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北斗卫星通信在水雨情监测系统中的应用

发表时间：2020/11/24 来源：《基层建设》2020年第22期作者：张玉龙

[导读] 摘要：海南省目前所有的水雨情监测系统站点均采用公网通讯信道（GPRS）进行数据传输，完全依赖站点附近网络运营商的基站，一旦基站在极端天气情况下发生倒塌或其他事故，导致不能基站正常工作或链路中断时，水雨情监测站点将无法向中心站传输数据。

        珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东广州 510000
        摘要：海南省目前所有的水雨情监测系统站点均采用公网通讯信道（GPRS）进行数据传输，完全依赖站点附近网络运营商的基站，一旦基站在极端天气情况下发生倒塌或其他事故，导致不能基站正常工作或链路中断时，水雨情监测站点将无法向中心站传输数据。北斗卫星通信技术具有通信速度快，同时能够支持并发处理，可靠性高等诸多优势，再加上其维护简单等诸多特点，非常合适水雨情监测方面的应用。本文分析了北斗卫星通信技术的主要特点，以及北斗卫星通信技术在具体水雨情监测系统中的设计和运用。
        关键词：水雨情监测；信息传输；通信方式；北斗卫星通信
        引言
        由于GSM网络的覆盖相对比较广泛，所以在水情信息的采集方面，大部分都是基于GSM网络作为测试站点和监测中心沟通的主要方式。不过由于我国幅员辽阔，GSM网络或者GPRS定位系统本身还存在着很多盲点，特别是在极端天气情况下如果基站发生倒塌或其他事故时，这样测试站点和监测中心的通信就难以实现，水雨情监测系统就不能够实现信息的共享和数据的传输。然而我国自主研发的北斗卫星通信技术正好填补了这个空白，能够对于GSM网络覆盖不到位的地方，可以使用基于北斗卫星通信技术为核心的水雨情监测系统来进行水雨情监测，有效地提升了监测效果和预报的准确性[1]。
        1 北斗卫星系统简介
        北斗卫星是一个提供全中国范围内的卫星定位系统。它是中国自主开发的用于地面定位的卫星系统，现在已发展成为可供民用定位和数据通信的系统。系统包括“北斗一代”和“北斗二代”，“北斗一代”空间部分由2颗静止轨道卫星和1颗备份星组成；“北斗二代”空间部分由5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星和3 颗倾斜同步轨道卫星组成。
        北斗卫星系统由三个主要部分组成：空间卫星，地面站（LES）及分理平台和用户终端。
        （1）空间卫星：空间卫星部分由2～3颗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。每颗卫星都有2个波束，定位在太平洋、印度洋二个区域。两颗工作卫星的波束分别为1、2、3、4。一颗备用星的波束为5、6。两颗卫星都可以覆盖中国全境。覆盖范围：北纬5～55度，东经70～145度。系统组成如图1所示。
        （2）地面站：终端与终端之间相互通信的中转站。其功能是完成与卫星之间上、下行数据的处理；对各类用户发送的业务请求进行响应处理，完成全部用户定位数据的处理工作和通信数据的交换工作，并把计算所得到的用户位置和经过交换的通信内容，分别送给有关用户；同时可对发送方用户进行通信回执确认。
        （3）用户终端：卫星终端分为普通型和指挥型终端两种。民用终端由北斗卫星收发主机、北斗卫星全向收发天线、用户操作控制单元、民用通信协议等软硬件组成，能够完成用户终端与空间卫星之间上、下行数据的处理；发送用户业务请求，接收用户数据；具有通用的RS232C数据接口。
        北斗卫星系统可以全天候时提供卫星导航信息，标志着我国成为继美国全球卫星定位系统（GPS）和前苏联的全球导航卫星系统（GLONASS）后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用[2]。
        2 水雨情监测系统应用需求
        为了防御山洪地质灾害的发生，我国山洪灾害防治项目建设了很多水雨情监测系统，采用现代数字化科技手段实现对中小河流域、湖泊、水库等自然江河湖泊和水利工程的水文信息进行实时采集、传输、处理和水雨情预报等工作。
        自动监测站点选址一般为偏远山区，常规通信（包括：移动通信、联通通信、电信）难以实现信号全覆盖，通信专线的建设又存在成本高、维护费用贵等缺点。
        自动监测站数据传输系统一般由一个数据接收中心和若干个野外无人值守监测站组成，数据传输方向为多个监测站的水雨情数据向一个数据接收中心传输的“多对一”的通信模式，其传输方式有主动自报式和交互查询式。主动自报式是指监测站按照一定的协议机制主动将采集到的气象数据上报至数据接收中心，而交互查询式则是以数据接收中心为主动方，监测站解析数据接收中心的指令，并做出响应。主动上报式应用的场合要求一次通信成功率高，而交互查询式则要求系统的通信资源相当丰富，并且通信费用低廉。
        根据水雨情监测对象的特点，正点上报、10分钟雨量加报、水位加报等测报数据随着监测站的数量的增长和天气情况的变化，成不规则增长方式，1分钟内可能会上报几百条数据。对接收端的数据处理能力和通信链路有很高的要求。
        目前，通信成功率和通信费用是水雨情测报数据传输面临的两个主要问题。北斗卫星能够解决这两个问题。
        北斗卫星通信信号覆盖范围广、可靠性高。水文测站终端是在其后端设备的控制指令下发送数据报告的，它在收到后端设备的发送数据报告指令后，直接向卫星发送信息，其信道编码与调制方式为码分多址即CDMA方式，利用冗余编码方法使得入站数量达到200站/每秒，按照水利水文信息传输整点报的需求，以10分钟收集全部站点数据计算此类用户理论上可容纳12万测站用户，所以其信道容量极大，可以不考虑信道拥挤问题。
        目前支持北斗卫星通信的水文遥测设备RTU体积小功耗低、设备维护简单和易于组网布设站点，硬件费用比较低。
        北斗卫星分理服务平台提供民用北斗卫星通信服务，用户只需要注册通信卡号，支付服务年费等方式实现卫星通信，服务费用较低[3]。
        3 北斗卫星通信在水情监测数据传输中的应用
        从2002年起，我国就已经开始进行利用北斗卫星传输水雨情信息的试验研究，并陆续建设了多个北斗卫星水雨情监测系统，2006年已有800多个水雨情监测站点使用北斗卫星系统。经过十多年的发展，北斗卫星短报文通信可以大规模地应用于水雨情监测数据传输中。
        3.1 短报文通信介绍
        北斗卫星导航是我国自主研发的卫星导航系统，是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：
        定位，快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息；
        通讯，用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信；
        授时，中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值；
        水情监测数据传输主要是运用了北斗卫星系统的短报文通信功能，北斗一代卫星以及北斗二代卫星中的静止轨道卫星均提供通信服务。
        3.1.1 通信方式
        （1）点对点双向通信
        北斗卫星系统具有点对点双向数据传输方式。它是以数据包的形式传输，一次发送共有210个字节，一般用户一次最多可发送110bytes信息。测站终端发送采用码分多址直接扩频序列调制，扩频伪码采用周期伪随机序列，发送频率为L波段，通过卫星转换为C波段由地面站接收。测站型终端和指挥型终端的最大区别在于前者只能锁定在一个波束上，而后者可以同时锁定所有波束，发送信息时也是如此，前者每次只能在单波束上发送，后者则可以同时在所有波束上发送。
        在北斗卫星通信点对点方式中，还有一种通播的方式。

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即在一个用户群（用户系统）中，将一个作为主站（中心站）的终端设备号码写入本群中其它测站的终端设备的映像地址中，当此中心站作通播方式发送时，则群中的所有使用同一波束的测站都能同时收到此信息。此功能可以用作系统的广播回执，即在系统的一次定时报后一定时间内，将收到系统中的测站和未收到的测站的信息广播出去，未收到自报信息的测站则再次发送信息，从而提高了系统的畅通率，同时也减少了系统中心站的发送次数。如果用户系统的主站采用指挥型终端则回执可一次在全部波束上发送，用户系统的所有测站可以同时收到主站的回执。
        （2）多点对一点通信
        与上面的通播方式有些类似，该通信方式主要采用了指挥机的通信特点。在指挥机上面安装指挥卡，每个指挥卡一般可以管辖200张子卡；其他终端上安装子卡，并设定接收卡为指挥卡。这样，这些终端都可以向该指挥机发送短报文信息。实现多点对一点的通信。在水文遥测站数据上报中就采用这种方式。
        3456783.14.15.16.17.18.13.1.2 通信优点
        北斗卫星通信系统覆盖范围广、没有通信盲区、信息加密传输安全。用户终端机分为指挥型用户机和通信型用户机，指挥型用户机可以监收其所有下属用户机的通信数据，并可以向其任一下属用户机发送命令或与其进行数据通信。
        3.1.3 通信缺点
        北斗卫星短报文通信也有其局限的地方：
        （1）单次通信容量有限，民用通信容量仅有100 字节左右
        （2）通信频度受控，民用通信频度在1min 左右
        （3）没有通信回执，可靠通信需要采取相关辅助措施
        34567891011121314153.2 应用方案
        结合北斗卫星通信的特点，水雨情监测数据传输采用短报文主动上报的方式，即“多点对一点”，各个水雨情监测站点向统一的接收终端发送报文。北斗卫星分理服务平台接收到报文后再转发到用户指定的存储位置，用户通过监控软件，查询显示报文的接收、解析情况。
        3.2.1 硬件配置
        各个水雨情监测站均配备一台北斗通信型用户机和一台编码器，由各监测站的风光互补供电系统供电。
        工作时，设置为主动自报模式，前端编码器负责将监测站定时采集到的数字水情数据进行编码和加密，并转换为北斗协议格式的通信申请信号，再传至北斗通信型用户机，通过北斗卫星系统发送到北斗分理服务平台的指挥机。再由指挥机解密后转发到用户指定的数据库或其他存储设备中。
        （1）北斗通信型用户机
        （2）编码器
        （3）应用/数据库服务器等
        3.2.2 服务提供
        根据国家北斗卫星导航服务规定，北斗卫星分理服务平台可以提供民用卫星导航服务，协助用户注册北斗通信卡号，提供指挥机接收/转发通信，按照用户需求定制开发一些北斗通信相关软件（通信数据入库软件、监控软件）。
        （1）用户注册
        （2）通信转发
        （3）软件定制
        3.2.3 通信保障
        北斗卫星短报文通信有优点也有缺点。实际应用过程中，需要增加通信保障，确保水雨情监测数据传输正常。
        （1）报文协议
        水情数据上报过程中，按照约定的报文协议，使用ASCII码格式输出，减少字节数及乱码情况。
        （2）通信频率
        使用指挥型用户机，1分钟内，1张指挥卡可以接收200个终端的报文上报。
        （3）监控日志
        开发报文接收日志、报文解析日志、软件运行过程的文件日志，通过监控平台及后台日志，能够看到整个通信过程的运行情况。另外，提供监测站设备运行情况监控，能够远程查看到设备的正常、异常情况。
        4 海南省实际应用分析
        由于海南岛的特殊地理位置，每年都会发生不同数量的台风及强降雨，极端恶劣天气较为频繁。2010—2015年度已建的山洪灾害监测站点均采用公网通讯信道（GPRS）进行数据传输，完全依赖站点附近网络运营商的基站，一旦基站在极端天气情况下发生倒塌或其他事故，导致基站不能正常工作或链路中断时，那么山洪灾害水雨情监测站点将无法向中心站传输数据。因此监测站点单一的通讯方式导致其在极端天气情况下的保障率降低。
        为提高水雨情自动监测站点的通讯保障能力，海南省2016-2018年度山洪灾害防治项目对全省18个市县332处骨干自动监测站点进行卫星通信信道补充建设，大大提高报汛通讯保障能力。
        海南省卫星通信信道站点建设方案采用北斗卫星系统建立卫星通讯信道。系统由北斗数据终端、数据接收系统及管理软件组成。北斗卫星数据终端把自动监测站点的数据实时发射出去，数据接收系统实时接收各监测站点数据，管理软件监测各个北斗数据终端的状态。
        卫星数据接收系统（北斗系统又称“指挥机”）完成数据接收、协议转换、查错补数、解压缩、数据输出等工作。海南省卫星数据接收系统建设在省水务厅。监测站 RTU 升级或设备更换后，要求设备供应商同时在数据接收系统部署接口软件，实现实时数据入库，自动分发到各市县山洪灾害监测预警平台数据库。
        在北斗卫星分理服务平台中，遥测设备卡号与北斗指挥机卡号绑定，通过北斗卫星，实现遥测设备向北斗指挥机发送水雨情报文。北斗指挥机接收到所辖的遥测设备发送的报文后，通过水务厅IP+端口公网传输方式，将接收到的原始报文推送到水务厅北斗卫星数据库中。
        海南省卫星通信站点工作方式：卫星信道作为备用信道，在主用通信方式无效时，自动启动。考虑供电能力，卫星信道应在需要发送数据时自动启动，发送完成后自动关闭。卫星备用信道每日需要发送平安报，为避免信道堵塞，水利部已划分好各省发送的时段。
        5 结语
        基于北斗卫星的水雨情监测系统充分体现了北斗卫星系统抗雨衰、功耗低、通信快捷及并发能力强的特点，很好地满足了各级水利部门整点报讯和汛期实施报讯的要求，大大提高了水雨情监测系统的畅通率和可靠性。
        参考文献：
        [1]崔金鹏.北斗卫星通信技术在水情自动测报系统地运用[J].黑龙江：科技创新与运用，2014（24）.
        [2]刘阳，何为.卫星通信在三峡水情自动测报系统中的应用[J].湖北：水电能源科学，2007（18）.
        [3]杨俊青，周冬生.水情自动测报系统中应用的通信卫星介绍[J].江苏：水利信息化，2000（6）.