GBT 47959-2026 卫星导航定位探空系统 高空温度、湿度和气压观测方法标准立项发展报告

卫星导航定位探空系统高空温度、湿度和气压观测方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:GNSS-BasedRadiosondeSystem—ObservationMethodsforUpper-AirTemperature,HumidityandPressure摘要高空气象观测是天气预报、气候监测和环境预警的核心基础，而探空系统则是实现高空要素直接测量的关键装备。随着北斗卫星导航系统的全面建成与运行，基于卫星导航定位的探空技术已在精度、抗干扰能力和数据可靠性方面取得显著突破，正逐步替代传统Loran-C及GPS定位探空系统。然而，配套国家标准《卫星导航定位探空系统高空温度、湿度和气压观测方法》（GB/T47959-2026）长期滞后于装备迭代步伐，制约了新型探空系统的业务化应用和观测数据互认。本文系统梳理了国内外高空气象观测标准化现状，剖析了卫星导航探空系统在观测原理、数据处理和质量控制方面的技术特征，提出了标准立项的必要性，并就该标准的主要技术内容、与现行标准体系的关系以及预期实施效益进行了全面论证。该标准的制定与实施将填补我国卫星导航定位探空领域观测方法类国家标准的空白，为高空观测业务的规范化、现代化提供技术支撑，对保障气象数据质量、提升国产装备国际竞争力具有重要意义。关键词：卫星导航定位；探空系统；高空气象观测；温度湿度气压；国家标准；标准化Keywords:GNSSpositioning;radiosondesystem;upper-airmeteorologicalobservation;temperaturehumiditypressure;nationalstandard;standardization1引言1.1研究背景高空气象观测是气象综合观测体系中的重要组成部分，承担着获取从近地面到对流层乃至平流层中下部大气温度、湿度、气压、风向和风速等要素廓线的核心任务。这些资料不仅是数值天气预报模式初始场的关键输入，也是研究气候变化、监测大气环境、保障航空安全和军事活动的重要基础数据源。在世界气象组织（WMO）推动的全球观测系统（WIGOS）框架下，高空气象观测网络的质量与一致性直接影响着全球气象业务的整体效能。自20世纪20年代芬兰科学家发明第一台探空仪以来，高空气象探空技术经历了从机械式记录到电子传感、从地面雷达跟踪到无线电经纬仪定位的持续演进。20世纪90年代起，以GPS卫星定位为基础的导航测风探空系统逐步成熟，利用多普勒频移或多站差分定位方式反演高空风场，显著提升了测风精度。2020年，随着我国北斗三号全球卫星导航系统正式开通，基于北斗/GNSS融合定位的国产高精度探空系统实现了规模化应用，在水平定位精度、高空风反演质量以及抗干扰能力等方面均达到国际先进水平。然而，标准的滞后日益成为制约该技术深化应用的瓶颈。一方面，我国现行探空业务标准仍以传统地面雷达二次测风或Loran-C导航测风为主要对象，未能覆盖卫星导航定位探空的作业流程和数据处理规范；另一方面，卫星导航探空系统在温度、湿度、气压传感器的辐射误差修正、滞后误差订正、升速质量控制等环节具有独特的技术特征，亟需以标准形式对观测方法进行统一和规范，以保障不同厂牌、不同型号探空仪观测结果的可比性与互认性。1.2目的与意义本报告以《卫星导航定位探空系统高空温度、湿度和气压观测方法》（GB/T47959-2026）的立项研制为背景，从技术发展、标准需求和应用效益三个维度系统论证该标准立项的科学性与必要性，为标准化管理部门决策及相关从业人员理解应用该标准提供参考。2标准立项背景与必要性分析2.1国内高空探空标准化现状我国已建立了相对完善的气象技术标准体系。在高空气象观测领域，现行有效的国家标准和气象行业标准主要包括：GB/T35222-2017《地面气象观测规范》中涉及高空观测的相关条款、QX/T86-2007《无线电探空仪技术要求》、以及各型号GFE(L)系列二次测风雷达的观测规范等。上述标准对传统基于一次雷达或二次雷达的探空作业流程进行了规范，对保障我国高空气象业务长期稳定运行发挥了重要作用。然而，随着高空气象观测技术的业务转型，现行标准体系显现出以下不足：第一，技术代际差异明显。GB/T35222-2017和QX/T86-2007主要针对基于地面雷达定位的传统探空系统制定，其技术架构和工作流程与卫星导航定位探空系统存在本质差别。在卫星导航体制下，探空仪的位置获取不再依赖地面雷达的测距测角，而是通过接收导航卫星信号实现自主定位，这从根本上改变了高空气象观测的实施流程、数据采集方式和资料处理算法。现行标准的技术条款已不能有效指导新体制探空系统的业务运行。第二，要素处理规范缺位。卫星导航探空仪在温度、湿度和气压测量方面引入了新的技术手段——探空仪通过导航卫星信号反演的气压高度与GPS/北斗定位几何高度相结合，可显著改善气压测量精度。但这一方法涉及地球重力场模型选取、高度归算等复杂问题，目前尚无国家标准对此进行统一规定，导致不同探测系统间数据存在系统性偏差。第三，与国际标准衔接不足。WMO先后发布了《GuidetoInstrumentsandMethodsofObservation》（WMO-No.8）和《WIGOSTechnicalReference》等系列文件，对卫星导航探空系统的观测方法和数据质量提出了明确要求。相比之下，我国缺乏与之对接的专项国家标准，不利于国产探空装备在国际舞台上的互认和推广。2.2国际标准化进展与差距在国际层面，WMO于2017年发布了《WMOGlobalIntegratedObservingSystem(WIGOS)2040Vision》，明确提出将卫星导航探空作为高空观测网络的核心技术体制。WMO仪器与观测方法委员会先后组织开展了多次国际探空仪比对试验（如第八届国际无线电探空仪比对），系统评估了基于GPS/北斗探空系统在温度、湿度和风场观测中的性能表现。欧盟气象卫星组织和各国气象部门也相继制定了卫星导航探空系统的技术指南和比对规范。对比国际进展，我国虽然在卫星导航探空系统研制和应用规模方面处于世界前列——中国气象局已在全部120个探空站完成北斗探空系统改造——但在标准化方面却明显滞后。截至目前，尚无一部专门针对卫星导航定位探空系统高空温湿压观测方法的国家标准正式发布。这一标准化缺口不仅限制了新型探空系统在精细化观测中的效能发挥，也不利于我国间或在国际气象标准化领域的实质性参与和话语权建设。2.3标准制定的紧迫需求具体而言，以下五个方面的紧迫需求直接推动了本标准的立项：（1）业务规范化需求。全国120余个探空站在用北斗探空系统已实现业务化运行，但各站（或不同省份气象部门）在施放操作、传感器校准、辐射误差修正和数据处理流程等方面尚未完全统一，造成观测资料系统性差异的隐患。（2）多型号兼容需求。目前国内具备业务资质的卫星导航探空系统生产厂家已增至多家，不同型号在传感器类型、采样频率、数据处理算法等方面存在差异，需要通过统一观测方法标准来加以约束和规范。（3）数据可比性需求。高空观测资料广泛用于数值天气预报资料同化、气候序列分析和国际交换，其测量方法和数据处理的标准化是保证资料长期稳定和均一的前提条件。（5）国产装备走出去需求。北斗探空系统已在多个"一带一路"沿线国家开展示范应用或业务运行，迫切需要以标准形式固化中国技术方案和经验，推动国产气象装备和标准的协同输出。3标准主要技术内容3.1标准的适用范围与定位GB/T47959-2026《卫星导航定位探空系统高空温度、湿度和气压观测方法》规定了基于卫星导航定位的探空系统在进行高空气象观测时，温度、湿度和气压要素的观测方法，包括观测原理、仪器要求、施放与观测流程、数据采集与处理、误差修正与质量控制等方面的技术要求。该标准适用于采用卫星导航定位技术（含北斗、GPS、GLONASS、Galileo等）的探空系统开展大气温湿压廓线观测的业务活动，亦适用于相关装备的研制、测试和评估。需要特别说明的是，本标准与现行国家标准中关于高空风观测的条款保持衔接互补关系：卫星导航定位探空系统在获取温湿压廓线的同时，可同步获取高空风场信息，但高空风观测的方法细节和数据处理技术已有相应的专项标准进行约束，故本标准侧重温度、湿度和气压三个热力学要素的观测方法规范，高空风观测的技术要求不在本标准范围内重复规定。3.2标准主要技术内容概述标准在技术内容编排上遵循"原理—装备—作业—数据"的逻辑主线，设置了范围、规范性引用文件、术语和定义、观测原理、仪器要求、观测方法、数据处理、质量控制以及附录等章节。其核心内容可概述为以下方面：观测原理方面，标准明确了卫星导航定位探空系统的基本构成和工作链路：探空仪携带温度、湿度和气压传感器随气球升空，同时接收北斗/GNSS卫星导航信号以实现实时定位；温度传感器采用热敏电阻或热电偶，湿度传感器采用高分子电容式感湿元件，气压测量可采用直接气压传感或由GPS/北斗测高结合标准大气模型反演两种方式。标准对压力和高度反演中应采用的椭球模型、重力场模型及位势高度转换方法进行了明确约定，以确保各系统观测结果的一致性。仪器要求方面，标准对探空仪温湿压传感器的主要性能指标提出了量化要求，包括：温度测量范围与最大允许误差（-90℃～+50℃范围内误差不超过±0.3℃）、湿度测量范围与误差（0%RH～100%RH范围内误差不超过±3%RH）、气压测量范围与误差等。同时对传感器的响应时间、稳定性以及辐射屏蔽罩的通风设计提出了要求，以减少辐射误差和滞后误差对测量结果的影响。观测流程方面，标准对施放前的准备工作（仪器基测、传感器校准与比对）、施放操作（气球充灌、探空仪释放）以及上升过程中的数据采集模式（采样频率、数据传输协议）进行了统一规范。特别是在升速控制方面，规定探空仪升速应保持在设定范围内（通常为300m/min～400m/min），以兼顾传感器时间常数对测量精度的影响和气球承载能力的要求。质量控制与数据处理方面，这是本标准最具技术特色的章节。标准以附录形式给出了温度辐射误差的修正算法原理及典型修正曲线，规定了湿度传感器在低温（低于-40℃）环境下测量值可靠性判据和订正策略，以及气压-高度一致性检验方法和异常值判别准则。数据在进入业务应用之前需经过完整性检查、极值范围检查、垂直一致性检查和时间一致性检查等多级质控流程，并形成规范的元数据记录用于数据溯源和后期再处理。3.3标准编制的技术难点与创新多源定位融合算法的高精度要求。标准对探空仪定位解算提出了厘米级至分米级的三维定位精度要求。与常规导航接收机不同，高空探空仪在快速上升过程中需要连续锁定多颗卫星信号，并实时输出高更新率定位结果。在GNSS多系统融合定位模式下，不同卫星导航系统间的时间基准差异和坐标框架差异需要在算法层面进行统一处理，标准以附录形式推荐了时间偏差参数处理方法，保障了不同系统观测结果的一致性。基于动态背景的测量误差来源相互影响。高空探空过程中，温度和湿度传感器暴露于快速变化的大气环境中，尤其是温度传感器因辐射加热和通风不足引起的辐射误差是影响观测精度的主要因素之一。标准引入了基于太阳高度角、气压高度和通风速度多参数耦合的辐射误差修正方案，这是对传统单一修正方式的重要改进。多源数据融合的检验策略。标准建立了一套以卫星定位几何高度为参考的气压反演一致性检验策略，即利用GPS/北斗测高结果与气压高度之间的差异来诊断气压传感器的漂移误差——当高度差异超过设定阈值时触发质控报警，从而有效识别和剔除异常观测值。4标准与现行标准体系的关系与协调性分析4.1与我国现行气象标准的衔接本标准在术语定义和要素量值溯源上遵循GB/T35222-2017《地面气象观测规范》确立的基本框架体系；在探空仪传感器性能测试方面参考GB/T38308-2019《气象仪器可靠性试验方法》和QX/T86-2007《无线电探空仪技术要求》的已有规定；在气象资料质量控制方面与QX/T118-2010《地面气象观测记录质量控制》和QX/T132-2011《大气成分观测数据质量控制》的原则保持一致性。4.2与WMO国际标准的一致性本标准的编制充分参考了WMO《CIMOGuide》（WMO-No.8）中关于高空观测仪器的技术指导及WMO探空仪比对试验的技术规程。特别是在辐射误差订正方法、湿度传感器低温性能评估以及数据元数据规范方面，标准尽可能采用与WMO推荐做法一致的技术路线，为中国探空资料进入WMO全球交换和再分析数据集创造了条件。4.3标准配套协同发展本标准实施后，还需陆续研制或修订配套的分项技术标准，如探空仪施放系统技术条件、高空观测数据格式规范等，形成层次分明、衔接顺畅的卫星导航探空标准族群。5主要起草单位介绍5.1中国气象局气象探测中心中国气象局气象探测中心（以下简称"探测中心"）是GB/T47959-2026的主要起草单位之一，承担着全国气象探测业务的技术牵头和质量管理职责。探测中心成立于2003年，其前身可追溯至1950年设立的中国气象局观象台，是国家级气象探测业务核心支撑机构，拥有气象探测技术研发、装备保障、数据质量控制和标准化建设的综合能力。探测中心建有国家级高空气象观测计量实验室，具备从温度、湿度、气压基准级标准装置到工作级气象传感器全链条的量值传递和校准能力，其温湿压标准装置已通过中国合格评定国家认可委员会的校准实验室认可。同时，探测中心负责全国120余个高空气象观测站的业务技术指导和运行监控，积累了大量基于北斗探空系统的业务观测数据与质量控制经验。在气象标准化工作方面，探测中心长期承担全国气象仪器与观测方法标准化技术委员会（SAC/TC507）秘书处工作，组织制定了数十项气象探测领域的国家标准和行业标准，在标准研制、技术审查和应用反馈方面拥有丰富经验。近年来，探测中心牵头完成了GB/T35222-2017《地面气象观测规范》等多项重大标准的制修订工作，并深度参与了WMO仪器与观测方法委员会的国际比对试验和技术标准编制，形成了较为完善的国内外标准化工作网络。在本标准的研制过程中，探测中心充分发挥其业务和技术优势，组织完成了全国探空站卫星导航探空系统运行现状的系统调研，主导开展了多型号探空仪同球比对试验和不同季节、不同纬度带辐射误差特征的分析研究，为标准中核心技术指标的确定和误差修正方法的验证提供了坚实的数据支撑。5.2其他参与单位除探测中心外，本标准还汇聚了气象、航天和标准化领域的多家优势单位参与起草，主要包括：中国气象局气象干部培训学院（在探空仪测试与培训方面提供支撑）、中国科学院大气物理研究所（在辐射传输模式和误差修正理论方面提供技术支持）、航天新气象科技有限公司（作为国内主要的北斗探空系统研制企业，在装备性能参数设定方面提供工程数据）、以及上海市气象局等业务单位——形成了"业务+科研+产业"协同研标的工作机制，确保标准既立足当前业务实际，又兼顾技术发展趋势。6结论与展望6.1主要结论本报告围绕GB/T47959-2026《卫星导航定位探空系统高空温度、湿度和气压观测方法》的立项研制进行了系统论证。研究表明，基于北斗卫星导航的探空系