北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用能力分析

◆邱文博 田 政 李冠宇 王亞丁

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300111)

0 引言

作為我國(guó)洪澇災(zāi)害的主要預(yù)防、發(fā)布和處理單位，水文監(jiān)測(cè)站對(duì)我國(guó)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(guó)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(lái)越多地被應(yīng)用到水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域當(dāng)中，通過(guò)更加精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)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(cè)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(guó)自主研發(fā)的區(qū)域性、實(shí)時(shí)性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，多次在我國(guó)重大災(zāi)害事件期間的災(zāi)情報(bào)告、數(shù)據(jù)通信等環(huán)節(jié)發(fā)揮出巨大作用。具體來(lái)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(jī)端三個(gè)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(guò)光束天線與地球上的基站、用戶機(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)端間的信息處理站。當(dāng)機(jī)端用戶在工作中遇到問(wèn)題、或發(fā)生特殊數(shù)據(jù)需求時(shí)，地面接收站便會(huì)根據(jù)接收到的要求信號(hào)進(jìn)行針對(duì)性的數(shù)據(jù)分析、處理并及時(shí)反饋出響應(yīng)信號(hào)，為測(cè)報(bào)站工作人員的順利工作保駕護(hù)航。

（3）用戶機(jī)端也可稱為移動(dòng)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(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，繼而為水文測(cè)報(bào)站工作人員的地面活動(dòng)、工作方向提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，用戶極端還可根據(jù)工作人員的具體需求實(shí)時(shí)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(cè)報(bào)工作中遇到的特殊問(wèn)題。一般情況下，一臺(tái)指揮用戶機(jī)在接收到衛(wèi)星定位相關(guān)數(shù)據(jù)后，可將信息實(shí)時(shí)傳送到其他用戶分機(jī)端，繼而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)人員信息的有效聯(lián)結(jié)。

2 水文測(cè)報(bào)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(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用，是以數(shù)據(jù)報(bào)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(shì)，其工作原理如下：

2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成的，該過(guò)程中需要借助地面站的轉(zhuǎn)站。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)接收來(lái)自與水文測(cè)站終端發(fā)送的波段（頻率為 L），然后對(duì)該波段進(jìn)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(xiàng)的數(shù)據(jù)傳輸之后，需要將C波長(zhǎng)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(cè)站終端。需要接收多種波束的信息碼時(shí)，則將S波發(fā)送給指揮終端。水文測(cè)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(gè)），而指揮終端則不會(huì)受到該方法的局限，需要根據(jù)水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際需要進(jìn)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(shí)發(fā)送相同的信息，實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收，并在確認(rèn)（中心站）、定時(shí)自報(bào)以及核對(duì)（遙測(cè)站）后予以采納處理，極大的提高了廣播回執(zhí)的效率，無(wú)需頻繁進(jìn)行傳輸。水文測(cè)報(bào)工作效率也會(huì)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(shí)

由后端設(shè)備發(fā)送指令，經(jīng)由北斗衛(wèi)星水文測(cè)報(bào)站終端向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)告。該過(guò)程中，CDMAS是信道編碼和調(diào)制的主要方式，根據(jù)水文測(cè)報(bào)的實(shí)際需要，收集所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，充分利用了北斗衛(wèi)星水文測(cè)報(bào)站信道容量大的優(yōu)勢(shì)。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(cè)報(bào)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(shì)也將展現(xiàn)出來(lái)。北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用過(guò)程中，需要利用其精確授時(shí)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(shí)效。

3 水文測(cè)報(bào)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(cè)報(bào)技術(shù)也在不斷的更新和進(jìn)步，尤其是近幾年來(lái)，我國(guó)自主研發(fā)水平不斷提高，推動(dòng)水文測(cè)報(bào)技術(shù)發(fā)展速度不斷加快。在各種水文測(cè)報(bào)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(huì)各界的廣泛關(guān)注。由我國(guó)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(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，在通信時(shí)效方面，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)完成一次信息運(yùn)輸所需要的時(shí)間在三分鐘左右，數(shù)據(jù)傳輸效率低下，會(huì)對(duì)通信時(shí)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(shí)間，與海事衛(wèi)星相比，通信效率得到顯著提升，通信時(shí)效性出現(xiàn)本質(zhì)性變化。

從通信通道方面來(lái)看，以10分鐘內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)為例進(jìn)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(gè)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(kuò)大了信道，在10分鐘內(nèi)可以完成1400多個(gè)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(shí)間內(nèi)的信息傳輸長(zhǎng)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(cè)報(bào)中的應(yīng)用，目前已經(jīng)有800多家水文測(cè)報(bào)單位均選擇使用北斗通信系統(tǒng)，采用更先進(jìn)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(dòng)化程度和系統(tǒng)效率方面的提高

水情測(cè)報(bào)是水文測(cè)報(bào)的重點(diǎn)工作之一，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性由較高要求，其測(cè)報(bào)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(dòng)測(cè)報(bào)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(cè)站幾部分組成。其中，水情測(cè)報(bào)站采用被動(dòng)衛(wèi)星通信通道，遙測(cè)站數(shù)量高達(dá)145個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)區(qū)域水情的全方位監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，人工操作較少，可以降低人工干擾，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)測(cè)報(bào)的準(zhǔn)確率。因此，被動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)工作中具有極高的應(yīng)用價(jià)值，可以進(jìn)一步提升水文測(cè)報(bào)的技術(shù)水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)開(kāi)始在民用領(lǐng)域得到有效的應(yīng)用，在水文測(cè)報(bào)當(dāng)中基于數(shù)據(jù)報(bào)告的工作方式，充分利用其功能優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建完善的北斗衛(wèi)星水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，其工作時(shí)效得到顯著提升，其應(yīng)用能力在水文測(cè)報(bào)的工作實(shí)踐中得以充分驗(yàn)證。隨著科技的發(fā)展，水文測(cè)報(bào)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(jìn)步，其對(duì)于水文測(cè)報(bào)領(lǐng)域的發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用。

[1]徐明明.水文測(cè)報(bào)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(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利信息化，2010.