◆邱文博 田 政 李冠宇 王亞丁

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300111)

0 引言

作為我國洪澇災(zāi)害的主要預(yù)防、發(fā)布和處理單位，水文監(jiān)測站對我國居民生活安全、水利工程建設(shè)發(fā)展等方面具有重要意義。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，航空航天、衛(wèi)星通信等高端技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到水文監(jiān)測領(lǐng)域當(dāng)中，通過更加精準(zhǔn)、實時的定位輔助，為工作人員提供了有效的數(shù)據(jù)導(dǎo)向支持，大大提高了水文監(jiān)測站的工作質(zhì)量和工作效率。

1 北斗衛(wèi)星通信概述

“北斗衛(wèi)星”是我國自主研發(fā)的區(qū)域性、實時性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，多次在我國重大災(zāi)害事件期間的災(zāi)情報告、數(shù)據(jù)通信等環(huán)節(jié)發(fā)揮出巨大作用。具體來講，北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面接受站、各類用戶機端三個環(huán)節(jié)組成：

（1） 空間衛(wèi)星通常為三顆，即一顆在軌備份衛(wèi)星和兩顆地球靜止衛(wèi)星，它們通過光束天線與地球上的基站、用戶機端進行實時的數(shù)據(jù)連接，并根據(jù)具體工作要求快速定位任務(wù)目標(biāo)所在的地理區(qū)域，將地面數(shù)據(jù)、導(dǎo)航情況等信息傳送給機端用戶和相關(guān)部門。

（2）北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)地面接收站的總部設(shè)在北京，是介于空間衛(wèi)星端與用戶機端間的信息處理站。當(dāng)機端用戶在工作中遇到問題、或發(fā)生特殊數(shù)據(jù)需求時，地面接收站便會根據(jù)接收到的要求信號進行針對性的數(shù)據(jù)分析、處理并及時反饋出響應(yīng)信號，為測報站工作人員的順利工作保駕護航。

（3）用戶機端也可稱為移動端、定位端，按照用途可分為指揮型和普通型兩種，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要接受端口，用于處理和分析空間衛(wèi)星端發(fā)送來的實時數(shù)據(jù)，繼而為水文測報站工作人員的地面活動、工作方向提供數(shù)據(jù)支持。同時，用戶極端還可根據(jù)工作人員的具體需求實時向地面基站傳送相關(guān)信息，并以此獲得地面站的有效反饋，繼而解決測報工作中遇到的特殊問題。一般情況下，一臺指揮用戶機在接收到衛(wèi)星定位相關(guān)數(shù)據(jù)后，可將信息實時傳送到其他用戶分機端，繼而實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人員信息的有效聯(lián)結(jié)。

2 水文測報數(shù)據(jù)傳輸中北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的工作方式

北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用，是以數(shù)據(jù)報告作為其主要的工作方式，也可采用“一發(fā)多收”的方式，并需要充分利用北斗衛(wèi)星在信道容量方面的優(yōu)勢，其工作原理如下：

2.1 點對點的固定數(shù)據(jù)傳輸

北斗衛(wèi)星與用戶終端之間的通信，是通過點對點的固定數(shù)據(jù)傳輸來完成的，該過程中需要借助地面站的轉(zhuǎn)站。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)接收來自與水文測站終端發(fā)送的波段（頻率為 L），然后對該波段進行處理，轉(zhuǎn)化其頻率（L→C），再由地面站接收該波段。在一次單項的數(shù)據(jù)傳輸之后，需要將C波長處理后發(fā)送給北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，再經(jīng)處理后，轉(zhuǎn)化其頻率（C波→S波）。然后由北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將S波發(fā)送給水文測站終端。需要接收多種波束的信息碼時，則將S波發(fā)送給指揮終端。水文測站終端的局限在于可發(fā)送信息碼的波速數(shù)量（僅有 1個），而指揮終端則不會受到該方法的局限，需要根據(jù)水文測報數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需要進行選擇。

2.2 “一發(fā)多收”

主站終端與其他用戶終端共同建立用戶群，主站終端能夠在用戶終端的映射范圍內(nèi)，將各用戶終端均采用相同統(tǒng)一波束，同時發(fā)送相同的信息，實現(xiàn)一發(fā)多收，并在確認(rèn)（中心站）、定時自報以及核對（遙測站）后予以采納處理，極大的提高了廣播回執(zhí)的效率，無需頻繁進行傳輸。水文測報工作效率也會顯著提升，更加完整有序的完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 精確授時

由后端設(shè)備發(fā)送指令，經(jīng)由北斗衛(wèi)星水文測報站終端向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)報告。該過程中，CDMAS是信道編碼和調(diào)制的主要方式，根據(jù)水文測報的實際需要，收集所有站點的數(shù)據(jù)，充分利用了北斗衛(wèi)星水文測報站信道容量大的優(yōu)勢。雖然當(dāng)前的用戶數(shù)量有限，尚未形成信道擁堵。但是隨著北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用能力的日漸成熟，用戶數(shù)量也將不斷增加，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在該方面的優(yōu)勢也將展現(xiàn)出來。北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用過程中，需要利用其精確授時功能，能夠在 3～5s內(nèi)完成北斗衛(wèi)星地面站（發(fā)送）和用戶中心站（接收）之間的信息傳輸，極大的提高了工作時效。

3 水文測報數(shù)據(jù)傳輸中北斗衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用能力分析

3.1 北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸效率方面的提高

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水文測報技術(shù)也在不斷的更新和進步，尤其是近幾年來，我國自主研發(fā)水平不斷提高，推動水文測報技術(shù)發(fā)展速度不斷加快。在各種水文測報技術(shù)中，衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用一直備受關(guān)注，相關(guān)研究受到了社會各界的廣泛關(guān)注。由我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在通信效率上得到顯著提升。從傳統(tǒng)海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)來看，在通信時效方面，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)完成一次信息運輸所需要的時間在三分鐘左右，數(shù)據(jù)傳輸效率低下，會對通信時效性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而使用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)后，完成一次信息傳輸僅僅需要 3～5s的時間，與海事衛(wèi)星相比，通信效率得到顯著提升，通信時效性出現(xiàn)本質(zhì)性變化。

從通信通道方面來看，以10分鐘內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)為例進行比較，海事衛(wèi)星采用TDMA通信通道，在10分鐘內(nèi)最多能夠完成700個數(shù)據(jù)包的傳輸。使用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)后，由于該通信系統(tǒng)擴大了信道，在10分鐘內(nèi)可以完成1400多個數(shù)據(jù)包的傳輸，是海事衛(wèi)星傳輸數(shù)量的兩倍之多。而且在外接數(shù)據(jù)條件相同條件下，相比于海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)在單位時間內(nèi)的信息傳輸長度也明顯提升。因此，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸代替了海事衛(wèi)星在水溫測報中的應(yīng)用，目前已經(jīng)有800多家水文測報單位均選擇使用北斗通信系統(tǒng)，采用更先進的通信技術(shù)提高通信效率。

3.2 北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在自動化程度和系統(tǒng)效率方面的提高

水情測報是水文測報的重點工作之一，對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性由較高要求，其測報結(jié)果將作為防汛防旱工作的主要依據(jù)。在北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用下，水情自動測報系統(tǒng)由地面中心站、管網(wǎng)中心站、水情數(shù)據(jù)中心站和雨量遙測站幾部分組成。其中，水情測報站采用被動衛(wèi)星通信通道，遙測站數(shù)量高達145個，可以實現(xiàn)對各個區(qū)域水情的全方位監(jiān)測。該系統(tǒng)自動化程度高，人工操作較少，可以降低人工干擾，提高系統(tǒng)運行效率和數(shù)據(jù)測報的準(zhǔn)確率。因此，被動衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測報工作中具有極高的應(yīng)用價值，可以進一步提升水文測報的技術(shù)水平。

4 結(jié)束語

綜上所述，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)開始在民用領(lǐng)域得到有效的應(yīng)用，在水文測報當(dāng)中基于數(shù)據(jù)報告的工作方式，充分利用其功能優(yōu)勢，構(gòu)建完善的北斗衛(wèi)星水文測報系統(tǒng)，其工作時效得到顯著提升，其應(yīng)用能力在水文測報的工作實踐中得以充分驗證。隨著科技的發(fā)展，水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的北斗衛(wèi)星通信技術(shù)也將不斷成熟和進步，其對于水文測報領(lǐng)域的發(fā)展有著積極的推動作用。

[1]徐明明.水文測報數(shù)據(jù)傳輸中的北斗衛(wèi)星通信技術(shù)探討[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2016.

[2]周亞平，謝峻，王吉星.衛(wèi)星通信在高原水文測報系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利信息化，2010.