· 文|孟憲偉 范曉東.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

北斗衛(wèi)星通信在自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

· 文|孟憲偉1，2范曉東11.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

傳統(tǒng)地面無線通信網(wǎng)絡(luò)在偏遠(yuǎn)山區(qū)等地理環(huán)境惡劣地區(qū)存在覆蓋盲區(qū)，且易受到地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響，而北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)在北斗衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)具有全天候無盲區(qū)短報(bào)文通信功能。本文利用北斗衛(wèi)星通信功能構(gòu)建了自動氣象站的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。文章首先介紹了北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)闡述了“多點(diǎn)對一點(diǎn)”的氣象數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其控制軟件的工作流程，并結(jié)合示范工程給出了其技術(shù)應(yīng)用狀況，實(shí)踐中北斗通信能夠可靠地實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的傳輸。

自動氣象站 北斗 短報(bào)文 多點(diǎn)對一點(diǎn) 數(shù)據(jù)傳輸 示范工程

一、引言

自動氣象站按照通信方式可以分為兩類，即有線遙測自動站和無線遙測自動站，有線遙測方式適用于傳輸距離較近或自動站靠近生活區(qū)、有線網(wǎng)絡(luò)易于實(shí)現(xiàn)的環(huán)境，無線遙測方式則適用于無人煙區(qū)、海島高山等不易實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境。其中無線遙測可以通過GSM、GPRS、CDMA和衛(wèi)星移動通信等方式實(shí)現(xiàn)。表1對各種無線通信方式的性能進(jìn)行了比較。

據(jù)表1可知，在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，選擇GSM/ GPRS/CDMA中的任意一種都可以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，但在沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，以上方式都會失效。氣象數(shù)據(jù)單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但其安全性和實(shí)時(shí)性要求很高，并且很多觀測站位于地面通信環(huán)境惡劣地區(qū)，綜合上述因素的考慮，在我國境內(nèi)無盲區(qū)的北斗衛(wèi)星通信方式成為首選。本文在介紹了北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作流程及通信特點(diǎn)的基礎(chǔ)上給出了一種基于北斗衛(wèi)星通信的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

表 1 幾種常用無線通信方式的比較

二、北斗衛(wèi)星通信特點(diǎn)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由三大部分組成：空間端、地面端和用戶端?？臻g端即北斗空間衛(wèi)星，地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干地面站，用戶端為北斗各型號終端用戶機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空間部分由兩顆靜止軌道衛(wèi)星和一顆備份星組成；北斗二代空間部分由5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有通信、定位和授時(shí)三大功能，自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸主要是運(yùn)用了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信功能，北斗一代衛(wèi)星以及北斗二代衛(wèi)星中的靜止軌道衛(wèi)星均提供通信服務(wù)。

>> 圖1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)框圖

2.北斗衛(wèi)星通信特點(diǎn)

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、沒有通信盲區(qū)、信息加密傳輸安全。用戶終端機(jī)分為指揮型用戶機(jī)和通信型用戶機(jī)，指揮型用戶機(jī)可以監(jiān)收其所有下屬用戶機(jī)的通信數(shù)據(jù)，并可以向其任一下屬用戶機(jī)發(fā)送命令或與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。但其短報(bào)文通信也有其局限的地方：①單次通信容量有限，民用通信容量僅有100字節(jié)左右；②通信頻度受控，民用通信頻度在1min左右；③沒有通信回執(zhí)，可靠通信需要采取相關(guān)輔助措施。

3.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由一個(gè)氣象監(jiān)控中心和若干個(gè)野外無人值守觀測站組成，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)槎鄠€(gè)觀測站的氣象數(shù)據(jù)向一個(gè)監(jiān)控中心傳輸?shù)摹岸帱c(diǎn)對一點(diǎn)”的通信模式，其傳輸方式有主動自報(bào)式和交互查詢式。主動自報(bào)式是指觀測站按照一定的協(xié)議機(jī)制主動將采集到的氣象數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)控中心，而交互查詢式則是以監(jiān)控中心為主動方，觀測站解析監(jiān)控中心的指令，并做出響應(yīng)。主動上報(bào)式應(yīng)用的場合要求一次通信成功率高，而交互查詢式則要求系統(tǒng)的通信資源相當(dāng)豐富，并且通信費(fèi)用低廉。結(jié)合北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，本文采用以主動上報(bào)式為主，輔助以交互查詢功能實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的有效傳輸。

（1）系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)是針對發(fā)端——野外氣象站采集設(shè)備與收端——監(jiān)控中心顯控軟件間通信鏈路設(shè)計(jì)的，目的是將各野外氣象觀測站已經(jīng)數(shù)字化的氣象數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)安全有效、及時(shí)準(zhǔn)確的傳至氣象監(jiān)控中心。該系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示。

>> 圖2 傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)給各野外觀測站均配備一臺北斗通信型用戶機(jī)和一臺編碼器，由各觀測站的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)供電；監(jiān)控中心配備一臺北斗指揮型用戶機(jī)和一臺解碼器，通過適配器取電于監(jiān)控中心市電。編、解碼器內(nèi)部硬件電路相同，各配有一個(gè)微處理器，由其完成數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與命令的識別與響應(yīng)，通過燒制不同程序分別實(shí)現(xiàn)編解碼功能。各模塊間的有線互聯(lián)端子間采用RS232電平串口連接。工作于主動自報(bào)式模式時(shí)，前端編碼器負(fù)責(zé)將觀測站定時(shí)采集到的數(shù)字氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和加密，并轉(zhuǎn)換為北斗協(xié)議格式的通信申請信號，再傳至北斗通信型用戶機(jī)，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控中心指揮機(jī)，指揮機(jī)解析廣播信息，將通信信號送到解碼器進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)在終端解碼器得到解碼解密還原為原始?xì)庀髷?shù)據(jù)，并在顯控軟件上得到顯示。用戶也可以通過監(jiān)控中心的顯控軟件查詢與設(shè)置各觀測站氣象設(shè)備的狀態(tài)或發(fā)送數(shù)據(jù)丟失重發(fā)指令。

（2）系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)要充分考慮到氣象通信需求與北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn)間的關(guān)系。單包數(shù)據(jù)量及其通信頻度是最重要的兩個(gè)指標(biāo)項(xiàng)，氣象設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨著氣象要素的增加而增大，一般七要素氣象站的單包數(shù)據(jù)量已是北斗民用通信容量的3～4倍，但是其傳輸頻度要求不高，一般為整小時(shí)點(diǎn)上報(bào)或正十分鐘上報(bào)，綜合考慮以上要求，基于北斗衛(wèi)星通信的氣象數(shù)據(jù)傳輸采用分幀傳輸是不錯(cuò)的選擇。然而，北斗民用通信協(xié)議中并沒有丟失重發(fā)機(jī)制，且數(shù)據(jù)丟失后北斗衛(wèi)星系統(tǒng)沒有回執(zhí)信息，基于此，我們在系統(tǒng)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)還要增加數(shù)據(jù)校驗(yàn)和丟幀重發(fā)功能。以上功能均有編、解碼器來完成，在編碼器與解碼器數(shù)據(jù)通信中增加了一層內(nèi)部協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可控運(yùn)行。

三、應(yīng)用

1 .示范項(xiàng)目背景

隨著社會和國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對氣象問題、氣象災(zāi)害的認(rèn)識將越來越高，對因氣象而產(chǎn)生的災(zāi)害的控制要求也越來越高，這樣就迫切需要更準(zhǔn)確地了解和掌握本地的氣象特性和氣象規(guī)律。近年來，因氣象所造成損失的絕對值越來越大；另一方面，氣象環(huán)境的問題也越來越突出，例如2008年的南方雪災(zāi)、凍雨問題，2010年南方特大旱情問題。由于氣象災(zāi)害每年都有發(fā)生，并且氣象災(zāi)害問題在一些地區(qū)將會越來越嚴(yán)重。許多監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信方式采用了超短波，但由于超短波通信的特點(diǎn)，高山等惡劣地勢阻擋必須增加中繼站，多級中繼使得設(shè)備投資、土建投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用增加，同時(shí)可靠性也降低了。隨著北斗系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，借助北斗系統(tǒng)所提供的通信平臺，利用北斗終端機(jī)的雙向短信息傳遞功能，可以很好地解決氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信問題。

在此背景下，國家基于北斗衛(wèi)星通信的高山氣象站示范工程應(yīng)運(yùn)而生。由安徽省氣象局、北京華云公司（提供氣象傳感設(shè)備）、安徽四創(chuàng)電子股份有限公司（提供北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備）協(xié)力合作在金寨縣建成了安徽首個(gè)高山自動氣象站。

2 .應(yīng)用效果

高山氣象站示范工程由兩個(gè)野外高山站和一個(gè)中心主控站組成。兩個(gè)發(fā)端均位于天堂寨風(fēng)景區(qū)海拔1700多米的高山上，收端位于金寨縣氣象局，是一種簡化的“多點(diǎn)對一點(diǎn)”模式。

圖3 給出了高山觀測站發(fā)端北斗通信型用戶機(jī)的實(shí)物圖。

七要素自動氣象站在大別山主峰安裝調(diào)試成功，并正式投入運(yùn)行，系統(tǒng)工作至今性能穩(wěn)定。這是中國氣象局在安徽建立的第一個(gè)基于北斗衛(wèi)星通信的高山自動氣象觀測站，可對氣溫、氣壓、降水、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、地溫等氣象要素實(shí)現(xiàn)自動觀測，系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)供電，測試數(shù)據(jù)采用北斗衛(wèi)星通信傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于觀測站位于大別山主峰，又地處江淮分水嶺，該站點(diǎn)已成為重要的天氣指標(biāo)站，同時(shí)為天堂寨風(fēng)景區(qū)晉升為國家5A級風(fēng)景區(qū)，提供了必要的氣象服務(wù)保障，應(yīng)用效益顯著。

>> 圖3 高山觀測站北斗通信型用戶機(jī)

3. 應(yīng)用推廣

基于北斗衛(wèi)星通信的自動氣象站示范工程在金寨縣天堂寨建設(shè)完成至今運(yùn)行健康，工程成果卓著。該應(yīng)用已經(jīng)相繼在福建泉州、天津薊縣以及新疆建設(shè)兵團(tuán)駐地等地方得到推廣，為當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)傳輸提供了可靠保障。

四、結(jié)束語

本文采用北斗衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)了“多點(diǎn)對一點(diǎn)”的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鏈路中增加了編解碼控制器，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)以主動自報(bào)傳輸方式為主，節(jié)約了通信資源，節(jié)約了通信費(fèi)用，采用數(shù)據(jù)分幀傳輸，解決了數(shù)據(jù)流量大于信道傳輸速率的矛盾，同時(shí)系統(tǒng)帶有查詢設(shè)置、數(shù)據(jù)丟失重發(fā)功能，使得數(shù)據(jù)傳輸更可靠。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅能夠很好的將北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)的傳輸，也可用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、水文預(yù)報(bào)、危化品運(yùn)輸、智能交通、電力監(jiān)控、海洋漁業(yè)等眾多領(lǐng)域。