北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在新疆山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉玲瑞 田萬(wàn)榮 林立 王新輝 趙澤珍

（新疆水文水資源局 新疆烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候干旱少雨，但局地暴雨頻繁，時(shí)常釀成洪水災(zāi)害，為了使防汛信息能夠更為廣泛地為社會(huì)和各種專業(yè)技術(shù)人員服務(wù)，提高信息服務(wù)和應(yīng)用的水平，我們開發(fā)了一套基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的山區(qū)水文、氣象站自動(dòng)監(jiān)測(cè)與遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng),該系統(tǒng)集成建設(shè)了阿克蘇河流域4個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)，和1處阿克蘇水情分中心，由于阿克蘇河流域地域廣闊，河流均發(fā)源于山區(qū)，氣候、地理狀況使通訊條件受到限制,造成 GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)續(xù),自動(dòng)測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸不暢，經(jīng)過(guò)調(diào)研，決定采用北斗衛(wèi)星來(lái)解決監(jiān)測(cè)站到水情分中心的傳輸問(wèn)題。它解決了水文、氣象自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備與北斗衛(wèi)星和GSM無(wú)線通訊設(shè)備的硬件技術(shù)銜接和軟件銜接問(wèn)題，探索和提高了山區(qū)河流洪水監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，為今后遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS)，是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS)和俄羅斯 GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，優(yōu)勢(shì)在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通訊功能。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作過(guò)程是：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動(dòng)式雙向測(cè)距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，供用戶三維定位數(shù)據(jù)。

首先由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星一號(hào)和衛(wèi)星二號(hào)同時(shí)發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問(wèn)信號(hào)，并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有短報(bào)文通信、精密授時(shí)、定位精度、系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)每小時(shí) 54萬(wàn)戶等四大功能。截止2012年5月在軌衛(wèi)星12顆，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)能力，定位精度優(yōu)于 20m，授時(shí)精度優(yōu)于 100ns。北斗導(dǎo)航終端與GPS等衛(wèi)星相比，優(yōu)勢(shì)在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通訊功能；特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無(wú)依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送 40～60個(gè)漢字的短報(bào)文信息，在水文氣象站自動(dòng)遙測(cè)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3 山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

新疆山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括新疆阿克蘇河流域的一級(jí)支流庫(kù)瑪拉克河、托什干河流域以及臺(tái)蘭河流域。山地海拔2000m～7000m，整個(gè)流域東高西低，平均海拔高度3820m。該流域GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸不暢，決定采用北斗衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站到水情分中心的傳輸。該流域的幾個(gè)水文站主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：水位、流量、降水。該系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，遙測(cè)站利用遙測(cè)終端機(jī)（RTU)和信息采集裝置對(duì)雨量、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和傳輸控制后，利用北斗衛(wèi)星通信終端及傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿榉种行?，完成?duì)水位、雨量和其它水文數(shù)據(jù)的采集和傳輸。信息流程嚴(yán)格按照國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)要求，采用自下而上、分級(jí)處理這個(gè)流程實(shí)現(xiàn)水文信息的自動(dòng)采集、傳輸、處理、服務(wù)等。

該系統(tǒng)由遙測(cè)站、數(shù)據(jù)傳輸部分、阿克蘇水情中心站和水情信息查詢軟件等四個(gè)部分組成。阿克蘇水情分中心與遙測(cè)站間均是星型結(jié)構(gòu)。

3.1 遙測(cè)站

遙測(cè)站由信息采集裝置、遙測(cè)終端機(jī)（RTU)、數(shù)據(jù)傳輸裝置、遙測(cè)供電設(shè)備等四部分組成。阿克蘇河流域一級(jí)支流庫(kù)瑪拉克河和臺(tái)蘭河上已建的四個(gè)遙測(cè)站中，前端氣象采集設(shè)備是錦州陽(yáng)光公司生產(chǎn)的設(shè)備，水文遙測(cè)終端機(jī)（RTU)均為新疆水文水資源局水文信息中心自行研制的XJSW-2010(RTU)，衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)備均為北京星地恒通信息科技有限公司生產(chǎn)的北斗一體式普通型用戶機(jī)。見(jiàn)圖1。

圖1 遙測(cè)站示意圖

3.2 遙測(cè)終端機(jī)（RTU)的介紹

遙測(cè)終端機(jī) XJSW-2010（RTU)的硬件部分主要包括接口部分、處理和邏輯控制部分、存儲(chǔ)器、人機(jī)對(duì)話部分、電源控制等五個(gè)部分。軟件設(shè)計(jì)為全人機(jī)對(duì)話方式，以方便使用者操作。

XJSW-2010遙測(cè)終端機(jī)是以高性能微控制器為核心，具有眾多傳感器I/O接口和多個(gè)通信接口，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一體的高性能遙測(cè)數(shù)字終端設(shè)備。有1個(gè)12位開關(guān)量接口用于格雷碼水位數(shù)據(jù)采集；1個(gè)1位開關(guān)量接口用于雨量數(shù)據(jù)的采集；3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口可分別用于連接：超聲波傳感器、超短波電臺(tái)、GSM或GPRS、衛(wèi)星等通信模塊、計(jì)算機(jī)通信，1個(gè)16位A/D接口用于模擬量傳感器，如壓力式傳感器。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)儀器的參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)儀器的時(shí)間進(jìn)行校正，讀取儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)并通過(guò)配套軟件分析水文數(shù)據(jù)。

XJSW-2010遙測(cè)終端機(jī)可以通過(guò)有線(PSTN、專線等)、無(wú)線（短波、超短波、微波)、GPRS/GSM移動(dòng)通信網(wǎng)及衛(wèi)星通信（海事衛(wèi)星、全線通、北斗衛(wèi)星)等通信組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)热蝿?wù)，并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理。

氣象信息采集設(shè)備，采集存貯的結(jié)果是非16進(jìn)制數(shù)據(jù)，而且沒(méi)有站號(hào)，也沒(méi)有信息采集的對(duì)應(yīng)時(shí)間，要轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星傳輸認(rèn)可的可印刷 ASII碼。

我們首先了解氣象采集設(shè)備對(duì)采集的數(shù)據(jù)的編碼分析和換算方法，利用 XJSW-2010(RTU)將采集的數(shù)據(jù)增加站號(hào)、增加采集信息的對(duì)應(yīng)時(shí)間，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼。按照《北斗用戶機(jī)用戶接口協(xié)議》的信息傳輸格式，生成的信息編碼文本文件通過(guò)北斗衛(wèi)星信道傳輸?shù)桨⒖颂K水情分中心。

3.3 北斗衛(wèi)星通信終端

北斗一號(hào)/GPS雙模一體式數(shù)傳型用戶機(jī)，由主機(jī)和連接線纜、安裝支架組成。北斗衛(wèi)星通信終端采用 C波段，該頻段對(duì)雨衰非常小，約為0.2dB，惡劣天氣（尤其是雨季)不會(huì)影響通信。利用北斗衛(wèi)星接收機(jī)自動(dòng)搜索較強(qiáng)信號(hào)，在阿克蘇河流域C波段4波束信號(hào)較強(qiáng)，按設(shè)定的時(shí)間及時(shí)間間隔通過(guò)衛(wèi)星向中心站傳送數(shù)據(jù)。如：設(shè)置氣象數(shù)據(jù)一般 30分鐘發(fā)送一次，一般每次發(fā)送一組數(shù)據(jù)，一次衛(wèi)星接收機(jī)開啟5分鐘，以便數(shù)據(jù)可靠接收。

圖2 氣象儀器通訊設(shè)置圖

衛(wèi)星平臺(tái)耗電較大，我們配置了50W直流供電容量的電池和浮充電設(shè)備，注意太陽(yáng)能板放在太陽(yáng)可以直接照射的地方，這樣可支持長(zhǎng)期使用。

衛(wèi)星通信組網(wǎng)就是在遙測(cè)站配置“數(shù)據(jù)采集平臺(tái)”，將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)射到衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面網(wǎng)管中心，登記后再由網(wǎng)管中心將信息發(fā)到衛(wèi)星，然后轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收平臺(tái)。

4 數(shù)據(jù)的接收與處理

水情分中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，阿克蘇水情分中心由服務(wù)器、UPS供電部分、北斗衛(wèi)星（或GPRS/GSM)通信接收終端等組成。通過(guò)安裝在服務(wù)器的遙測(cè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)對(duì)遙測(cè)站傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、糾錯(cuò)和合理性檢測(cè)后存入實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)，最終通過(guò)共享方式提供給管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度決策。

4.1 數(shù)據(jù)的接收

數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收遙測(cè)站發(fā)送上傳的數(shù)據(jù)文件,保存到“接收文件信息表”中，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊。

運(yùn)行遙測(cè)應(yīng)用軟件，如：“阿克蘇氣象通信.EXE ”，選擇“遙測(cè)儀設(shè)置”菜單后，出現(xiàn)如圖2顯示界面?？梢赃x擇通訊方式。

4.2 信息的接收處理

水情分中心的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件進(jìn)行了模塊化編程，分為通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件模塊、數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊和信息查詢模塊。

（1)通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊

通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊包括 GSM/GPRS通信模塊和北斗衛(wèi)星通信驅(qū)動(dòng)模塊。通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊可實(shí)時(shí)接收測(cè)站傳輸來(lái)的原始數(shù)據(jù)（水位、流量、降水量等)，經(jīng)過(guò)檢糾錯(cuò)后形成順序原始數(shù)據(jù)Log（日志)文件。日志文件的形式：

冠字 流水號(hào) 報(bào)文 發(fā)送時(shí)間 接收時(shí)間

（2)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊具有數(shù)據(jù)錄入轉(zhuǎn)換入庫(kù)功能，數(shù)據(jù)庫(kù)的編輯維護(hù)功能，人工置數(shù)錄入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。它負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)信息的不同性質(zhì)采用不同的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼預(yù)處理，經(jīng)過(guò)檢錯(cuò)、分類、合理性判別等一系列處理后，分門別類解碼入庫(kù)，存入實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)表標(biāo)識(shí)，修改相應(yīng)的基本信息、實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)最終的數(shù)據(jù)同步功能。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)失敗時(shí)，系統(tǒng)具備緩存能力。

（3)信息查詢模塊

信息查詢模塊采用C/S結(jié)構(gòu),用VB6.0編寫程序，用Excel的表格功能設(shè)計(jì)顯示界面。從《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》（SL323—2011)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出數(shù)據(jù)。其基本功能有：可以查詢實(shí)時(shí)水雨情數(shù)據(jù)和歷史水情數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行遙測(cè)站配置。主要完成以交互方式查看所存水情、雨情、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和遙測(cè)站以及系統(tǒng)的特征參數(shù)等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)通過(guò)一年多的實(shí)際運(yùn)行，通信暢通率高于98%，而且所有測(cè)站的數(shù)據(jù)在幾分鐘內(nèi)收齊，證明北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是最優(yōu)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在新疆山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)中采用北斗衛(wèi)星通信，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1)該系統(tǒng)提高了我區(qū)山區(qū)水文氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的站點(diǎn)密度和覆蓋面，提高了報(bào)汛的時(shí)效性，增加了洪水預(yù)報(bào)的有效預(yù)見(jiàn)期和預(yù)報(bào)精度，爭(zhēng)取了防汛的主動(dòng)性。

（2)促進(jìn)水文氣象生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，通過(guò)山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大大減少了人工作業(yè)量，從而可以使水文原來(lái)點(diǎn)多面廣、分散的人力資源配置模式，改為相對(duì)集中的基地化管理模式，促進(jìn)了水文生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變。

（3)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方，而超短波通信又需增加中繼站的遙測(cè)站點(diǎn)采用衛(wèi)星通信，是一種比較可行的辦法。衛(wèi)星傳輸建設(shè)快，通信電路開通迅速、簡(jiǎn)便，室外只有小天線，易避免凍害。

北斗衛(wèi)星遙測(cè)等技術(shù)在新疆山區(qū)水文氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了高山寒區(qū)個(gè)別水文氣象要素及冰雪等信息空缺問(wèn)題，提高了山區(qū)河流洪水的監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，為進(jìn)一步探索高寒山區(qū)應(yīng)用遙測(cè)技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1.阮博，基于 GPRS/GSM 技術(shù)的水文遙測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用概述，水文，2007年，第4期.

2.潘娟等，水文數(shù)據(jù)在站存儲(chǔ)及GPRS遠(yuǎn)程提取技術(shù)，水利水文自動(dòng)化，2006年，第4期.

3.水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，SL61—2003.

4.劉玲瑞，塔里木河流域水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，水利信息化，增刊，2010年12月.

5.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)站，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2012年12月27日.