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■自主研发基于北斗导航系统的地基水汽反演算法软件，实现单站水汽分钟级实时连续高精度观测，改变地基水汽观测核心算法长期依赖国外技术的被动局面，打破水汽产品因延时1小时，应用时效难以满足业务需求的困局

■完成水汽反演算法在芯片微环境下的跨平台编译和内嵌式开发，研制全球首款北斗/GNSS大气水汽处理气象专用观测芯片模组（“立春Ⅰ号”）

■解决地基水汽观测国产化和实时观测应用的关键核心问题，为地基水汽观测业务重构奠定坚实基础

专家顾问：中国气象局气象探测中心高级工程师 涂满红

水汽产品——数值模式和天气预报的基础

大气中水汽蒸发、凝结和运动带来潜热能的储存、释放和转移是天气、气候系统变化的主要驱动力，水汽通量、比湿、相对湿度等水汽产品是数值预报模式、天气预报中的基础数据。

资料显示，2019年，我国自主研发的预报模式（GRAPES）同化地基GNSS/MET大气可降水量资料后，北半球和东亚地区高度场、湿度场分析能力有明显改善。可见，数值预报模式和天气预报对实时和高精度水汽产品的需求非常迫切。

目前，我国地基水汽观测系统使用GPS星座，系统软件为美国GAMIT数据处理软件。GPS水汽观测采用全国组网采集观测数据、网络传输到国家数据处理中心集中解算、生成水汽产品后通过网络分发到用户单位的模式，观测流程和网解模式造成产品延时1小时，且只能生成小时级产品。

探空是一个有效直接观测水汽的手段，但受站点密度、探测频次等限制，水汽产品的时间、空间精度远远达不到实际业务需求。此外，地面水汽观测受到观测高度等影响，无法获取垂直大气柱中水汽含量、分布以及变化等信息。

2019年以来，应用北斗导航卫星系统独有的B2b技术，中国气象局气象探测中心（以下简称“探测中心”）GNSS/MET观测与应用创新团队自主研制出全球首款北斗/GNSS大气水汽处理气象专用观测芯片模组——“立春Ⅰ号”。

该芯片模组具备卫星信号数据、轨道钟差精密数据以及气象数据采集质控、处理解算、产品生成功能，可解决目前急需的分钟级水汽产品空白的问题，且技术自主可控。

专用芯片模组——集约水汽解算和产品质量控制

如何在台站精准接收北斗卫星精密星历和轨道钟差信息，实现台站本地化、分布式超快速反演高精度大气水汽产品，并确保产品精度及各项指标满足业务应用要求？

面对气象业务的急切需求，研发团队从解算、质控、产品生成等软件系统着手，经过两年多的技术攻关，首先在PC端研发北斗水汽解算软件、算法模型，并在上海宝山、广西河池以及海南海口等地的三个台站开展了近一年的实地运行观测试验；再次瞄准低成本、低功耗、高集成、高可靠性的气象观测核心设备发展目标，在探测中心“芯片计划”项目的支持下，开展了水汽处理气象专用芯片模组的研制。

团队用一年半的时间持续对硬件、软件进行优化和改进，完成水汽反演算法在芯片微环境下的跨平台编译和内嵌式开发，成功研制全球首款北斗/GNSS大气水汽处理气象专用观测芯片模组——“立春Ⅰ号”。该芯片模组支持多通道、多定位系统数据解算，具备单站水汽实时观测能力，产品精度达到国际先进水平；产品时间分辨率提升12倍，由1小时提升到5分钟，居世界领先水平。

台站分钟级产品——水汽观测的历史性跨越

从零起步，从无到有，研发团队直面业务应用的迫切需求和攻克关键技术的重大压力，不断在软件算法、数据模型、质量控制和芯片微环境下的软件架构、数据策略、运行稳定性等方面狠下功夫，最终完成了算法软件芯片内置开发，实现“立春Ⅰ号”芯片与国内主流接收机的兼容集成。

这意味着下一步水汽观测产品可根据不同场景需求实现全国组网到单站独立解算的灵活应用。观测业务系统实现了从多站网络集成到单站芯片设备集成，高效获取分钟级实时水汽观测产品，解决目前GPS水汽观测产品分辨率和延时的问题，同时避免了集中网解台站之间互相依靠、互相影响可能造成大面积缺测和系统崩溃等风险，在降低建设和运行成本的同时，提高了水汽观测系统运行效率和质量。

以“立春Ⅰ号”芯片模组为技术核心的新一代地基遥感水汽探测系统，突出解决了地基水汽观测国产化和台站独立解算应用的关键问题，填补了目前水汽观测业务的空白，为建立世界领先的高时效水汽观测系统提供了可能。

目前，以“立春Ⅰ号”芯片为技术核心的新一代地基遥感水汽探测系统已在中国气象局监测预警补短板工程中实现业务应用。研发团队将开展全国高时效水汽观测业务系统建立等工作，为台站水汽观测业务化运行、多场景应用提供支撑。

（作者：简菊芳 责任编辑：张林）