《北斗GNSS面雨量预测技术规范》

ICS编号

CCS编号

团 体 标 准

T/CTESGSXXX—20XX

北斗/GNSS面雨量预测技术规范

TechnicalStandardsforBeidou/GNSSArealPrecipitation

Forecast

（报批稿）

20XX-XX-XX发布20XX-XX-XX实施

长江技术经济学会 发布

T/CTESGSXXX—20XX

北斗/GNSS面雨量预测技术规范

1范围

本文件规定了北斗/GNSS面雨量预测技术要求、系统组成、主要功能、设备要求、

安装调试要求，是北斗/GNSS面雨量预测技术的基本依据。

本文件适用于所有采用北斗/GNSS面雨量预测技术的系统设计及设置，应用场景

适宜于气象预报、水文监测、水旱灾害防御、水资源管理、水土保持等领域。北斗/GNSS

面雨量预测技术除应符合本文件外，还应符合国家、行业现行有关标准的规定。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，

注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最

新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T2423.1-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温

GB/T2423.2-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温

GB/T2423.3-2006电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒

定湿热试验

GB/T18214.1-2000全球导航卫星系统（GNSS）第1部分:全球定位系统（GPS）

接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果

GB/T18314.1-2024全球导航卫星系统（GNSS）测量规范

GB/T20486-2017江河流域面雨量等级

GB/T21984-2017短期天气预报

GB/T32399-2024信息技术云计算参考架构

GB/T33700-2017地基导航卫星遥感水汽观测规范

GB/T35228-2017地面气象观测规范降水量

GB/T35573-2017空中水汽资源计算方法

GB/T39267-2020北斗卫星导航术语

GB/T41780.1-2022物联网边缘计算第1部分：通用要求

GB/T42577-2023北斗/全球卫星导航系统(GNSS)卫星高精度应用参数定义及描

述

3术语和定义

3.1

北斗/GNSS卫星导航系统信号BeiDou/globalnavigationsatellitesystem

signal

北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、

伽利略卫星导航系统（GALILEO）等全球卫星导航系统提供的用于水汽信息反演的载波

信号。

1

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[来源：GB/T18314.1-2024，3.6，有修改]

3.2

面雨量arealprecipitation

某一时段内特定区域或流域的平均降水量，以毫米（mm）为单位，取一位小数。

[来源：GB/T20486-2017，2.4]

3.3

边缘计算edgecomputing

将北斗/GNSS、气象等观测数据进行处理和存储，并放在物联网边缘侧的计算架构。

[来源：GB/T41780.1-2022，3.1，有修改]

3.4

云端计算cloudcomputing

将北斗/GNSS水汽、气象等观测数据进行处理、存储和模型计算，并放在物联网

云平台的计算架构。

[来源：GB/T32399-2024，3.1，有修改]

3.5

区域水汽分布实时反演

基于特定区域北斗/GNSS的观测数据，实时反演水汽在该区域大气中的空间分布。

[来源：GB/T35573-2017，3.1，有修改]

3.6

区域面雨量预测模型

融合北斗/GNSS实时水汽分布和气象观测数据，通过人工智能算法，构建区域面

雨量预测模型。

3.7

北斗/GNSS面雨量预测系统

实现北斗/GNSS水汽分布实时反演和区域面雨量预测的智慧物联网系统。

4基本规定

4.1系统组成

北斗/GNSS面雨量预测系统应包括：传感器设备、边缘计算和处理、云端计算和

应用服务。

4.2主要功能

4.2.1水汽分布反演

通过实时边缘计算，基于精密单点定位算法对卫星观测数据进行解算，应实现地

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面以上10千米范围、15分钟时间分辨率的大气层水汽分布反演。

4.2.2面雨量高精度预测

通过人工智能算法，构建区域面雨量预测模型，应实现半径5-10千米区域内、0-3

小时预见期、15分钟分辨率面雨量高精度预测。

4.3其他要求

4.3.1北斗/GNSS面雨量预测系统应确保系统的协调性、数据传输可靠性、系统整体

稳定性、环境适应性、可扩展性以及对其它系统平台的兼容性。

4.3.2北斗/GNSS面雨量预测系统安装可根据实际需要以及场地条件，选择合适的位

置进行设备安装部署，宜安装3台以上，并可以随着用户的需求发展而逐步扩展设备

数量和覆盖范围。

4.3.3北斗/GNSS面雨量预测系统应立足于长期规划，涵盖监测对象结构的建设及运

营整个寿命周期，应综合考虑模型数据积累3年后的性能提升，以及施工监测、运营

监测的功能需求，具有连续性和长期性。

5区域面雨量预测模型

5.1一般规定

区域面雨量预测模型将连续步长的历史水汽时空分布序列作为输入，通过模型输

出连续时间步长的0-3小时面雨量时空分布序列。建模过程主要分为数据收集与预处

理、模型训练和模型优化。

5.2数据处理及要求

5.2.1输入数据应包含北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫

星导航系统（GLONASS）、伽利略卫星导航系统（GALILEO）观测数据和精密轨道预报产

品，满足实时性和高精度的要求。

5.2.2卫星对流层延迟解算应输出完整的卫星方位角、仰角和对应的斜对流层延迟和

精密单点定位的后处理残差。

5.2.3区域水汽建模可得到区域的高精度水汽分布信息，区域面雨量数据可参考

GB/T20486-2017进行计算。

5.3模型输入与输出

5.3.1区域面雨量预测模型的输入变量应包括：水汽分布数据、同址气象参数数据（温

度、气压、湿度、雨量）、时间序列信息。

5.3.2区域面雨量预测模型的输出应为选定区域的面雨量时空分布序列，选定区域可

由用户设置。

5.4模型建立

5.4.1观测数据收集。根据模型需求，选择相应的水汽分布数据、同址气象参数数据

（温度、气压、湿度、雨量）、时间序列信息。历史数据应至少选择3年，以达到优化

效果。

5.4.2建模方法选取。区域面雨量预测模型根据所选观测数据的特点，可选取基于

Transformer的时空预测模型等机器学习方法（参考附录A），开展模型训练和测试。

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5.5模型验证

模型预测性能验证，应将区域面雨量预测模型预测的面雨量数据与建模所用观测

数据进行比较分析，计算平均误差，通过不断训练减小误差获得更优的模型预测性能。

为了全面地评估模型性能，可采用均方根误差（RMSE）、正报率（POD）、空报率（FAR）、

综合评分（TS）来检验模型对不同雨量等级的预测性能。RMSE宜小于8毫米/小时，

POD宜大于50%，FAR宜小于50%，TS宜大于0.5。

验证指标的计算公式如下：

均方根误差RMSE：

푁

22

 푃푖−푄푖#1

RMSE=푖=1

푁

式中，푃푖和푄푖分别为在某一地面站位置i在整个降雨过程中预测雨量与参考雨量

值，N为雨量站的个数。

正报率（POD）：

H

POD=#2

H+M

空报率（FAR）：

FA

FAR=#3

H+FA

综合评分（TS）：

H

TS=#4

H+FA+M

式中，H、FA、M分别表示降雨预测正确的次数、空报的次数及漏报的次数。

6传感器设备

6.1设备组成

传感器设备应由北斗/GNSS信号接收处理模块、气象传感器、数据处理模块、天

线模块、通信模块、电源模块组成。

6.2主要功能

6.2.1北斗/GNSS信号接收处理模块应具备接收解码北斗卫星导航系统（BDS）、全球

定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、伽利略卫星导航系统（GALILEO）

等原始信号的功能。

6.2.2气象传感器应包括温度、湿度、压力和雨量传感器，用于监测所在位置的气象

信息。

6.2.3数据处理模块应满足对卫星原始数据进行本地化处理、数据保存以及数据上传

的功能，为面雨量预测提供数据；

6.2.4天线模块应集成通信天线和北斗/GNSS天线，满足数据传输和北斗/GNSS信号

接收要求。

6.2.5通信模块应支持网络连接，将数据上传到云端服务器。

6.2.6电源模块应提供电力服务，支持设备正常运行。可选用市电或者太阳能供电。

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市电断电时系统应自动切换到太阳能供电。

6.3性能要求

6.3.1北斗/GNSS信号接收处理模块应可以接收多模多频的北斗/GNSS天线卫星信号

（性能指标参考附录B.1）。

6.3.2气象传感器应满足高精度、高分辨率、高可靠性等要求，选择具有长期稳定性

的优良设备、器件（性能指标参考附录B.2）。

6.3.3北斗/GNSS信号接收天线应具有高增益，良好的低仰角增益、广角圆极化和稳

定的相位中心等特点（性能指标参考附录B.3）。

6.3.4通信模块可选择有线/无线传输，无线传输方式包括：3G/4G/5G移动通信网络、

低功耗无线广域网（物联网）、北斗短报文通信等。

7边缘计算和处理

7.1一般规定

边缘计算和处理应包括北斗/GNSS数据解算、水汽时空分布反演、气象数据采集

处理、电源管理、通信管理与控制，应对北斗/GNSS原始观测数据预处理，结合气象

数据，边缘计算得到区域高精度水汽分布。

7.2主要功能

7.2.1北斗/GNSS数据解算：应对北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、

格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、伽利略卫星导航系统（GALILEO）等原始观测数据

进行解码、校正和解算，获得高精度的位置和对流层延迟信息。

7.2.2水汽时空分布反演：应通过北斗/GNSS对流层延迟信息和气象数据，进行水汽

时空分布反演。

7.2.3气象数据采集处理：应采集和处理温度、湿度、气压、雨量等气象数据，通过

边缘计算和处理分析，提供实时的气象数据支持。

7.2.4电源管理：应支持对设备电源状态的监控与管理。

7.2.5通信管理与控制：应具备可靠的通信管理与控制功能，支持有线、无线和卫星

通信等多种通信方式。同时应具备远程监控与维护功能，支持远程参数配置和故障诊

断。

8云端计算和应用服务

8.1一般规定

8.1.1云端计算主要包括数据存储管理模块、大数据分析模块、面雨量预测模块。云

端计算应负责数据存储与处理，结合面雨量预测模型，通过对站点历史数据分析与模

型训练，生成准确的未来的面雨量预报。

8.1.2应用服务应具备数据在线展示、数据交互、数据分析的功能

8.2主要功能

8.2.1数据存储管理模块应由时序数据库和数据处理、数据查询与管理软硬件构成，

应实现监测数据的处理、查询、存储和管理等功能。应保证数据存储和传输的安全性。

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8.2.2大数据分析模块应通过收集历史观测的水汽和气象数据，基于回归分析、时间

序列分析等方法，对历史气象数据特性、模型预测面雨量精度开展分析。

8.2.3面雨量预测模块的实现应基于区域面雨量预测模型，符合规范（见节5）。

8.2.4应用服务应支持多种数据查询和展示功能，包括点位检索、设备检索以及时间

区间检索等方式。同时，数据分析功能应涵盖多种统计方法，如最大最小值、标准差、

均方根值、累计值等。

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附录A

（资料性）

技术适用性评估结果

为评估GNSS面雨量预测技术的实际效果和适用性，北斗/GNSS面雨量预测技术在

武汉地区进行了比对实验。

参考雨量筒

比测GNSS面雨量

30°40'N

30°30'N

5km

2miEsri,©OpenStreetMapcontributors,TomTom,Garmin,Foursquare,

METI/NASA,USGS

114°10'E114°20'E114°30'E

经度

图A.1武汉地理位置与站点分布

武汉区域组网GNSS面雨量比测的站点具体经纬度信息如下表：

表A.1武汉组网测试站点位置

站点纬度经度

WH0130.666114.231

WH0230.623114.513

WH0330.447114.42

WH0430.472114.535

WH0530.466114.295

WH0630.487114.225

WH0730.586114.362

WH0830.629114.286

WH0930.629114.33

WH1030.669114.29

WH1130.666114.231

WH1230.723114.448

武汉区域组网GNSS面雨量比测的站点共址的参考雨量站具体经纬度信息如下表：

表A.2武汉参考雨量筒位置（简）

站点纬度经度

'中心气象台'30.44139114.19

'农大'30.45278114.1936

'十四中学'30.47833114.23

'华中师范大学'30.48361114.2308

'南湖社区'30.5114.2394

'城市职院'30.50167114.24

'市民之家'30.50583114.2419

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'欢乐谷'30.51333114.3017

'武汉体育学院'30.5175114.3083

'武汉大学'30.51833114.3086

'武汉百步亭社区'30.52194114.3094

'武汉财校'30.53833114.3114

'武汉铁中'30.55417114.3136

'汉口文体中心'30.56778114.3192

'汉正街'30.57114.3247

'汉阳沙排中心'30.58139114.325

'江滩'30.59444114.3311

'洪山靑菱'30.59722114.3511

'湖北移动公司'30.6114.3594

'湖大'30.62722114.3625

'理工大学'30.64417114.3725

'省农科院'30.66306114.3886

选择基于Transformer的面雨量预测模型，第一部分是时间序列嵌入层，第二

部分是时间序列编码-解码器。使用基于Embedding的时间序列嵌入层把输入矩阵投影

到另一个维度空间，然后使用基于Transformer的编码器-解码器先由编码器将输入的

时间序列转化成固定维度的特征图，然后通过解码器对特征图进行解码生成未来的时

间序列。模型通过卷积注意力模块和多头注意力机制来有效地捕捉近邻依赖和长距离

依赖，提高预测性能。

其中，基于Transformer的面雨量预测模型，其学习框架图如下所示：

图A.2基于Transformer的面雨量预测模型框架

依据江河流域面雨量等级划分和实际降雨等级，通过小雨-大暴雨的降雨分级，

使用POD正报率、FAR空报率、TS评分与均方根误差RMSE，评估了GNSS面雨量预报

技术组网后的面雨量临近预报性能。

表A.3武汉北斗/GNSS组网面雨量预测评估结果

指标

PODFARTSRMSE

降雨等级

小雨0.770.090.710.68

中雨0.620.320.521.96

大雨0.530.430.382.71

暴雨0.50.50.333.40

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附录B

（资料性）

参数信息

B.1参考北斗/GNSS接收机技术指标

表B.1参考北斗/GNSS接收机技术指标

支持多模多频信号，包括BeidouB1/B2/B3;GPSL1C/L2/L5;

信号频率

GLONASSL1/L2;GalileoE1/E5a/E5b;

数据时间分辨率1秒

数据格式符合国际海事无线电技术委员会RTCM差分全球导航系统服务标准

B.2参考气象传感器技术指标

表B.2参考气象传感器技术指标

测量范围测量精度

温度-40℃-+60℃±0.3℃

湿度/3%RH

压力600-1100hPa±0.4hPa@20℃

雨量0-200mm0.2mm

B.3参考天线硬件技术指标

表B.3参考天线硬件技术指标

天线顶点增益4~6dBi

天线极化方式RHCP

天线增益30±2dB

工作环境-20~+60℃、0~95%RH

可靠性平均无故障时间＞3000小时

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目  次

前  言····························II

引  言····························III

1范围·····························1

2规范性引用文件························1

3术语和定义··························1

4基本规定···························2

4.1系统组成·························2

4.2主要功能·························2

4.3其他要求·························3

5区域面雨量预测模型······················3

5.1一般规定·························3

5.2数据处理及要求······················3

5.3模型输入与输出······················3

5.4模型建立·························3

5.5模型验证·························4

6传感器设备··························4

6.1设备组成·························4

6.2主要功能·························4

6.3性能要求·························5

7边缘计算和处理························5

7.1一般规定·························5

7.2主要功能·························5

8云端计算和应用服务······················5

8.1一般规定·························5

8.2主要功能·························5

附录A······························7

附录B······························9

I

T/CTESGSXXX—20XX

北斗/GNSS面雨量预测技术规范

1范围

本文件规定了北斗/GNSS面雨量预测技术要求、系统组成、主要功能、设备要求、

安装调试要求，是北斗/GNSS面雨量预测技术的基本依据。

本文件适用于所有采用北斗/GNSS面雨量预测技术的系统设计及设置，应用场景

适宜于气象预报、水文监测、水旱灾害防御、水资源管理、水土保持等领域。北斗/GNSS

面雨量预测技术除应符合本文件外，还应符合国家、行业现行有关标准的规定。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，

注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最

新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T2423.1-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温

GB/T2423.2-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温

GB/T2423.3-2006电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Cab：恒

定湿热试验

GB/T18214.1-2000全球导航卫星系统（GNSS）第1部分:全球定位系统（GPS）

接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果

GB/T18314.1-2024全球导航卫星系统（GNSS）测量规范

GB/T20486-2017江河流域面雨量等级

GB/T21984-2017短期天气预报

GB/T32399-2024信息技术云计算参考架构

GB/T33700-2017地基导航卫星遥感水汽观测规范

GB/T35228-2017地面气象观测规范降水量

GB/T35573-2017空中水汽资源计算方法

GB/T39267-2020北斗卫星导航术语

GB/T41780.1-2022物联网边缘计算第1部分：通用要求

GB/T42577-2023北斗/全球卫星导航系统(GNSS)卫星高精度应用参数定义及描

述

3术语和定义

3.1

北斗/GNSS卫星导航系统信号BeiDou/globalnavigationsatellitesystem

signal

北斗卫星导航系统（BDS）、全球定位系统（GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、

伽利略卫星导航系统（GALILEO）等全球卫星导航系统提供的用于水汽信息反演的载波

信号。

1

T/CTESGSXXX—20XX

[来源：GB/T18314.1-2024，3.6，有修改]

3.2

面雨量arealprecipitation

某一时段内特定区域或流域的平均降水量，以毫米（mm）为单位，取一位小数。

[来源：GB/T20486-2017，2.4]

3.3

边缘计算edgecomputing

将北斗/GNSS、气象等观测数据进行处理和存储，并放在物联网边缘侧的计算架构。

[来源：GB