具体实施方式

为了说明本发明的一般原理而进行以下描述，并不意味着限制本文所要求保护的发明构思。此外，本文描述的特定特征可以与各种可能的组合和排列中的每一种中的其它描述的特征结合使用。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

除非本文另有具体的定义，否则所有术语将被给予其最广泛的解释，包括本说明书所暗示的含义以及本领域技术人员所理解的含义和/或如词典、论文等中所定义的。为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，图1是本发明一实施例提供的一种基于导航卫星系统的水汽观测系统的结构示意图。本实施例提供的基于导航卫星系统的水汽观测系统1包括卫星导航接收装置2和气象观测仪4，其中卫星导航接收装置2包括天线3和水汽处理气象专用芯片模组5，水汽处理气象专用芯片模组5具体包括：与天线3连接的导航定位模块6，导航定位模块6具体包括与天线3连接的射频模块10、与射频模块10连接的基带信号处理模块11、与基带信号处理模块11连接的导航解算模块12；与导航解算模块12和气象观测仪4连接的水汽解算模块7；电源模块8；存储模块9和多个外部接口（图中未示出）。根据本公开的实施例，水汽处理气象专用芯片模组5可以实现为芯片或模组。

其中，射频模块10接收天线3传输来的卫星导航信号并进行处理。基带信号处理模块11接收射频模块10传输来的信号，获取信号对应的导航电文和导航观测量，并向导航解算模块12发送。导航解算模块12接收基带信号处理模块11传输来的导航电文和导航观测量，解算出水汽处理气象专用芯片模组5的导航定位信息。水汽解算模块7接收导航解算模块12的导航定位信息及气象观测仪4提供的气象数据，根据导航定位信息和气象数据解算出延迟数据，并进一步解算出水汽数据。其中，延迟数据指因为大气水汽而产生的卫星信号传输延迟，气象数据包括温度、湿度、气压。本实施例中，电源模块8为整个水汽处理气象专用芯片模组5提供电力支持，存储模块9存储卫星导航信号、导航定位信息、气象数据和水汽数据等信息以供随时查询，外部接口包括天线接口、网口、串口、USB接口和CAN接口中的至少一种，本事实例中，电源模块8和存储模块9均设置在水汽处理气象专用芯片模组5上，可选择的，电源模块8和存储模块9任一或均可以设置在水汽处理气象专用芯片模组5外，通过连接线与芯片模组连接即可，本实施例对此不作限制。

请继续参考图2，图2是本发明一实施例提供的一种射频模块的结构示意图。射频模块10包括放大器模块102和滤波器模块，放大器模块102的输入端通过天线接口101连接天线3，输出端通过一功分器模块103连接滤波器模块，其中，放大器模块102对接收到的卫星导航信号进行放大，并将放大后的卫星导航信号发送给滤波器模块，滤波器模块包括多个参数不同的滤波器104、105，对放大后的卫星导航信号进行滤波，并将滤波后的卫星导航信号发送至基带信号处理模块11。具体的，功分器模块103的输入端接收天线传输来的卫星导航信号，将接收到的卫星导航信号进行复制，得到N 路卫星导航信号，并通过功分器模块的N 个输出端将N 路卫星导航信号分别发送给N 个滤波器，通过滤波器模块对卫星导航信号的处理，实现了对包括多个频点的卫星导航信号的第一次分离，通过一个滤波器模块可将频点接近的信号分为一组。

可选的，本发明实施例中的射频模块10还包括设置在滤波器模块与基带信号处理模块11间的射频芯片106，射频芯片106接收滤波后的卫星导航信号并将处理后的卫星导航信号发送至基带信号处理模块11。具体的，射频芯片106根据接收到的N 个滤波器模块分别发送的滤波后的信号，得到M 个数字中频信号，并将M 个数字中频信号发送给基带信号处理模块11。

请继续参考图3，图3是本发明一实施例提供的一种基带信号处理模块的结构示意图。基带信号处理模块11包括混频器111、模数转换器112、捕获模块113、跟踪模块114和处理模块115，滤波后的卫星导航信号通过混频器111进行变频，然后通过模数转换器112进行模数转换处理，变换为数字信号，捕获模块113对数字信号中的载波频率和伪码相位进行正确的估计，跟踪模块114对捕获后的数字信号中的每个数字信号分别跟踪，处理模块115根据完成跟踪的数字信号中的每个数字信号，获取每个数字信号对应的导航电文和导航观测量。本实施例中，基带信号处理模块11还包括传输模块116，将处理模块115处理后的数据传输至导航解算模块12。

具体来说，基带信号处理模块11的捕获模块113接收到了M 个数字中频信号，捕获模块113用于分别对M 个数字中频信号中每个数字中频信号的载波频率和伪码相位进行正确的估计。基带信号处理模块11根据M 个数字中频信号中的每个数字中频信号分别产生本地C/A 码和本地载波，将每个数字中频信号与本地C/A码和本地载波进行相关运算，从而实现对M 个数字中频信号中每个数字中频信号的载波频率和伪码相位进行正确的估计，进一步实现载波剥离，然后进行捕获控制与捕获判决，实现M个频点对应的信号的直接捕获与引导捕获，并在本地产生伪码的复制码，即本地伪码，并且可以对本地伪码的频率和相位进行控制。

与捕获模块113连接的跟踪模块114用于分别对捕获后的M 个数字中频信号中每个数字中频信号分别跟踪。具体来说，捕获模块113完成伪码初同步以后，本地伪码和数字中频信号的伪码并没有完全对齐，而且由于多普勒频移的存在，本地伪码和数字中频信号的伪码很快就会不同步，为了使本地伪码和数字中频信号的伪码保持同步，且使二者完全对齐，则需要跟踪模块114进行跟踪。对于完成跟踪的M 个数字中频信号，处理模块115分别对其进行处理，以找到每个数字中频信号的导航电文的头的位置，从而提取每个数字中频信号中的导航电文。进一步，基带信号处理模块11还需将每个数字中频信号中的导航观测量传输给导航解算模块12，使其进行处理。

请继续参考图4，图4是本发明一实施例提供的一种导航解算模块的结构示意图。导航解算模块12包括导航观测量处理单元126、通道时延修正单元127、传播延迟校正单元128、位置速度时间(Position Velocity Time，简称PVT) 解算单元129，以及导航信息解包单元121、导航卫星PVT 解算单元122，还包括导航观测量分包拼帧单元124、差分解算单元125、导航卫星预报单元123、本地时间维持单元1210，进一步的还可包括采样间隔计算单元（图中未示出）、第一配置单元（图中未示出）等。

导航解算模块12根据导航电文获取导航卫星位置信息；根据导航观测量，解算出伪距测量信息；根据导航卫星位置信息和伪距测量信息，确定出导航定位信息。具体来说，导航解算模块12接收来自基带信号处理模块11的导航观测量，通过对导航观测量处理单元126的处理得到P 个伪距信息，以及相应的卫星导航信号的发射时间，其中，该P 个伪距信息经过通道时延修正单元127、传播延迟校正单元128的处理，被送入PVT 解算单元。进一步，通道延迟修正单元127处理之后的导航观测量数据同时被送入差分解算单元125，以便于进行进一步处理。

导航解算模块12接收来自基带信号处理模块11的导航电文，经导航信息解包单元121的解包处理得到导航星的星历数据和历书数据，并将该星历数据和历书数据存储至存储模块中，进一步将该星历数据和历书数据传输至导航卫星PVT 解算单元122。导航卫星PVT 解算单元122将导航星的星历数据和历书数据，以及时间信息输送至PVT 解算单元129以及差分解算单元125。

可选的，导航解算模块12还可接收基准站原始观测数据，基准站是一个固定不动的GNSS观测站，基准站坐标为差分修正的基准值，经过导航观测量分包拼帧单元124的分包拼帧解析，以及后续的校验处理后，得到完整的基准站的原始观测数据，接着将其送至差分解算单元125。差分解算单元125根据基准站原始观测数据，导航观测量进行伪距差分和载波相位差分，并将计算结果输送至PVT 解算单元129进行输出前处理和检验。

PVT 解算单元129根据接收到的信息，如P 个伪距信息、导航卫星PVT 解算单元122输送的导航卫星的星历数据和历书数据等，解算出每个数字中频信号对应的频点所对应的导航卫星的位置信息，进一步根据导航卫星的位置信息和P个伪距信息得到该水汽处理气象专用芯片模组5的位置、速度和时间等导航定位信息。使用根据本公开实施例的方法计算得到的导航定位信息具有较高的定位精度。

本实施例中还包括导航卫星预报单元123， PVT 解算单元129将星历数据和历书数据输入给导航卫星预报单元123，导航卫星预报单元123对当前水汽处理气象专用芯片模组5所在位置所能接收到的卫星的信息进行预报，并将预报的卫星星号、多普勒等信息发送给基带芯片，基带芯片是把卫星模拟信号转换成数字信号的关键器件，识别、转换和计算信号中携带的导航信息。

本实施例中还包括本地时间维持单元1210，本地时间维持单元1210根据接收机器件的PVT解算单元129得到本地时间。

可选的，导航卫星解算模块12上还配置有对外接口，以便于将导航定位信息输入给屏幕或其它外部设备，使用户方便观察或者使用输出信息做其它用途。

请继续参考图1，本实施例中的水汽解算模块7接收上述导航解算模块解算的导航定位信息及气象观测仪4提供的气象数据，即可解算出水汽数据，包括：处理导航定位信息及气象数据，获得天顶对流层延迟数据；获取大气加权平均温度；根据天顶对流层延迟数据和大气加权平均温度，得到水汽数据。

请参考图5，图5是本发明一实施例提供的一种基于非差PPP（Precise PointPositioning，精密单点定位）技术的地基GNSS水汽探测技术的流程示意图。流程包括：终端接收北斗、GPS等卫星信号，获得伪距和导航定位信息；接收卫星播发的精密星历和精密钟差，将精密星历中的轨道改正数和精密钟差中的钟差改正数带入GNSS观测方程，并采用双频无电离层组合模型消除电离层误差影响，形成新的PPP观测方程；采用卡尔曼滤波针对观测方程进行参数估计，获得天顶对流层总延迟（ZTD）；使用气象数据，基于常用的对流层静力学延迟经验模型，例如Saastamoienen模型、Hopfield模型和Black等模型中的任意模型计算得到高精度的天顶对流层静力学延迟（ZHD）。根据计算得到的ZTD值和ZHD值，然后利用ZTD=ZHD+ZWD，得到天顶对流层湿延迟（ZWD）；获得大气加权平均温度Tm，进而使用大气加权平均温度Tm，利用Bevis公式得到天顶对流层湿延迟和大气可降水量的转换因子∏；利用公式PMV=∏*ZWD获得大气可降水量数据，完成基于非差PPP技术的地基GNSS水汽探测。

本申请一实施例中，处理所述卫星数据及所述气象数据，并获得对流层天顶延迟数据包括：

采用卡尔曼滤波进行参数估计，获得天顶对流层总延迟（ZTD）；基于常用的对流层静力学延迟经验模型，例如Saastamoienen模型、Hopfield模型和Black等模型中的任意模型及已知气压计算得到高精度的天顶对流层静力延迟数据（ZHD），将所述总延迟（ZTD）减去天顶静力延迟ZHD(也称为天顶干延迟)，获得天顶非静力延迟数据ZWD(也称为天顶湿延迟)。

根据本公开的实施例，可以使用现有技术的任意方法获得大气加权平均温度Tm。

本申请一实施例中，根据所述天顶对流层延迟数据和所述大气加权平均温度，得到水汽数据包括：

从所述天顶对流层延迟数据中去除干延迟分量，获取湿延迟分量；

使用大气加权平均温度Tm，利用Bevis公式得到天顶对流层湿延迟和大气可降水量的转换因子∏；

利用公式PMV=∏*ZWD获得大气可降水量数据。

从ZTD转换为大气可降水含量(PWV)主要有两步，首先需要从ZTD中扣除干延迟(ZHD)分量获取湿延迟分量(ZWD)，再将ZWD转换为台站处的PWV。

获得高精度湿延迟ZWD后，再根据Tm，计算得到高精度大气水汽产品（PWV），并通过网络传输给中心服务器。

本实施例中，所述卫星数据包括卫星的位置信息、时间信息及波速；所述气象数据包括气温、湿度及气压。卫星导航信号包括全球定位系统信号、北斗卫星导航系统信号、格洛纳斯卫星导航系统信号、伽利略卫星导航信号中的至少一种。

本实施例实现了单站水汽解算处理模式，能降低目前中心站水汽统一解算过程中各台站观测相互依靠、制约、污染的风险，降低网络传输带来的系统不稳定性，提升观测效率和业务系统稳定性，可实现台站分钟级水汽产品的实时自动连续观测，使水汽观测产品分辨率达到由小时到分钟级的飞跃（目前水汽业务为小时产品）。极大提升了对强对流、台风暴雨等中小尺度灾害性天气的预报预测能力以及气象防灾减灾服务能力。

本发明一实施例中，还提供了一种卫星导航接收装置，包括上述任一实施例描述的水汽处理气象专用芯片模组。

本发明一实施例中，还提供了一种基于导航卫星系统的水汽观测系统，具体请参考图6，图6是本发明一实施例提供的一种基于导航卫星系统的水汽观测系统的系统示意图。水汽观测系统包括：卫星数据接收机，卫星数据接收机接收导航卫星系统的卫星数据；气象观测仪，气象观测仪发送气象数据；上述实施例中的水汽处理气象专用芯片模组，设置在卫星数据接收机内。

可选的，水汽观测系统还包括：卫星轨道钟差数据接收装置，卫星轨道钟差数据接收装置接收导航卫星系统的初步卫星数据，卫星轨道钟差数据接收装置还接收卫星钟差数据及精密轨道数据，且卫星轨道钟差数据接收装置根据卫星钟差数据及精密轨道数据调整初步卫星数据，并获得卫星数据，通过RTCM（the Radio Technical Commission forMaritime Services，海事无线电技术委员会）通信协议发送到水汽处理气象专用芯片模组；服务器，连接水汽处理气象专用芯片模组，服务器接收水汽处理气象专用芯片模组发送的水汽数据；台站，连接水汽处理气象专用芯片模组，台站接收水汽处理气象专用芯片模组发送的水汽数据；水汽数据输出接口；处理芯片；接收器件数据接口，连接处理芯片；控制器接口，连接处理芯片。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

在本发明实施例中，单元/模块可以用软件实现，以便由各种类型的处理器执行。举例来说，一个标识的可执行代码模块可以包括计算机指令的一个或多个物理或者逻辑块，举例来说，其可以被构建为对象、过程或函数。尽管如此，所标识模块的可执行代码无需物理地位于一起，而是可以包括存储在不同位里上的不同的指令，当这些指令逻辑上结合在一起时，其构成单元/模块并且实现该单元/模块的规定目的。

在单元/模块可以利用软件实现时，考虑到现有硬件工艺的水平，所以可以以软件实现的单元/模块，在不考虑成本的情况下，本领域技术人员都可以搭建对应的硬件电路来实现对应的功能，硬件电路包括常规的超大规模集成（VLSI）电路或者门阵列以及诸如逻辑芯片、晶体管之类的现有半导体或者是其它分立的元件。模块还可以用可编程硬件设备，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等实现。

虽然本发明的一些实施例已被描述，这些实施例已经仅以示例提出，并且不旨在限制本发明的范围。的确，本文所述的新方法和系统可能以各种其它形式体现；此外，可以进行各种省略、替代和改变这里所述的方法和系统的形式，而不脱离本发明的精神。所附权利要求及其等同旨在覆盖这些形式或变型以落入本发明的范围和精神内。