“北斗”卫星导航系统在气象领域的应用

涂满红（中国气象局气象探测中心）

2011年，总装备部和中国气象局联合启动了基于“北斗”导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程。该项目主要包括高空气象探测、地面水汽电离层监测、海洋气象探测领域和气象信息发布系统。通过研发相关业务设备、应用软件，形成一系列相关的规范和标准，全面提升我国导航卫星气象观测水平，为气象预报提供高精度、高时间分辨率、高可靠性的观测资料；对提高气象预警、预报能力，促进我国“北斗”卫星导航系统（以下简称“北斗”系统）在气象领域的推广应用具有重要意义。

1 示范项目启动背景

中国是世界上气象灾害最为严重的国家之一，干旱、洪涝、台风、高温、冷害、沙尘暴等多种气象灾害频繁发生，对国计民生影响很大，给社会经济带来严重损失。

党中央、国务院领导高度重视气象防灾减灾工作，近年来作出一系列重要指示和批示。要实现党和国家对气象防灾减灾的要求，关键是进一步提高监测预报的准确性、灾害预警的时效性。准确的监测无疑需要先进的观测技术和设备，准确的预报同样需要观测水平的提高和观测数据的增加。几十年来，国际上天气预报水平的提高是和新技术特别是卫星在气象观测上的应用离不开的。

卫星导航定位技术应用在气象观测领域，可有效提高数值预报的精度。根据欧洲数值预报中心2008年对观测资料相对预报的评估，GPS气象观测资料在27种气象资料中对预报的相对贡献居第4位，对24h预报准确率的贡献为8%。

利用我国“北斗”系统进行气象观测系统建设，不仅可提高气象观测的准确性和自动化，赶上世界先进水平，而且可推动我国自主卫星导航技术和终端产品在气象观测业务领域的广泛应用。同时，利用“北斗”系统的短报文通信功能，可及时有效地把气象预警信息发送到用户手中，对提高灾害预警的时效性和安全性，提高防灾减灾的效益，有着GPS不可比拟的优势。

“北斗”水汽电离层探测设备（左图为接收数据及处理界面，右图为室外接收天线和基座）

2 示范项目主要内容和时间节点

中国气象局基于“北斗”导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程的主要内容包括：

1）高空气象探测。利用“北斗”系统提升气象探空系统观测精度、自动化水平和应急观测能力。

2）地面水汽电离层监测。利用“北斗”系统提升现有水汽和电离层遥感探测系统的稳定性、可靠性。

3）海洋气象探测。利用“北斗”系统提供近海海洋气象观测新手段，解决海风海浪观测资料匮乏问题。

4）气象信息发布系统的建立。利用“北斗”系统的短报文通信功能解决常规通信手段覆盖不到的偏远地区气象预警信息的发布问题。

该应用示范项目的时间节点如下：

• 2011年，开展总体设计，制定并提交项目实施方案，以及设计文档和项目研发需求分析。

• 2012年，完成“北斗”探空和海浪探测设备样机研发，完成“北斗”水汽电离层遥感探测接收机的试验考核、设备选型定型和小批量采购，完成“北斗”预警终端的选型定型和小批量采购。

• 2013年，完成“北斗”探空定型、海浪探测设备定型考核、招标采购和系统建设，完成“北斗”水汽电离层遥感探测接收机的招标采购和系统建设，完成“北斗”预警系统的建设。

• 2014年，开展“北斗”探空、“北斗”水汽电离层探测、“北斗”海浪探测、“北斗”预警系统的试运行，评估总结和结题验收。

3 示范项目实施目标

目前，我国气象业务使用的L频段雷达探空系统的风速误差为±1m/s，风向误差为±5°；而如果采用卫星导航系统进行测风，其风速误差能达到±0.3m/s，风向误差能达到±3°，精度明显优于L频段雷达探空系统。从目前中国气象局所做的相关试验和比对分析结果来看，“北斗”系统在高空气象探测方面的试验效果与美国GPS系统的相当，可以满足业务应用需求。

我国地面水汽电离层监测业务使用的设备需要从国外进口，设备维护成本较高，平均维修时间多达3个月，使系统的维护困难较大。如果采用基于“北斗”系统的符合业务要求的国产设备，能够有效减少设备维护和维修时间，降低系统建设费用和维护费用。

“北斗”/GPS型数字式GPS电子探空仪

利用“北斗”反射信号探测海风和海浪具有低成本、低功耗、全天候的特点，可实现对近海海风和海浪的观测，提供高时间分辨率的海洋气象观测数据，为海洋气象观测提供了一种新的手段，而且这种手段维护成本较低，易于在业务中推广应用。同时，还可应用于陆面土壤湿度的探测，为模式下垫面的参数化奠定基础。

北京东方联星科技有限公司生产的“北斗”多模导航芯片和模块

因此，尽快研制出符合业务要求的相关“北斗”专业设备是“北斗”系统实现在气象领域应用比较紧迫的重要一步。目前，参与气象示范项目应用推广涉及到多家单位，如北斗星通股份有限公司、中国华云技术开发公司、北京东方联星科技有限公司、北京长峰声表面波公司，南京大桥机器有限公司等。

4 结束语

如何进一步利用“北斗”卫星导航资源来发展我国气象事业是目前正在积极探索和研究的课题。除了正在实施的大气海洋和空间监测预警应用示范工程之外，中国气象局还在积极开展“北斗”系统反射信号在海冰、海雾、地面土壤湿度反演等方面的试验和研究。随着“北斗”系统自身的发展，相信它在气象领域的应用会越来越广阔，将对我国气象事业的发展起到越来越重要的支撑作用。