船载自动气象站功能规格需求书.docx
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船载自动气象站功能规格需求书
附件3
船载自动气象站功能规格需求书
中国气象局综合观测司
2015年7月
编写说明
本功能规格需求书规定了船载自动气象站的相关技术要求,包括:
组成结构、功能和测量性能指标、环境适应性和业务运行等要求,可作为船载自动气象站研制、生产、测试评估的依据。
本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托山东省气象局组织编写,修改权、解释权属于中国气象局综合观测司。
主要编写人员:
杨宗波、徐法彬、安学银、张玉洁、杨崇静、安忠亮、章火宝、王佳明。
目录
1前言1
1.1目的1
1.2适用范围1
1.3编制依据1
2组成结构要求2
2.1概述2
2.2船载自动气象站硬件2
2.3船载自动气象站软件4
3功能要求4
3.1观测项目4
3.2初始化4
3.3数据采集5
3.4数据处理5
3.5数据存储5
3.6数据传输5
3.7数据质量控制6
3.8终端操作命令6
3.9时钟同步6
3.10观测数据格式6
3.11数据显示6
3.12远程维护6
3.13可配置及可扩展性6
4性能要求6
4.1测量性能7
4.2采样和算法8
4.3观测时制和日界14
4.4电源要求14
4.5传感器性能要求15
4.6数据采集器性能要求18
4.7电缆性能要求19
5环境适应性要求20
5.1气候条件20
5.2外壳防护等级20
5.3抗盐雾要求20
5.4生物条件21
5.5机械条件21
5.6电磁兼容性要求21
6业务运行要求23
6.1运行状态信息23
6.2产品可靠性23
6.3可维护性24
6.4设备寿命24
7结构和外观要求24
7.1机械结构要求24
7.2机械强度要求24
7.3材料与涂覆要求24
7.4焊接工艺要求25
7.5外观要求25
7.6数据采集器25
7.7机箱28
7.8防辐射罩要求30
7.9太阳能电池要求30
8其他要求31
8.1技术文件31
8.2船载自动气象站硬件安装与场地要求31
8.3船载自动气象站软件安装要求33
8.4安全要求33
9附录34
附录1船载自动气象站数据文件格式35
1组成35
2存储文件35
2.1船载自动气象站观测要素数据文件35
2.2船载自动气象站状态信息文件40
3上传文件44
3.1船载自动气象站观测要素数据上传文件44
3.2船载自动气象站状态信息上传文件51
附录2船载自动气象站终端命令格式57
1终端控制命令57
1.1终端命令的分类57
2格式一般说明57
3握手机制57
3.1数据传输握手机制58
3.2时间校正握手机制58
3.3设备响应命令时间58
4设备监控操作命令58
4.1设置或读取设备的通讯参数(SETCOM)58
4.2设备自检(AUTOCHECK)59
4.3帮助命令(HELP)59
4.4设置或读取设备的区站号(QZ)59
4.5设置或读取设备的服务类型(ST)59
4.6读取设备标识位(DI)59
4.7设置或读取设备ID(ID)60
4.8设置或读取气象观测站的纬度(LAT)60
4.9设置或读取气象观测站的经度(LONG)60
4.10设置或读取设备日期(DATE)60
4.11设置或读取设备时间(TIME)61
4.12设置或读取设备日期与时间(DATETIME)61
4.13设置或读取设备主动模式下的发送时间间隔(FTD)61
4.14历史数据下载(DOWN)62
4.15实时读取数据(READDATA)63
4.16设置数据传输握手机制方式(SETCOMWAY)63
4.17设置或读取各传感器测量范围值(QCPS)64
4.18设置或读取各要素质量控制参数(QCPM)64
5观测要素编码65
5.1AA——气温类编码65
5.2AC——海水温度编码66
5.3AD——相对湿度编码66
5.4AE——风向编码66
5.5AF——风速编码67
5.6AG——气压编码68
5.7AH——降水编码68
5.8AM——能见度编码68
5.9AS——海洋类编码69
6设备状态要素编码69
6.1设备状态码69
6.2z——设备自检状态69
6.3y——传感器工作状态70
6.4x——电源类状态71
6.5w——工作温度类状态71
6.6t——通信类工作状态71
6.7s——窗口污染类工作状态71
6.8r——设备工作状况状态71
6.9v——监控信息值72
7数据帧格式示例72
附录3船载自动气象站卫星通信终端命令格式74
1设备监控操作命令74
1.1设置或读取设备日期(DATE)74
1.2设置或读取设备时间(TIME)74
1.3读取当前分钟的数据记录(BG)74
2卫星通信分钟数据格式74
1前言
1.1目的
为研制标准统一、格式规范、功能明确、规格合理、技术指标明确的船载自动气象站,为气象业务、服务和应用部门提供设备基础信息,为船载自动气象站研究部门和生产厂家提供设计、研制、测试提供依据,制定本功能规格需求书。
1.2适用范围
本功能规格需求书适用于气象部门内使用的、安装在海洋中的各类运输船、工业船、渔业船、港务船、海洋开发船及舰船等的船载自动气象站。
在江湖等水面船舶上安装的自动气象站可参考本功能规格需求书相关要求。
本功能规格需求书规定了船载自动气象站的结构、功能、性能、环境适应性和安装及业务运行等要求,是设备制造单位进行产品设计和生产的依据。
1.3编制依据
本功能规格需求书依据或参考下列文件资料编写:
[1]船舶自动气象观测站功能需求书,中国气象局综合观测司,2008
[2]中国气象局《新型自动气象(气候)站功能需求书》(修订版)
[3]WMO《自动气象站质量控制程序指南(ETAWS-4,FINALREPORT,Annex3.WMO.CBS)》
[4]GB/T17838—1999船舶海洋水文气象辅助测报规范
[5]GB/T13972—2010海洋水文仪器通用技术条件
[6]GB/T3783—2008船用低压电器基本要求
[7]GB/T10250—2007船舶电气与电子设备的电磁兼容性
[8]GB/T9333—2009船舶电气设备船用通信电缆和射频电缆一般仪表、控制和通信电缆(IEC60092-374:
1977,IEC60092-375:
1977)
[9]GB/T17556—2010船用电力和通信电缆护套材料(IEC60092-359:
1999)
[10]GB/T17557—2010船舶、近海装置用电力、控制、仪表、通信及数据电缆的绝缘材料(IEC60092-351:
2004)
[11]GB/T21065—2007船舶电气装置安装和完工试验(IEC60092-401:
1997)
[12]GB4208—2008外壳防护等级(IP代码)
[13]QX/T122—2011船舶自动气象观测数据格式
[14]QX/T129—2011气象数据传输文件命名
[15]CB/T3897—2011船用16A~125A插头插座和连接器
[16]JJG876—1994船舶气象仪
[17]中华人民共和国海事局《海事系统助航设施防雷技术规范》
2组成结构要求
2.1概述
船载自动气象站由硬件和软件两部分组成。
硬件由传感器、数据采集器、外围设备(电源、通信、船舶定向定位仪、船载显示终端等)组成。
软件主要实现相关参数设置和观测数据管理功能。
船载自动气象站系统结构见图1。
图1船载自动气象站系统结构框图
2.2船载自动气象站硬件
2.2.1传感器
传感器的作用是将海洋气象、水文观测要素物理量转换成电信号并传递给采集系统。
传感器包括气温、相对湿度、气压、风向、风速、能见度、降水、海水温度等。
2.2.2数据采集器
数据采集器的作用是对海洋气象、水文要素传感器以及船舶定向定位仪器、船姿监测仪器的测量信号进行采集,并根据规定的算法进行处理、存储和传输。
数据采集器可由一个主采集器和若干个分采集器组成。
数据采集器应具有模拟量、数字量和智能传感器接口,支持RS-232、RS-485/422、CAN总线等通信方式,并具有运行状态指示功能。
2.2.3外围设备
2.2.3.1电源
采用标称12V的免维护蓄电池为系统供电,并支持船用直流或交流电源以及太阳能等为蓄电池充电。
采用船用交流电源充电时,须配置空气开关、电源避雷器、AC-DC电源模块、充电保护模块等部件。
2.2.3.2通信设备
通信设备包括本地通信设备和远程通信设备。
通信设备与数据采集器以RS-232/RS-485进行连接,实现无线或有线传输和组网。
本地通信设备用于数据采集器和船载数据显示终端的通信,支持以有线或无线方式将数据采集器的数据和状态信息传输到船载数据显示终端。
本地通信设备一般有RS-232长线驱动器、RS-232/ZigBee通信模块、WiFi模块等。
远程通信设备用于数据采集器和数据监控中心的通信,支持基于公用移动网络(GPRS/CDMA1X/3G/4G)和卫星通信等。
2.2.3.3船舶定向定位仪器
船舶定向定位仪器是船载自动气象站的必要设备,实现船舶位置(经纬度、拔海高度)、航向和航速信息的采集,用于船舶航迹显示、真风数据计算等。
2.2.3.4船姿监测仪器
船姿监测仪器是船载自动气象站辅助测量设备,用来测量船舶横倾角、纵倾角等运动姿态,可用于甄别船姿因素造成的气象数据异常。
船姿监测仪器是船载自动气象站中的可选仪器。
2.2.3.5船载数据显示终端
船载数据显示终端用于实时显示采集数据和设备状态信息,是船载自动气象站中的可选设备。
2.2.3.6可移动存储器
可移动存储器用于扩展数据采集器的存储容量,存储容量至少满足1年以上观测基数据的存储要求。
2.3船载自动气象站软件
2.3.1单一船载自动气象站软件
实现对船载自动气象站的管理,支持参数远程设置、观测数据处理、生成规定格式的数据文件等,是建设单一船载自动气象站的必要组成部分。
2.3.2数据监控中心软件
管理多个船载自动气象站的软件系统。
除具备单一船载自动气象站软件功能外,能够实现数据的实时上传、质控、存储、查询、报表制作、航迹显示等。
根据用户的需求和硬件环境建设。
3功能要求
3.1观测项目
船载自动气象站的观测项目分为基本观测项目和可选观测项目。
基本观测项目是船载自动气象站必须具备的观测项目;可选观测项目是船载自动气象站通过其扩展能力能够具备的观测项目。
所有观测项目可根据船舶类型或用户需求进行选配。
基本观测项目:
气温、相对湿度、风向、风速、气压、能见度;
可选观测项目:
降水、海水温度等。
3.2初始化
船载自动气象站应具备下列初始化功能:
3.2.1对采集器进行自检,加载采集软件、准备存储器、外围设备;
3.2.2可通过终端操作命令对采集器进行参数配置,包括船载自动气象站基本参数、传感器参数、通信参数、质量控制参数等;
3.2.3建立和运行观测任务。
3.3数据采集
船载自动气象站应按4.2.1规定的采样频率对气象要素和水文要素传感器的输出信号进行采样,并转换成相应的气象和水文要素采样值。
按风要素同样的采样频率采集船艏向、航向、航速数据。
将从风传感器采样的风向和风速经船艏向订正后得到视风向和视风速,再按4.2.3的方法计算得到真风向、真风速。
对所有的采样值按3.7规定的数据质量控制方法进行数据质量控制。
按4.2.4规定的算法对通过数据质量控制程序检查的各要素采样值进行计算得到相应要素的瞬时值(一般为分钟平均值、分钟累计值)。
对所有的瞬时值按3.7规定的数据质量控制方法进行数据质量控制。
3.4数据处理
对采集的数据进行加工处理,得到相应的导出量、统计量(极值、总量、累计量等)。
各个量的加工处理方法必须符合4.2.4、4.2.5、4.2.6的要求,并对加工处理的结果进行数据质量控制。
3.5数据存储
数据采集器必须具备非易失内置存储器,并支持可移动存储介质,可存储最近12个月的全要素分钟数据和状态监控信息。
存储的文件内容和格式符合附录1的要求。
数据监控中心软件借助必要的运行环境硬件能够把收到的数据和状态信息存入数据库中,按附录1规定的文件内容和格式生成相应的文件,并对存储器的剩余容量进行监视,在达到警戒线时进行报警。
3.6数据传输
3.6.1本地传输
船载自动气象站通过无线或有线的方式实现数据采集器与船载数据显示终端之间的数据传输,数据传输应遵循附录2规定的数据传输格式。
3.6.2远程传输
船载自动气象站通过公用移动网络、卫星通信等无线方式实现数据采集系统与远程数据监控中心之间的数据传输。
公用移动网络通信方式的数据传输应遵循附录2规定的数据传输格式。
卫星通信方式的数据传输应遵循附录3规定的数据传输格式。
3.6.3数据上传
船载自动气象站的数据监控中心按照附录1规定的数据上传格式将数据文件上传上一级(一个或多个)中心站。
3.7数据质量控制
船载自动气象站必须具备采集器嵌入式软件、数据监控中心软件两部分的质量控制。
采集器级的数据质量控制方法、数据质量控制参数的设置参照《新型自动气象(气候)站功能需求书(修订版)》4.6等章节的规定。
3.8终端操作命令
终端操作命令实现对采集器各种参数的传递和设置,从采集器读取各种数据和下载各种文件。
命令内容详见附录2和附录3。
3.9时钟同步
船载自动气象站采集器与数据监控中心均采用GPS(或北斗)卫星进行时钟校对,实现数据采集器与数据监控中心的时钟同步。
3.10观测数据格式
观测数据格式包括存储数据文件格式、传输数据格式和上传数据文件格式。
存储数据文件格式应参照QX/T122—2011要求,详见附录1。
传输数据格式应符合附录2和附录3的要求。
上传数据文件格式应符合附录1的要求。
3.11数据显示
数据和状态信息应能在船载数据显示终端上实时显示。
数据和状态信息在数据监控中心以数据列表、图形等形式进行显示,并显示船舶航迹。
3.12远程维护
船载自动气象站支持远程维护功能,包括远程参数设置、故障诊断等。
3.13可配置及可扩展性
船载自动气象站在观测项目、通信方式、辅助电源等方面应具有可配置、可扩展性。
4性能要求
4.1测量性能
4.1.1观测项目
船载自动气象站观测要素的性能参照QX/T45—2007、《海洋气象浮标观测站功能需求书》(2008版)及WMO-No.8等相关规范对自动气象站、海洋气象观测的要求,满足表1的性能指标。
表1观测项目性能指标
观测要素
范围
分辨力
最大允许误差
气压
800hPa~1100hPa
0.1hPa
±0.3hPa
气温
-50℃~50℃
0.1℃
±0.2℃
相对湿度
5%~100%RH
1%RH
±4%RH(≤80%)
±8%RH(>80%)
真风向
0°~360°
1°
±10°
真风速
0m/s~60m/s
0.1m/s
±(0.5m/s+0.1×示值)
视风向
0°~360°
1°
±5°
视风速
0m/s~75m/s
0.1m/s
±(0.5m/s+0.03×示值)
能见度
10m~20000m
1m
±10%(≤1500m)
±20%(>1500m)
降水
雨强:
0mm/min~4mm/min
0.1mm
±0.5mm(≤10mm)
±5%(>10mm)
海水温度
-5℃~40℃
0.1℃
±0.2℃
4.1.2辅助项目
船载自动气象站辅助项目应满足表2的性能指标。
表2辅助项目性能指标
辅助要素
范围
分辨力
最大允许误差
位置
经度:
-180°~180°
纬度:
-90°~90°
0.00001′
±0.003′
船艏向
0°~360°
0.1°
±2°
航向
0°~360°
0.1°
±2°
航速
0m/s~30m/s
0.1m/s
±0.2m/s
横倾角
-30°~30°
0.1°
±2°
纵倾角
-30°~30°
0.1°
±2°
4.2采样和算法
4.2.1采样频率
船载自动气象站观测要素的采样频率应符合表3的规定。
表3观测要素采样频率
观测要素
采样频率
计算平均值
计算累计值
计算极值
气压
30min-1
每分钟算术平均
—
小时内极值及出现时间
气温
湿度
风速
4s-1
以0.25s为步长求3s滑动平均值;以1s为步长(取整秒时的瞬时值)计算每分钟的1min、2min算术平均;以1min为步长(取1min平均值)计算每分钟的10min滑动平均
—
每分钟、每小时内3s极值(即极大风速);每小时内10min极值(即最大风速);小时内极值对应时间
风向
1s-1
求1min、2min平均;以1min为步长(取1min平均值)计算每分钟的10min平均
—
对应极大风速和最大风速时的风向
降水量
1min-1
—
每分钟、小时累计值
—
能见度(气象光学视程)
4min-1
1min内采样数据的算术平均值计算1min平均能见度(瞬时值);以1min为时间步长,对每分钟的1min平均值求每分钟的10min滑动平均
—
小时内极值及出现时间(记终止时间)
最小能见度取小时内最小10min平均能见度
海水温度
30min-1
每分钟算术平均
—
小时内极值及出现时间
4.2.2算法的常用计算公式和适用场合
4.2.2.1算术平均法
4.2.2.1.1计算公式
式中:
——观测时段内气象变量的平均值;
——观测时段内第
个气象变量的采样瞬时值(样本),其中,“错误”、“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算,即令
;
N——观测时段内的样本总数,由“采样频率”和“平均值时间区间”决定;
m——观测时段内“正确”的样本数(
)。
4.2.2.1.2适用场合
气压、温度、相对湿度、1min平均风速、2min平均风速、1min平均风向、2min平均风向、1min能见度、海水温度等气象变量平均值的计算。
4.2.2.2滑动平均法
4.2.2.2.1计算公式
式中:
——第
次计算的气象变量的平均值;
——第
个样本值,其中,“错误”、“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算;
——在移动着的平均值时间区间内的第1个样本:
当
时
,当
时
;
N——是平均值时间区间内的样本总数,由采样频率和平均值时间区间决定;
m——在移动着的平均值时间区间内“正确”的数据样本数
。
4.2.2.2.2适用场合
3s平均风速、10min平均风速、10min平均风向、10min平均能见度等气象变量平均值的计算。
4.2.2.3单位矢量平均法
4.2.2.3.1计算方法
(1)计算公式
式中:
——观测时段内的平均风向;
——观测时段内第
个风矢量的幅角(与y轴的夹角);
——观测时段内单位矢量在x轴(西东方向)上的平均分量;
——观测时段内单位矢量在y轴(南北方向)上的平均分量;
——观测时段内的样本数,由“采样频率”和“平均值时间区间”决定。
(2)平均风向的修正
平均风向
的计算结果范围在(-90°,90°),应根据
、
的正负,按下列方法对
进行修正:
—
、
,
无需修正。
—
、
或
、
,
加180°。
—
、
,
加360°。
4.2.2.3.2适用场合
2min平均风向、10min平均风向等气象变量平均值的计算。
4.2.3真风向、真风速算法
视风是真风和船风的矢量和。
其中,船风是由船舶航行引起的风向与航向相反、风速与航速相等的风。
因此,真风的计算公式为:
式中:
:
真风矢量;
:
视风矢量;
:
船风矢量。
根据右图给出的视风、船风条件,可按下面给出的方法示例计算得到真风向、真风速:
Y=90-D
a=S*(cosY)
b'=S*(sinY)
b=b'-SS
TS=
TD=90-arctg(b/a)+SH
式中:
TS——真风速;
TD——真风向;
S——视风速;
D——视风向;
SS——航速;
SH——航向。
4.2.4瞬时值、平均值、累计值计算
4.2.4.1气压、气温、相对湿度
4.2.4.1.11min平均值(瞬时值)
有两种不同计算方法,根据不同应用场合进行选择:
(1)对1min内的“正确”的采样值计算平均值,应有大于66%(2/3)的采样瞬时值可用于计算瞬时值,若不符合这一质量控制规程,则当前瞬时值标识为“缺失”。
(2)用1min内的采样值计算均方差σ,凡样本值与平均值的差的绝对值大于3σ的样本值予以剔除,对剩余的样本值计算平均作为瞬时值。
4.2.4.2真风速、真风向
4.2.4.2.13s平均值
对于真风速以0.25s为时间步长,滑动求取每0.25s的3s平均真风速,对3s内的“正确”的采样值计算平均值,应有大于75%(3/4)的采样瞬时值可用于计算3s平均值,若不符合这一质量控制规程,则当前3s平均值标识为“缺失”。
真风向用1min平均值代替。
4.2.4.2.21min平均值
以1s为时间步长,取每整秒的瞬时值,对1min内的“正确”的瞬时值计算平均值,应有大于75%(3/4)的瞬时值可用于计算1min平均值,若不符合这一质量控制规程,则当前1min平均值标识为“缺失”。
4.2.4.2.32min平均值
以1min为时间步长,取每整秒的瞬时值,对2min内的“正确”的瞬时值计算平均值,应有大于75%(3/4)的瞬时值可用于计算2min平均值,若不符合这一质量控制规程,则当前2min平均值标识为“缺失”。
(除正点外,其他时间也应计算,数据不存储,保存在缓存中实时刷新。
)
4.2.4.2.410min平均值
以1min为时间步长,对每分钟的1min平均值求每分钟的10min滑动平均。
对10min内的“正确”的1min平均值计算10min平均值,应有大于75%(3/4)的1min平均值可用于计算10min平均值,若不符合这一质量控制规程,则当前10min平均值标识为“缺失”。
4.2.4.3能见度
4.2.4.3.11min平均值
对1min内的“正确”的采样值计算平均值,应有大于66%(2/3)的采样瞬时值可用于计算瞬时值,若不
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- 关 键 词:
- 自动气象站 功能 规格 需求