用于对流层延迟改正的温湿压测量仪的设计与实现

张文，刘音华，张慧君，李孝辉

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100049）

用于对流层延迟改正的温湿压测量仪的设计与实现

张文1，2，3，刘音华1，2，张慧君1，2，李孝辉1，2

（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院 时间频率基准重点实验室，西安 710600；3.中国科学院大学，北京 100049）

为支持北斗导航系统与其他导航系统的系统时间兼容与互操作，中国科学院国家授时中心建立了GNSS系统时差监测平台。为了修正系统时差监测中对流层延迟的影响，针对GNSS系统时差监测平台的特点，设计并实现了一款适用于时差监测接收机的温湿压测量仪。该测量仪以FPGA作为核心处理器，能够输出温度精度为0.5℃、湿度精度为5%、气压精度为10 hPa的气象参数。输出的气象参数为标准NMEA格式，能够为多种导航接收机直接识别并使用。该测量仪不仅可用于改善对流层延迟误差，而且可以将其扩展应用到其他精密定位、时间传递等工作中。

对流层延迟；现场可编程门阵列（FPGA）；气象参数

0　引言

全球卫星导航系统（GNSS）目前包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GAILEO以及中国的北斗系统（BDS），每个导航系统都有专用的系统时间。任意两个GNSS系统时间之间存在一定的偏差，称为GNSS系统时间偏差[1]。为了支持北斗系统与其他系统的时间兼容与互操作，更好地应用多模联合导航系统，需要对GNSS的系统时差进行监测。中国科学院国家授时中心已经建立GNSS系统时差监测平台，该平台以接收空间信号为主要监测手段，把UTC（NTSC）作为中介时间尺度，目前的监测精度为5.0 ns[2]。系统时差监测会受到很多误差源的影响，该监测系统已经对许多误差进行了校正，但是关于对流层延迟产生的误差只采用了参考高度角的简单模型予以计算[3]，仍存在一定的误差。为了进一步提高系统时差监测的精度，需要为对流层延迟的计算提供实时的温度、湿度和气压参数。

目前市场上的大多数气象测量仪都不是专用于导航接收机的，包含很多定位解算并不需要的气象参数，因此价格昂贵。同时其产生的测量参数并不符合接收机可以直接识别和解算的数据格式。因此，需要研制一款适用于时差监测接收机的温湿压测量仪。

本文基于FPGA可编程处理器研制一款系统时差监测接收机专用温湿压测量仪。该测量仪既能获取高精度的温度、湿度和压力值，又能输出大多数接收机都能够直接识别的NMEA格式的气象数据。使用该仪器能采集实时气象参数，并使用这些气象参数对已有的对流层改正模型进行分析。

1　温湿压测量仪设计

1.1温湿压测量仪的总体设计目标

温湿压测量仪设计的最终目的是要与时差监测接收机联合使用，将对流层延迟误差控制在分米量级。目前搭建的GNSS系统时差监测平台使用的是Septentrio Pola RX4型接收机。该接收机能够通过RS232串口接收NMEA格式的气象参数，并将其用于内建的Saastamoinen模型[4]来计算对流层延迟。该接收机不仅可以自行计算对流层延迟，而且可以通过串口将接收到的测量仪数据传输给其他工作机，用其他的方式或者模型进行对流层延迟的计算。温湿压测量仪与接收机的工作原理示意于图1。

图1　温湿压测量仪工作原理示意图

根据温湿压测量仪的工作原理，测量仪的设计要求包括两部分：测量指标和接口要求。根据时差监测接收机接收外部数据的要求，测量仪的接口要求如表1所示。

表1　温湿压测量仪的接口要求

为了对温度、湿度和气压的测量指标加以标定，需要计算这3个参数误差对对流层延迟计算结果的影响。以接收机使用的Saastamoinen模型为例，Saastamoinen模型天顶方向对流层延迟计算公式为[5]

式（1）中，P为测站气压，单位为hPa；T为测站温度，单位为℃；e0为测站水汽压，与测站温度和湿度有关。f（φ，h）为测站地心纬度φ（单位为弧度）和测站高程h（单位为m）的函数。根据误差传递理论，Saastamoinen模型的误差公式为[6]

式（2）中，W为测站相对湿度，单位为%。水汽压e0和f（φ，h）的计算式分别如式（3）和（4）所示：

将式（1），（3），（4）代入式（2）可以计算出

在静态定位时，测站高程和纬度这两项为已知参数，其误差导致的对流层延迟误差可以忽略不计。温度、湿度和气压对对流层延迟的影响可以看做是独立分布的，忽略它们之间的协方差。计算当对流层延迟误差为1 dm时，温度、湿度和气压的误差值结果（认为这3项结果的误差各为总误差的1/3）。计算结果要求温度误差≤2.94℃，湿度误差≤14.49%，气压误差≤12.82 hPa。考虑到测量仪的设计成本和现有各气象传感器的能力，以及接收机对测量参数显示位数的要求，测量仪的测量指标如表2所示。

表2　温湿压测量仪的测量指标要求

将表2所示的温度、湿度和气压的精度要求代入式（5），得到saasσ=0.040 9 m，表明能够达到设计要求的分米级精度要求。

1.2温湿压测量仪的总体设计方案

根据测量仪的设计指标，选定Sensirion公司的数字温湿度传感器SHT75作为温湿度测量芯片，Motorola公司的压力传感器MPX4115作为压力测量芯片。由于MPX4115为模拟输出，选择8通道同步采样模数转换芯片AD7608作为配套的模数转换芯片。这几款芯片的性能指标如表3所示，其中AD7608的性能指标是通过其模数转换范围和传递函数，将MPX4115的数据代入后计算得到的相应气压值的指标。

表3　所选测量芯片的性能指标

选择核心处理器时不仅要考虑处理器的性能，同时应当兼顾测量仪前期的调试和后期兼容性的扩展。因此选择Xilinx公司的Spartan-6 FPGA芯片作为测量仪的核心处理器。该系列的FPGA芯片包含有DSP48的数据处理芯片，适用于含有更多计算要求的设计，同时还兼有其惯有的可编程设计特点，能够在不更改外部电路的情况下完成设计的修改[7]。设计的温湿压测量仪除了温湿度采集、气压采集和与接收机接口的模块，还需要其他支持FPGA芯片正常工作的模块。系统的硬件结构如图2所示。

图2　温湿压测量仪硬件结构示意图

测量仪的工作模式为：接收机首先通过RS232串口发送测量命令，FPGA识别测量命令后通过GPIO并口和I2C串口向气压传感器和温湿度传感器请求气象数据。得到反馈的气象数据后，再通过RS232串口返回给接收机。外部振荡器OSC 50 MHz为FPGA的正常工作提供主时钟，SPI FLash存储芯片可以在电源不连续时保证FPGA内部系统功能的正确性。使用FPGA作为核心处理器实现温湿压测量仪，除了硬件上的器件连接，还需要使用VHDL语言对FPGA内部的功能进行软件上的实现。测量仪的功能实现主要是温湿度数据采集、气压数据采集和与接收机连接模块的软件实现。

2　温湿压测量仪的实现

2.1温湿度采集模块

温湿度测量芯片与FPGA的接口为I2C串行接口。主要依靠Sck和Sda两个信号完成所有测量功能。Sck为串行工作时钟，Sda为双向数据信号[8]。温湿度采集模块的工作方式如下：

①首先主处理器发送一组“启动传输”，来完成数据传输的初始化。当Sck时钟高电平时，将Sda翻转为低电平，紧接着Sck变为低电平，随后在Sck时钟高电平时将Sda翻转为高电平。

②随后主处理器发送命令指令，包含3个地址位和5个命令位。“00 000 011”代表温度数据采集，“00 000 101”代表湿度数据采集。

③在第8个Sck时钟下降沿后，温湿压传感器将Sda下拉为低电平（Ack位）。在第9个Sck时钟的下降沿后，将Sda恢复为高电平，以表示其已经正确地收到测量指令。

④温度采集等待约320 ms，湿度采集等待约80 ms后，温湿度传感器将Sda下拉至低电平进入空闲模式，表示测量的结束。此时主处理器通过控制Sck时钟信号，依次传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验（可选）。每个字节主处理器需要下拉Sda 1个时钟的低电平，以确认每个字节的正确传输。

⑤最后1个字节传输完成后，主控制器将Sda置为高电平，作为终止信号，表示整个测量过程的结束。

使用ISE软件[9]完成温湿度采集模块功能的设计和仿真后，使用Chipcope软件[9]对温湿度采集模块进行实时逻辑分析，以温度测量为例，实时分析结果如图3和4所示。

图3　温湿度采集模块的命令发送时序分析图

图4　温湿度采集模块的数据接收时序分析图

通过图3和4的实时逻辑分析结果可以看出，温湿度采集模块能够正确采集参数并传给处理器存储，完成温湿度采集模块的功能要求。主处理器将接收到的数据存储在相应寄存器中，等待编码后向接收机发送。

为了保证数据传输的正确性，在数据传输的末端加入CRC校验，将接收的16位数据和发送的8位命令一起进行CRC校验，校验公式为X8+X5+X4+1。当校验成功时，将16位测量数据存入I2C接口的输入寄存器中。同时，为了保证每次CRC校验的准确性，在“启动传输”和测量时序之间加入软复位命令。在每一次温湿度采集前都对传感器进行状态复位，能够降低CRC校验的误检率。

2.2气压采集模块

气压测量芯片与模数转换芯片的±5 V通道相连，模数转换芯片与FPGA的接口为GPIO并行接口。主控制器通过并行接口控制模数转换芯片对气压模拟数据的采样获得相应二进制的气压数据。当选择AD7608的并行工作模式时，主处理器主要通过CONVST信号、CS/RD信号和BUSY信号控制模数转换芯片完成气压采集功能。气压采集模块的工作方式如下：

① 主控制器将CONVST信号置为高电平，在信号的上升沿模数转换芯片采样开始。

② 模数转换芯片采样开始后会将BUSY信号置为高电平，采样结束后将BUSY信号恢复为低电平。

③ 主处理器检测到BUSY置低后，使用两个时钟周期的CS/RD信号的低电平，将采样转换的18位结果依次输出，整个采集过程结束。

使用ISE软件完成气压采集模块的功能的设计和仿真后，使用Chipcope软件对气压测量模块进行实时逻辑分析，实时分析结果如图5所示。

图5　模数转换芯片并行模式数据采样时序分析图

通过图5的实时逻辑分析结果可以看出，气压采集模块能够正确采集参数并传给处理器存储，完成气压采集模块的功能要求。主处理器将接收到的数据存储在相应寄存器中，等待编码后向接收机发送。

2.3数据传输模块

数据传输模块指测量仪与接收机间的数据传输。接收机与测量仪间的数据传输采用RS232串行接口。数据协议设置为：8数据位，1截止位，无校验位。数据传输速率设置为9 600 bit/s。

由于温湿压测量仪使用FPGA作为处理器，所有数据都以二进制计算和存储，因此在数据下行时（接收测量指令）需要对指令进行解码。在发送数据时需要将二进制的温度、湿度和气压数据转换为十进制的BCD码，并编码为NMEA格式向接收机发送[10]。因此需要在FPGA芯片内完成二进制与BCD码的转换，以及编译码的过程。整个数据传输模块的发送与接收过程如图6所示。

图6　接收机与测量仪间数据传输模块的工作流程示意图

当接收机发出测量指令时，测量仪将输入的测量命令以二进制存储在命令接收寄存器中。将命令接收寄存器中的数据与测量仪内部存储的命令数据进行比对，一致时，通知核心处理模块进行数据采集；不一致时，等待下一次测量命令的发送。测量命令正确接收后，核心处理器通知相应的模块采集数据。当核心处理器得到所有数据后，首先需要将所存储的二进制数据转换为十进制的BCD码。二进制与BCD码的转换完成后，需要将数据编码为接收机可识别的NMEA格式，发送给接收机。编码时，将固定的字头和连接符以ASCII码的格式，存储在发送数据寄存器内，依次通过RS232的发送端发送给接收机。在需要加入测量数据的位置，将测量数据的BCD码转换为相应ASCII码即可。

3　温湿压测量仪测量结果比较分析

3.1与区域自动气象站的数据对比

将测量仪与接收机连接进行实验，通过接收机外接的工作机记录接收机的输出数据。接收机接收并识别测量仪发送的NMEA格式的温湿压参数后，可以通过软件生成一个RINEX格式的气象文件存储在工作机内。将测量仪与接收机联合实验平台连续运行1周以上，测量仪均能正常工作，接收机也能够正确识别输入数据，说明所设计的测量仪能够进行长期稳定的测量工作。将测量仪与实验室所拥有的高精度区域自动气象站放置于同一环境下，使用气象站的数据进行外部比对。采集2015年3月28日15:00至2015年3月29日15:00（北京时间）24 h的温度、湿度和气压参数，外部比对结果如图7所示。将温湿度测量仪与区域自动气象站的数据做差，求其均值与RMS值，所得结果如表4所示。

表4　温湿压测量仪与区域自动气象站气象参数的差值结果

图7　温湿压测量仪与区域自动气象站同时刻数据对比（2015-03-28 T 15:00:00 / 2015-03-29 T 15:00:00）

根据图7和表4的结果可以看出，设计的温湿压测量仪可以达到设计指标，能够为接收机提供长期稳定且符合要求的温度、湿度和气压参数，以用于下一步的对流层延迟计算。

3.2与IGS数据的对比

除了直接比较测量值与参考值以验证温湿压测量仪是否达到设计要求，还可以通过与地理环境相似的对流层延迟数据进行对比来间接验证。使用测量仪所测得的实时气象数据，利用Saastamoinen模型计算天顶方向的对流层延迟，将其结果与IGS武汉站（wuhn）和北京房山站（bjfs）的对流层数据进行对比。采集2014年年积日为340的24 h的测量仪数据和IGS MAP数据，结果如图8所示。

图8　2014年年积日340的Saastamoinen模型与IGS对流层延迟数据对比结果

由图8可以看出，使用实测气象数据的对流层延迟天顶方向数据与IGS武汉站以及北京房山站的数据都非常接近。且实测值与两者的差值都在3 dm的范围内，满足温湿压测量仪的设计要求，即对流层延迟的误差应该控制在分米级。因此所测得的气象数据精度能够满足对流层延迟计算的设计要求。

4　结语

本文研制的温湿压测量仪，能够正确连续输出符合NMEA格式的温湿压参数，温度值精度为0.5℃，分辨率为0.1℃；湿度值精度为5%，分辨率为0.1%；气压值精度为10 hPa，分辨率为0.1 hPa。系统时差监测接收机可以正确识别并存储测量仪的测量数据，用于对流层延迟改正。利用接收机与温湿压测量仪联合实验平台，使用实时的温湿压数据和Saastamoinen模型计算天顶方向的对流层延迟，所得的天顶方向对流层延迟误差可控制在分米级范围。使用所设计的温湿压测量仪辅助，能够进一步提高GNSS系统时差监测平台的监测精度。

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Design and implementation of a measuring instrument of temperature/humidity/pressure for troposphere delay correction

ZHANG Wen1，2，3， LIU Yin-hua1，2， ZHANG Hui-jun1，2， LI Xiao-hui1，2
（1.National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；2.Key Laboratory of Time and Frequency Primary Standards， National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences， Xi′an 710600， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

In order to support the system time compatibility and interoperability between Beidou and other navigation systems， NTSC（the National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences） established a GNSS system time offset monitoring platform.A measuring instrument of temperature/humidity/pressure was designed and implemented to correct the tropospheric delay for this system time offset monitoring platform.In this measuring instrument， FPGA is adopted as the core processor.The errors of output values for temperature，humidity and pressure are less than 0.5℃， less than 5%， and less than 10 hPa respectively.The output data ofmetrological parameter are in NMEA format， which can be recognized and used by a variety of receivers.The designed instrument would not only used in correcting the tropospheric delay but also used in other aspects such as precise positioning and time transfer.

troposphere delay； FPGA； metrological parameter

TN965+.6

A

1674-0637（2015）03-0154-09

10.13875/j.issn.1674-0637.2015-03-0154-09

2015-01-26

地理信息工程国家重点实验室开放课题资助（SKLGIE2013-M-2-3）

张文，女，硕士，主要从事GNSS系统时差修正研究。