhǔn)確時間可以持續(xù)，不小于2天。時間校準(zhǔn)器可以較為方便的實現(xiàn)對各氣象探測設(shè)備的方便校時。

2 總體結(jié)構(gòu)

GPS同步授時系統(tǒng)的硬件以嵌入式微處理器及其外圍部件為基礎(chǔ)，通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)并控制GPS接收模塊最終達(dá)到系統(tǒng)要求。由于綜合氣象觀測設(shè)備對時間精度要求較高，因此在硬件的設(shè)計上還應(yīng)該考慮時鐘的自保持能力，當(dāng)GPS接收失鎖，電磁干擾時，時間校準(zhǔn)器使用內(nèi)置晶振時鐘電路進(jìn)行自保持。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其工作流程為，GPS接收模塊通過GPS天線接收衛(wèi)星發(fā)出的數(shù)據(jù)報文，CPU通過程序提取數(shù)據(jù)報文中的信息，通過串口輸出到被校時設(shè)備。同時GPS輸出秒脈沖至晶振，實現(xiàn)設(shè)備時鐘的高精準(zhǔn)度。

3 硬件設(shè)計

時間校準(zhǔn)器CPU選用ARM7處理器，是系統(tǒng)的核心部件負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)報文的采集、處理以及時間信息的輸出等功能。ARM7處理器具有低功耗，低成本，高性能的特點(diǎn)。采用RISC指令集，提高了指令的執(zhí)行效率，運(yùn)行速度較快，目前在智能儀表以及工業(yè)控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。GPS天線與接收模塊等部件均采用美國原裝產(chǎn)品，具有精度較高，穩(wěn)定性較好，功能強(qiáng)，無累積誤差，免維護(hù)等特點(diǎn)。

4 軟件設(shè)計

GPS數(shù)據(jù)輸出的報文為 NMEA報文. NMEA是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association ）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式NMEA-0183協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。GPS 上電后， 每隔一定的時間就會返回一定格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每行都以‘$開頭，接著是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號分隔開。信息的類型有：（1）GPGSV：可見衛(wèi)星信息，（2）GPGLL：地理定位信息，（3）GPRMC：最小定位信息，（4）GPVTG：地面速度信息，（5）GPGGA：GPS 定位信息，（6）GPGSA：當(dāng)前衛(wèi)星信息。因為GPRMC 最小定位信息包含系統(tǒng)所需要的時間信息，所以嵌入式處理器只需提取最小定位信息中的時間數(shù)據(jù)。軟件編寫提取最小定位信息里的UTC時間和日期信息。從而得出精準(zhǔn)的時間信息，以一定的格式通過串口發(fā)給被校時的綜合氣象觀測設(shè)備，從而實現(xiàn)對綜合氣象觀測設(shè)備的校時。

5 小結(jié)

針對綜合氣象觀測設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計開發(fā)了基于GPS技術(shù)的綜合氣象觀測設(shè)備時間校準(zhǔn)器，該時間校準(zhǔn)器可以接收GPS衛(wèi)星播發(fā)的數(shù)據(jù)，提取UTC日期和時間信息并且轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)時間格式的字符串通過串口發(fā)送給被校時的綜合氣象觀測設(shè)備?？梢愿淖兡壳案骷墯庀笈_站使用調(diào)頻收音機(jī)或撥打電話12117對時的現(xiàn)狀，校時精度也較傳統(tǒng)方式有較大的提高。應(yīng)用于新一代天氣雷達(dá)時，對于短時臨近天氣預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的意義。應(yīng)用在自動站設(shè)備中時，可以使自動站數(shù)據(jù)采集時間更準(zhǔn)確，時間準(zhǔn)確度的提高可以進(jìn)一步實現(xiàn)各探測設(shè)備的同步觀測。該時間校準(zhǔn)器為綜合氣象觀測裝備提供了快捷、準(zhǔn)確、安全的授時解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]謝鋼.GPS 原理與接收機(jī)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]彭剛，春志強(qiáng).基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應(yīng)用實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]陳軍，潘高峰譯.James Bao-yen Tsui. GPS 軟件接收機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C 串口通信編程實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

作者單位

1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院 四川省成都市 610225

2.吉林省氣象探測保障中心 吉林省長春市 130062

3.樺甸市氣象局 吉林省樺甸市 132400