周亞平 ，謝 峻 ，王吉星

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.臺(tái)州市黃巖區(qū)水利局，浙江 臺(tái)州 318020）

0 前言

20 世紀(jì) 90 年代后期興起的衛(wèi)星水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，從根本上解決了在偏遠(yuǎn)地區(qū)及山區(qū)部署自動(dòng)測站的通信問題，為水利部門實(shí)現(xiàn)全流域水情自動(dòng)測報(bào)提供了重要通信手段。

由于偏遠(yuǎn)地區(qū)陸地公眾通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到，架設(shè)專用的地面無線通信網(wǎng)絡(luò)在施工、維護(hù)等方面存在巨大的困難，野外自動(dòng)監(jiān)測站受惡劣環(huán)境的制約，無法提供設(shè)備的常規(guī)電力供應(yīng)，只能采用太陽能供電，這使得體積小、功耗低的衛(wèi)星終端非常適合在這類場合應(yīng)用，與自動(dòng)測站的 SCADA 配合工作，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星傳輸水情數(shù)據(jù)自動(dòng)測報(bào)。

1 衛(wèi)星通信特點(diǎn)分析

在水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中，應(yīng)用衛(wèi)星系統(tǒng)有下述優(yōu)勢[1]：

1）同時(shí)具備定位與通訊功能，不需要其他通訊系統(tǒng)支持；

2）覆蓋范圍大，沒有通訊盲區(qū)，使用的通信波段沒有雨衰影響；

3）特別適合于多用戶大范圍監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；

4）現(xiàn)有衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品已日趨成熟，體積小，便于設(shè)備集成。

隨著國家衛(wèi)星導(dǎo)航民用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，基于衛(wèi)星的民用運(yùn)營中心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通信終端產(chǎn)品已具備成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，并已開始在水利、地質(zhì)、煤礦、漁業(yè)、交通、石油、氣象等行業(yè)得到較多成功應(yīng)用。

目前用在水情測報(bào)系統(tǒng)中的衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品主要有水利部著手建設(shè)的新一代水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)即 iDirect X3 衛(wèi)星小站，北斗衛(wèi)星民用通信系統(tǒng)YDD-3-01 和 YCTC-BW-16 通信型設(shè)備 3 種。

1.1 iDirect X3 衛(wèi)星小站主要技術(shù)參數(shù)

1）接收指標(biāo)

接收中頻接口：F 頭，950～2150 MHz，-5/-65 dBm；

支持 BUC 工作功率（IFL）+24 V, 可支持 5 W BUC（最大電源消耗為 120 W）。

2）發(fā)射指標(biāo)

中頻（IF）接口指標(biāo)：發(fā)射中頻接口，F(xiàn) 頭，950～1700 MHz，+7/-35 dBm；載波大小：速率下行（DVB-S2/ACM），上行（D-TDMA）；符號(hào)速率 1～45 Msps，64 ksps～5 Msps；FEC（前向糾錯(cuò)編碼）iDirect 鏈路計(jì)算指導(dǎo)。

3）其它指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)拓樸：星狀（DVB-S2/ACM 下行+MF D-TDMA 上行）；

調(diào)制方式：下行，QPSK, 8PSK, 16APSK，上行，BPSK, QPSK, 8PSK；

數(shù)據(jù)接口：LAN 10/100 以太網(wǎng)，802.1q VLAN，RS-232 串口；

協(xié)議支持：TCP，UDP，ACL，ICMP，IGMP，RIP V2，BGP，靜態(tài)路由，NAT, DHCP, DHCP Helper,Local DNS Caching, cRTP 和 GRE 隧道加速；

業(yè)務(wù)流量工程：Group QoS, QoS（絕對優(yōu)先級(jí)隊(duì)列和 CBWFQ，基于類型的加權(quán)公平隊(duì)列）, 動(dòng)態(tài)應(yīng)用觸發(fā) QoS，最小 CIR，速率限制。

1.2 YDD-3-01 通信型設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

1）定位精度為：20 m。

2）接收指標(biāo)

俯仰方向：10～75°；水平方向：0～360°；接收通道數(shù)：≥ 2；接收靈敏度：C ≤ -157.6 dBW；首次捕獲時(shí)間：≥ 2 s，失鎖再捕獲時(shí)間：≤1 s，接收信號(hào)誤碼率：≤1×10-5；

3）發(fā)射指標(biāo)

俯仰方向：10～75°；水平方向：0～360°。

1.3 YCTC-BW-16 通信型設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

1）接收指標(biāo)

開機(jī)捕獲時(shí)間 ≤ 2 s，失鎖重捕時(shí)間 ≤ 1 s；接收靈敏度 ≤ -127.6 dBm（誤碼率小于 10-5）；

在接收靈敏度不低于 127.6 dBm 情況下，通訊成功率高于 99.5 %。

2）發(fā)射指標(biāo)

天線波束寬度：水平方向 0～360°；垂直方向10～75°；

平均待機(jī)功耗 ≤ 6 W；

發(fā)射瞬間峰值功耗 ≤ 100 W；發(fā)射 EIRP：≤15 dBW；發(fā)射信號(hào)功率準(zhǔn)確度：±1 dB；發(fā)射功率 30 W。

3）供電要求

電源輸入：交流 220 V ± 10 %（帶適配器）輸入；或直流 9～32 V 輸入。

4）定位精度：20 m1σ（無標(biāo)校機(jī)區(qū)域 100 m1σ）。5）可靠性指標(biāo)

平均無故障工作時(shí)間 ≥ 20000 h；平均故障維修時(shí)間 ≤ 30 min。

2 當(dāng)前衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品性能比較

1994年11 月水利部一次性購買了亞洲二號(hào)衛(wèi)星半個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器資源，建設(shè)水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)。經(jīng)過 10多年的發(fā)展，初步建成了一個(gè)由水利部衛(wèi)星主站和500 多個(gè)衛(wèi)星小站組成，可實(shí)現(xiàn)語言、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)姆姥葱l(wèi)星通訊網(wǎng)，承擔(dān)水雨情數(shù)據(jù)采集、防汛異地會(huì)商、應(yīng)急搶險(xiǎn)、云圖和遙感數(shù)據(jù)廣播等重要防汛通信任務(wù)，在歷年的防汛抗旱、水資源管理等工作中發(fā)揮了十分重要的作用。由于 2008 年亞洲二號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命到期，同時(shí)系統(tǒng)容量和功能滿足不了水利新業(yè)務(wù)的需求，因此，水利部著手建設(shè)新一代水利衛(wèi)星，即 iDirect X3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，現(xiàn)已投入運(yùn)行[2]。iDirect X3衛(wèi)星小站相對其它衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品而言具有更強(qiáng)的功能和更好的性能價(jià)格比，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供高速、高效的 IP 寬帶連接

Evolution X3 是高效實(shí)現(xiàn) DVB-S2 標(biāo)準(zhǔn)的 iDirect新一代衛(wèi)星路由器。通過在出向載波上實(shí)施自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）、在入向信道上實(shí)施 iDirect 專利的確定性 TDMA 技術(shù)，Evolution X3 最高效地利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源，為星形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)造了新的機(jī)遇。Evolution X3 最適合于互聯(lián)網(wǎng)接入、企業(yè)網(wǎng) VPN接入等寬帶應(yīng)用，以及實(shí)時(shí) VoIP 和視頻會(huì)議應(yīng)用。

2）卓越的服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能

擁有 Group QoS、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，iDirect 系統(tǒng)能夠在多站點(diǎn)、多網(wǎng)絡(luò)之間對不同的應(yīng)用實(shí)施有效的帶寬分配。除本地 DNS 緩存，TCP/HTTP 加速等功能充分提高性能并實(shí)現(xiàn)最大程度的用戶體驗(yàn)。

3）無縫地面集成

衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和路由器的有機(jī)結(jié)合，純 IP 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保衛(wèi)星傳輸電路與任何數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)都能無縫集成。支持豐富的 IP 協(xié)議和功能（如 TCP、UDP、組播、NAT 和 DHCP），Evolution X3 能夠滿足各種應(yīng)用和客戶需求，包括企業(yè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展及零售點(diǎn)、SCADA、遙測、多媒體和網(wǎng)吧應(yīng)用。

4）靈活適應(yīng)需求的變化

通過衛(wèi)星電路進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)，增加數(shù)據(jù)加密功能，擴(kuò)展小站功能，運(yùn)營商可以充分利用 Evolution X3 來滿足技術(shù)和預(yù)算要求。

5）簡潔、直觀的網(wǎng)絡(luò)管理

擁有一整套軟件工具，iDirect iVantage 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以輕松從 1 個(gè)位置對整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（包括Evolution 路由器）進(jìn)行配置、監(jiān)測和控制。

隨著技術(shù)水平的發(fā)展，客戶需求也隨之增加，要求水文測報(bào)系統(tǒng)功能愈來愈強(qiáng)大，原有的衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品已愈來愈不能滿足要求，如 YDD-3-01和 YCTC-BW-16 只能用在較短的短信傳輸，語音、圖片、大數(shù)據(jù)量等都無法傳輸。而 iDirect X3 衛(wèi)星小站是新一代衛(wèi)星通信終端產(chǎn)品，完全能滿足上述功能要求。在運(yùn)行成本方面，iDirect X3 衛(wèi)星小站是國家專門分配給水利系統(tǒng)免費(fèi)使用的衛(wèi)星服務(wù)，無通信運(yùn)行成本，其它衛(wèi)星小站運(yùn)行按發(fā)送次數(shù)收費(fèi)。

3 應(yīng)用環(huán)境分析

結(jié)合水利部 948 項(xiàng)目——惡劣自然條件下水文測報(bào)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用課題，開展了數(shù)據(jù)采集和衛(wèi)星通信傳輸?shù)膽?yīng)用。由于我國海拔在 3000 m 以上的高原地區(qū)占全國總面積的 1/6，主要集中在西藏、新疆、青海、云南、貴州、四川等地區(qū)，水文站點(diǎn)深居峽谷，遠(yuǎn)離村鎮(zhèn)，高寒缺氧，水文測驗(yàn)設(shè)施簡陋、技術(shù)裝備水平低，監(jiān)測手段落后，職工勞動(dòng)強(qiáng)度大。項(xiàng)目主要研究內(nèi)容針對高原地區(qū)惡劣資源條件，對水文測報(bào)技術(shù)相關(guān)的采集與通信設(shè)備及其可靠性進(jìn)行應(yīng)用研究，開發(fā)出能應(yīng)用于我國高原極其惡劣條件下的水文自動(dòng)測驗(yàn)設(shè)備及報(bào)訊自動(dòng)化系統(tǒng)。

3.1 應(yīng)用需求

項(xiàng)目需求分析如下：

1）根據(jù)高原地區(qū)水文測驗(yàn)現(xiàn)場的不同河道測驗(yàn)環(huán)境條件，分別應(yīng)用雨量計(jì)、水位計(jì)、土壤含水率測驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)多參數(shù)水文自動(dòng)測驗(yàn)；

2）將測驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理和傳輸，經(jīng)手機(jī)模塊或衛(wèi)星雙通信信道以自報(bào)式體制工作，構(gòu)成雙信道的遠(yuǎn)程數(shù)傳通信系統(tǒng)。

通信業(yè)務(wù)需求分析如下：

水文報(bào)訊通信要求傳輸準(zhǔn)確及時(shí)，且不受外界因素影響；報(bào)訊業(yè)務(wù)采用事件觸發(fā)通信，平時(shí)休眠等待，節(jié)約通信設(shè)備電能。

3.2 應(yīng)用環(huán)境

以高原冰川徑流實(shí)驗(yàn)站衛(wèi)星通信應(yīng)用為例，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在翁果冰川徑流實(shí)驗(yàn)站（站號(hào) 8705226）。

翁果冰川徑流實(shí)驗(yàn)站系西藏自治區(qū)重要水文站，為卡魯雄曲基本控制站。屬羊卓雍錯(cuò)流域，河名：卡魯雄曲。地理位置：東經(jīng) 90°21′ 北緯 28°54'。海拔 4600 m，是全區(qū)海拔最高的測站之一。該站靠近卡若拉冰川，氣候千變?nèi)f化，站點(diǎn)環(huán)境條件極其惡劣。

系統(tǒng)測驗(yàn)技術(shù)、報(bào)訊技術(shù)和設(shè)備要求具有抗惡劣環(huán)境的特性，在高原環(huán)境下可靠工作，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)和工作指標(biāo)要求如下條件：

海拔 0～6000 m；氣壓低至450mm·Hg；工作溫度范圍-20～+60℃；

通過現(xiàn)場了解與測試，翁果冰川徑流實(shí)驗(yàn)站當(dāng)?shù)責(zé)o GSM CDMA、PSTN 等公網(wǎng)覆蓋，可資利用的通信資源只有超短波和衛(wèi)星通信 2 種。部分接近縣、鄉(xiāng)的地點(diǎn)有 GSM 信號(hào)，但近山區(qū)信號(hào)很不穩(wěn)定。通信資源比較如表1 所示。

現(xiàn)場應(yīng)用組網(wǎng)示意圖如圖 1 所示。

表1 現(xiàn)場可資利用的通信方式比較表

圖1 衛(wèi)星通信網(wǎng)原理示意圖

4 衛(wèi)星現(xiàn)場運(yùn)行效果

現(xiàn)場水文自動(dòng)測報(bào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)設(shè)備主要由高原水文傳感器、高原遙測終端、衛(wèi)星通訊機(jī)、供電設(shè)備、實(shí)時(shí)水情遙測軟件等組成。

水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)中心水情接收通過衛(wèi)星接收處理和暫存原始數(shù)據(jù)，并對所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、糾錯(cuò)和合理性判斷，管理系統(tǒng)下屬測站（對系統(tǒng)測站進(jìn)行校時(shí)、參數(shù)設(shè)置等）。

對翁果冰川徑流實(shí)驗(yàn)站隨機(jī)抽取 1 個(gè)月每日 8時(shí)數(shù)據(jù)為例，如 2009年10 月每日 8 時(shí)水位測報(bào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析表如表2 所示。

表2 惡劣自然條件下水文測報(bào)系統(tǒng)水位測報(bào)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)分析表 m

翁果冰川徑流實(shí)驗(yàn)站月數(shù)據(jù)暢通率符合設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性符合規(guī)范規(guī)定[3]，目前站點(diǎn)一直在正常運(yùn)行中。

5 結(jié)語

利用衛(wèi)星通信技術(shù)建成的西藏高原惡劣自然條件下水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)能發(fā)揮示范作用，提高了高原水文測報(bào)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)安全保障能力，可為保護(hù)高原地區(qū)的水文工作者，提高高原地區(qū)水文測報(bào)能力和及時(shí)準(zhǔn)確地獲取水文資料，以及為防災(zāi)減災(zāi)提供決策依據(jù)。該課題日前已取得驗(yàn)收成果。

利用衛(wèi)星通信技術(shù)建成高原水文自動(dòng)測報(bào)站，其設(shè)備購置及站點(diǎn)建設(shè)安裝費(fèi)用最多占高原駐人水文站造價(jià)的 1/10，將具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。

[1]章新川，胡彥華，陸云揚(yáng). 陜西省江河水庫水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐[J]. 水利水文自動(dòng)化，2005 (1): 4-9.

[2]林燦堯，丁軍. 新一代水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J]. 水利信息化，2010 (1): 58-61.

[3]中華人民共和國水利部. SL61-2003 水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2003.