“北斗”衛星導航系統在氣象領域的應用

涂滿紅（中國氣象局氣象探測中心）

2011年，總裝備部和中國氣象局聯合啟動了基于“北斗”導航衛星的大氣海洋和空間監測預警應用示范工程。該項目主要包括高空氣象探測、地面水汽電離層監測、海洋氣象探測領域和氣象信息發布系統。通過研發相關業務設備、應用軟件，形成一系列相關的規范和標準，全面提升我國導航衛星氣象觀測水平，為氣象預報提供高精度、高時間分辨率、高可靠性的觀測資料；對提高氣象預警、預報能力，促進我國“北斗”衛星導航系統（以下簡稱“北斗”系統）在氣象領域的推廣應用具有重要意義。

1 示范項目啟動背景

中國是世界上氣象災害最為嚴重的國家之一，干旱、洪澇、臺風、高溫、冷害、沙塵暴等多種氣象災害頻繁發生，對國計民生影響很大，給社會經濟帶來嚴重損失。

黨中央、國務院領導高度重視氣象防災減災工作，近年來作出一系列重要指示和批示。要實現黨和國家對氣象防災減災的要求，關鍵是進一步提高監測預報的準確性、災害預警的時效性。準確的監測無疑需要先進的觀測技術和設備，準確的預報同樣需要觀測水平的提高和觀測數據的增加。幾十年來，國際上天氣預報水平的提高是和新技術特別是衛星在氣象觀測上的應用離不開的。

衛星導航定位技術應用在氣象觀測領域，可有效提高數值預報的精度。根據歐洲數值預報中心2008年對觀測資料相對預報的評估，GPS氣象觀測資料在27種氣象資料中對預報的相對貢獻居第4位，對24h預報準確率的貢獻為8%。

利用我國“北斗”系統進行氣象觀測系統建設，不僅可提高氣象觀測的準確性和自動化，趕上世界先進水平，而且可推動我國自主衛星導航技術和終端產品在氣象觀測業務領域的廣泛應用。同時，利用“北斗”系統的短報文通信功能，可及時有效地把氣象預警信息發送到用戶手中，對提高災害預警的時效性和安全性，提高防災減災的效益，有著GPS不可比擬的優勢。

“北斗”水汽電離層探測設備（左圖為接收數據及處理界面，右圖為室外接收天線和基座）

2 示范項目主要內容和時間節點

中國氣象局基于“北斗”導航衛星的大氣海洋和空間監測預警應用示范工程的主要內容包括：

1）高空氣象探測。利用“北斗”系統提升氣象探空系統觀測精度、自動化水平和應急觀測能力。

2）地面水汽電離層監測。利用“北斗”系統提升現有水汽和電離層遙感探測系統的穩定性、可靠性。

3）海洋氣象探測。利用“北斗”系統提供近海海洋氣象觀測新手段，解決海風海浪觀測資料匱乏問題。

4）氣象信息發布系統的建立。利用“北斗”系統的短報文通信功能解決常規通信手段覆蓋不到的偏遠地區氣象預警信息的發布問題。

該應用示范項目的時間節點如下：

? 2011年，開展總體設計，制定并提交項目實施方案，以及設計文檔和項目研發需求分析。

? 2012年，完成“北斗”探空和海浪探測設備樣機研發，完成“北斗”水汽電離層遙感探測接收機的試驗考核、設備選型定型和小批量采購，完成“北斗”預警終端的選型定型和小批量采購。

? 2013年，完成“北斗”探空定型、海浪探測設備定型考核、招標采購和系統建設，完成“北斗”水汽電離層遙感探測接收機的招標采購和系統建設，完成“北斗”預警系統的建設。

? 2014年，開展“北斗”探空、“北斗”水汽電離層探測、“北斗”海浪探測、“北斗”預警系統的試運行，評估總結和結題驗收。

3 示范項目實施目標

目前，我國氣象業務使用的L頻段雷達探空系統的風速誤差為±1m/s，風向誤差為±5°；而如果采用衛星導航系統進行測風，其風速誤差能達到±0.3m/s，風向誤差能達到±3°，精度明顯優于L頻段雷達探空系統。從目前中國氣象局所做的相關試驗和比對分析結果來看，“北斗”系統在高空氣象探測方面的試驗效果與美國GPS系統的相當，可以滿足業務應用需求。

我國地面水汽電離層監測業務使用的設備需要從國外進口，設備維護成本較高，平均維修時間多達3個月，使系統的維護困難較大。如果采用基于“北斗”系統的符合業務要求的國產設備，能夠有效減少設備維護和維修時間，降低系統建設費用和維護費用。

“北斗”/GPS型數字式GPS電子探空儀

利用“北斗”反射信號探測海風和海浪具有低成本、低功耗、全天候的特點，可實現對近海海風和海浪的觀測，提供高時間分辨率的海洋氣象觀測數據，為海洋氣象觀測提供了一種新的手段，而且這種手段維護成本較低，易于在業務中推廣應用。同時，還可應用于陸面土壤濕度的探測，為模式下墊面的參數化奠定基礎。

北京東方聯星科技有限公司生產的“北斗”多模導航芯片和模塊

因此，盡快研制出符合業務要求的相關“北斗”專業設備是“北斗”系統實現在氣象領域應用比較緊迫的重要一步。目前，參與氣象示范項目應用推廣涉及到多家單位，如北斗星通股份有限公司、中國華云技術開發公司、北京東方聯星科技有限公司、北京長峰聲表面波公司，南京大橋機器有限公司等。

4 結束語

如何進一步利用“北斗”衛星導航資源來發展我國氣象事業是目前正在積極探索和研究的課題。除了正在實施的大氣海洋和空間監測預警應用示范工程之外，中國氣象局還在積極開展“北斗”系統反射信號在海冰、海霧、地面土壤濕度反演等方面的試驗和研究。隨著“北斗”系統自身的發展，相信它在氣象領域的應用會越來越廣闊，將對我國氣象事業的發展起到越來越重要的支撐作用。