基于GPS技术的综合气象观测设备时间校准器研制

赵雪明　张福斌　张昊喆

摘 要 设计了基于GPS授时技术的综合气象观测设备时间校准器，解决了目前各级气象台站各种综合气象观测设备时间校对的问题，对于气象资料采集的准确性和传输的及时性具有重要的意义。

【关键词】GPS技术 综合气象观测 时间校准

随着气象现代化建设的不断推进，综合气象观测设备不断增加。目前，吉林省已经安装完成并投入使用的新一代天气雷达5部，中频相参多普勒天气雷达2部，国家级自动气象站54个，L波段探空系统3部。观测设备系统时钟准确与否将直接影响到观测资料的准确性和及时性。准确性指观测资料是否真实反映出精准时间下的客观事实。及时性指资料是否及时上传。目前，各级气象台站校对时间的方法一般采用通过拨打授时电话12117或者通过收听调频收音机整点报时进行对时，这两种对时方法极为不便而且时间校准不够精准，主观性较强，不能满足现代综合气象观测设备对时间精确程度的要求。

1 时间校准器功能需求

综合气象观测设备属于科技含量较高的现代化气象装备，新一代天气雷达，L波段探空系统等是高、低频电子器件较多的电子设备，工作机房电磁环境十分复杂，需要时间校准器具有一定的抗干扰性，在硬件选型、软件设计等方面要考虑电磁环境影响。综合气象观测设备的工作特点对时间校准器的可靠性有较高要求，要求时间校准器具有故障自动检测、信号丢失自动报警等功能。

综合气象观测设备时间校准器可以输出和显示标准时间，GPS信号失锁后，准确时间可以持续，不小于2天。时间校准器可以较为方便的实现对各气象探测设备的方便校时。

2 总体结构

GPS同步授时系统的硬件以嵌入式微处理器及其外围部件为基础，通过串口收发数据并控制GPS接收模块最终达到系统要求。由于综合气象观测设备对时间精度要求较高，因此在硬件的设计上还应该考虑时钟的自保持能力，当GPS接收失锁，电磁干扰时，时间校准器使用内置晶振时钟电路进行自保持。系统框图如图1所示。

其工作流程为，GPS接收模块通过GPS天线接收卫星发出的数据报文，CPU通过程序提取数据报文中的信息，通过串口输出到被校时设备。同时GPS输出秒脉冲至晶振，实现设备时钟的高精准度。

3 硬件设计

时间校准器CPU选用ARM7处理器，是系统的核心部件负责GPS数据报文的采集、处理以及时间信息的输出等功能。ARM7处理器具有低功耗，低成本，高性能的特点。采用RISC指令集，提高了指令的执行效率，运行速度较快，目前在智能仪表以及工业控制等领域具有广泛的应用。GPS天线与接收模块等部件均采用美国原装产品，具有精度较高，稳定性较好，功能强，无累积误差，免维护等特点。

4 软件设计

GPS数据输出的报文为 NMEA报文. NMEA是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准格式NMEA-0183协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。GPS 上电后， 每隔一定的时间就会返回一定格式的数据，数据每行都以‘$开头，接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。信息的类型有：（1）GPGSV：可见卫星信息，（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：当前卫星信息。因为GPRMC 最小定位信息包含系统所需要的时间信息，所以嵌入式处理器只需提取最小定位信息中的时间数据。软件编写提取最小定位信息里的UTC时间和日期信息。从而得出精准的时间信息，以一定的格式通过串口发给被校时的综合气象观测设备，从而实现对综合气象观测设备的校时。

5 小结

针对综合气象观测设备的特点，设计开发了基于GPS技术的综合气象观测设备时间校准器，该时间校准器可以接收GPS卫星播发的数据，提取UTC日期和时间信息并且转换成标准时间格式的字符串通过串口发送给被校时的综合气象观测设备。可以改变目前各级气象台站使用调频收音机或拨打电话12117对时的现状，校时精度也较传统方式有较大的提高。应用于新一代天气雷达时，对于短时临近天气预报、防灾减灾工作具有重要的意义。应用在自动站设备中时，可以使自动站数据采集时间更准确，时间准确度的提高可以进一步实现各探测设备的同步观测。该时间校准器为综合气象观测装备提供了快捷、准确、安全的授时解决方案。

参考文献

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[2]彭刚，春志强.基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社，2011.

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[4]龚建伟，熊光明.Visual C++/Turbo C 串口通信编程实践[M].北京：电子工业出版社，2006.

作者单位

1.成都信息工程学院大气科学学院 四川省成都市 610225

2.吉林省气象探测保障中心 吉林省长春市 130062

3.桦甸市气象局 吉林省桦甸市 132400