氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩囟ㄐ苑治?/h1>
2019-10-21 10:16:35高健
科技風(fēng) 2019年3期 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸影響因素
高健
摘 要：氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量直接影響到了整個(gè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，因而成為了該領(lǐng)域內(nèi)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文根據(jù)工作實(shí)踐，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中可能對(duì)通信質(zhì)量造成影響的各種潛在因素進(jìn)行了逐一的分析，從大氣環(huán)境方面、電磁干擾方面、電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方面以及地線影響等各個(gè)層面進(jìn)行了綜合探討與細(xì)致的研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備安裝及維護(hù)保養(yǎng)工作提出了一些合理化建議，對(duì)保障氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量起到了積極的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞：氣象觀測(cè)設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸；信號(hào)質(zhì)量；影響因素
隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展和自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備的大量使用，數(shù)據(jù)傳輸與信號(hào)通信環(huán)節(jié)的維護(hù)工作重要性不斷提高，也給地面氣象觀測(cè)設(shè)備保障人員帶來了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行定性分析，深入研究這些因素對(duì)通信信號(hào)的影響模式，以及如何進(jìn)行避免和改善，現(xiàn)總結(jié)如下。
1 運(yùn)行環(huán)境的信號(hào)干擾影響
1.1 大氣環(huán)境變化影響分析
在氣象觀測(cè)設(shè)備當(dāng)中，大量使用了GPRS技術(shù)作為無線通信的核心技術(shù)，該技術(shù)是基于GSM的無線分組交換技術(shù)，由此可以看出，氣象數(shù)據(jù)的傳輸大部分是依賴電磁波作為載體的，這就勢(shì)必會(huì)受到大氣環(huán)境的影響。從信號(hào)學(xué)理論方面分析，由于目前使用的電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣體分析直徑，因此可將后者忽略不計(jì)，把氣體分子對(duì)信號(hào)的影響作用近似的等價(jià)于電磁波和球形粒子的相互作用。從實(shí)際應(yīng)用方面分析，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和法拉第旋轉(zhuǎn)等自然現(xiàn)象都會(huì)對(duì)氣象信號(hào)傳輸構(gòu)成負(fù)面影響，形成信號(hào)的衰減和起伏；另一方面，也必須考慮到大氣湍流的運(yùn)動(dòng)對(duì)一系列大氣環(huán)境參數(shù)構(gòu)成的影響，從而間接影響到氣象數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，使得信號(hào)噪聲增大，數(shù)據(jù)包的誤碼率上升。
1.2 電磁干擾影響分析
電磁干擾往往由有源設(shè)備發(fā)出，并隨功率的提升而增大，這類干擾對(duì)電磁波信號(hào)的影響相當(dāng)大，是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性重點(diǎn)因素。在GPRS信號(hào)傳輸過程中，電磁干擾的作用模式往往是通過空間將其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號(hào)構(gòu)成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致其失真。干擾信號(hào)的輻射傳輸特點(diǎn)使得其以球狀發(fā)散的方式從源頭向四周擴(kuò)散，影響效果隨著距離的增加而逐漸減弱。
1.3 環(huán)境干擾源的分析與解決
在設(shè)備安裝和維護(hù)過程中，針對(duì)環(huán)境因素的干擾問題，一方面可針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備中的物理層模塊進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，例如強(qiáng)化其差錯(cuò)控制機(jī)制，使得設(shè)備對(duì)偶發(fā)的傳輸異常具有自檢定和自排查功能；另一方面也可通過高層協(xié)議來添加相關(guān)的數(shù)據(jù)異常解決功能，如在應(yīng)用層設(shè)置差錯(cuò)控制機(jī)制，對(duì)丟失、出錯(cuò)、失序的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)包也能夠可靠的檢查并丟棄；針對(duì)電磁干擾，可首先考慮設(shè)定科學(xué)合理的設(shè)備間距，以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行功率，前者可使得設(shè)備遠(yuǎn)離干擾源，并將干擾的影響降到最低，而后者則從源頭上減少干擾信號(hào)的功率，縮減其影響范圍。
2 氣象觀測(cè)設(shè)備間的信號(hào)干擾影響
2.1 電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響
為了確保通信質(zhì)量，地面站觀測(cè)設(shè)備間往往采取各種有線連接方式，借助通信電纜來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。各個(gè)采集器和傳感器所連接的通信電纜均需要埋設(shè)在地下井平行布設(shè)，而電源線路也在其中。根據(jù)電磁理論，電纜回路的磁場(chǎng)瞬值變化對(duì)通信線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流，會(huì)對(duì)通信線路中的信號(hào)造成程度不等的影響。數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，識(shí)別性能較好，因此受到此干擾時(shí)，基本不會(huì)影響到接收端的采樣精度，而當(dāng)線路中為模擬信號(hào)（如傳感器與采集器防雷板時(shí)間）時(shí)，則會(huì)受到較強(qiáng)的干擾影響，甚至破壞信號(hào)波形狀態(tài)，大大提高了接收端的采樣誤差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和丟包率的上升。
2.2 地線造成的電磁干擾影響
眾所周知，地線中存在阻抗，而正是這一因素導(dǎo)致了在傳輸信號(hào)的過程中，地線上會(huì)產(chǎn)生電壓，從而會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。另一方面，當(dāng)兩個(gè)電路連接在同一根地線上時(shí)，還會(huì)形成所謂的公共阻抗干擾，即耦合現(xiàn)象。而在長(zhǎng)時(shí)間的臺(tái)建工作中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傳感器設(shè)備均貫通地線，形成多個(gè)電路共享同一根地線的情況，這會(huì)導(dǎo)致地線環(huán)路干擾極大的影響模擬信號(hào)的傳輸；此外，若采集器和電源系統(tǒng)同時(shí)貫通地線，則地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗，這會(huì)導(dǎo)致原本抗干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)的傳輸同樣受到公共阻抗耦合問題的影響。下圖中給出了地線環(huán)路電流干擾模型，圖中兩個(gè)接地的電路均受到了地線阻抗的影響，地線中有電流經(jīng)過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。尤其當(dāng)?shù)鼐€附近有大功率設(shè)備開啟運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一電流強(qiáng)度也會(huì)明顯提高，帶來強(qiáng)烈的干擾，且由于電路的不平衡性，各條線路中的電流強(qiáng)度均存在差異，而由此也會(huì)產(chǎn)生差模電壓，最終也對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸構(gòu)成了負(fù)面干擾。
2.3 設(shè)備間干擾影響的分析與解決
從誤差機(jī)制方面分析，數(shù)字信號(hào)傳輸距離較近，且?guī)捪鄬?duì)較低，因此可使用多種機(jī)制的差錯(cuò)解決方案。如采取多次采樣信號(hào)，并使用加權(quán)平均方法對(duì)樣本集進(jìn)行分析。雖然單次采樣仍然會(huì)出現(xiàn)各種測(cè)量誤差，且因?yàn)楦蓴_因素的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)則和無法預(yù)測(cè)的特征，但總體上看，樣本群體依舊會(huì)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，能在理論上消除對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
結(jié)合建站實(shí)際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。從硬件配置環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，可采取以下策略。首先可以考慮為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備添加干擾濾波器，該器件的感應(yīng)部分是一個(gè)高頻截止元件，其他部分則使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，通過這種方法可以很好的將高頻噪聲與敏感電路相隔離，使得其無法進(jìn)入到敏感電路中并對(duì)其發(fā)出的信號(hào)造成負(fù)面影響。電磁干擾濾波器正是通過這種模式顯著降低或衰減了干擾信號(hào)，可靠的保護(hù)了通信質(zhì)量。
3 結(jié)語
氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸問題涉及的環(huán)節(jié)較多，又與多種不同類型的觀測(cè)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。近年來，雖然氣象觀測(cè)工作的自動(dòng)化水平不斷提高，很大程度上減輕了地面氣象人員的工作負(fù)荷，但各種維護(hù)保養(yǎng)工作的壓力卻逐漸提高，而確保氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性的必要條件之一就是可靠的數(shù)據(jù)通信。以往的檢修維護(hù)工作對(duì)設(shè)備本身的問題較為重視，但往往忽視了周圍環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸造成影像。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為在氣象觀測(cè)設(shè)備的安裝及運(yùn)維工作過程中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)無線傳輸?shù)母蓴_影響，盡可能的控制和減少區(qū)域站運(yùn)行環(huán)境的干擾因素，并積極與其他部門保持溝通，如當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門和移動(dòng)供應(yīng)商等，共同保障氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常通信。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：氣象觀測(cè)設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸；信號(hào)質(zhì)量；影響因素
隨著氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展和自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備的大量使用，數(shù)據(jù)傳輸與信號(hào)通信環(huán)節(jié)的維護(hù)工作重要性不斷提高，也給地面氣象觀測(cè)設(shè)備保障人員帶來了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行定性分析，深入研究這些因素對(duì)通信信號(hào)的影響模式，以及如何進(jìn)行避免和改善，現(xiàn)總結(jié)如下。
1 運(yùn)行環(huán)境的信號(hào)干擾影響
1.1 大氣環(huán)境變化影響分析
在氣象觀測(cè)設(shè)備當(dāng)中，大量使用了GPRS技術(shù)作為無線通信的核心技術(shù)，該技術(shù)是基于GSM的無線分組交換技術(shù)，由此可以看出，氣象數(shù)據(jù)的傳輸大部分是依賴電磁波作為載體的，這就勢(shì)必會(huì)受到大氣環(huán)境的影響。從信號(hào)學(xué)理論方面分析，由于目前使用的電磁波波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣體分析直徑，因此可將后者忽略不計(jì)，把氣體分子對(duì)信號(hào)的影響作用近似的等價(jià)于電磁波和球形粒子的相互作用。從實(shí)際應(yīng)用方面分析，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和法拉第旋轉(zhuǎn)等自然現(xiàn)象都會(huì)對(duì)氣象信號(hào)傳輸構(gòu)成負(fù)面影響，形成信號(hào)的衰減和起伏；另一方面，也必須考慮到大氣湍流的運(yùn)動(dòng)對(duì)一系列大氣環(huán)境參數(shù)構(gòu)成的影響，從而間接影響到氣象數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，使得信號(hào)噪聲增大，數(shù)據(jù)包的誤碼率上升。
1.2 電磁干擾影響分析
電磁干擾往往由有源設(shè)備發(fā)出，并隨功率的提升而增大，這類干擾對(duì)電磁波信號(hào)的影響相當(dāng)大，是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性重點(diǎn)因素。在GPRS信號(hào)傳輸過程中，電磁干擾的作用模式往往是通過空間將其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號(hào)構(gòu)成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致其失真。干擾信號(hào)的輻射傳輸特點(diǎn)使得其以球狀發(fā)散的方式從源頭向四周擴(kuò)散，影響效果隨著距離的增加而逐漸減弱。
1.3 環(huán)境干擾源的分析與解決
在設(shè)備安裝和維護(hù)過程中，針對(duì)環(huán)境因素的干擾問題，一方面可針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備中的物理層模塊進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，例如強(qiáng)化其差錯(cuò)控制機(jī)制，使得設(shè)備對(duì)偶發(fā)的傳輸異常具有自檢定和自排查功能；另一方面也可通過高層協(xié)議來添加相關(guān)的數(shù)據(jù)異常解決功能，如在應(yīng)用層設(shè)置差錯(cuò)控制機(jī)制，對(duì)丟失、出錯(cuò)、失序的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)包也能夠可靠的檢查并丟棄；針對(duì)電磁干擾，可首先考慮設(shè)定科學(xué)合理的設(shè)備間距，以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行功率，前者可使得設(shè)備遠(yuǎn)離干擾源，并將干擾的影響降到最低，而后者則從源頭上減少干擾信號(hào)的功率，縮減其影響范圍。
2 氣象觀測(cè)設(shè)備間的信號(hào)干擾影響
2.1 電纜感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響
為了確保通信質(zhì)量，地面站觀測(cè)設(shè)備間往往采取各種有線連接方式，借助通信電纜來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。各個(gè)采集器和傳感器所連接的通信電纜均需要埋設(shè)在地下井平行布設(shè)，而電源線路也在其中。根據(jù)電磁理論，電纜回路的磁場(chǎng)瞬值變化對(duì)通信線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)使電子流動(dòng)，形成感應(yīng)電流，會(huì)對(duì)通信線路中的信號(hào)造成程度不等的影響。數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，識(shí)別性能較好，因此受到此干擾時(shí)，基本不會(huì)影響到接收端的采樣精度，而當(dāng)線路中為模擬信號(hào)（如傳感器與采集器防雷板時(shí)間）時(shí)，則會(huì)受到較強(qiáng)的干擾影響，甚至破壞信號(hào)波形狀態(tài)，大大提高了接收端的采樣誤差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和丟包率的上升。
2.2 地線造成的電磁干擾影響
眾所周知，地線中存在阻抗，而正是這一因素導(dǎo)致了在傳輸信號(hào)的過程中，地線上會(huì)產(chǎn)生電壓，從而會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。另一方面，當(dāng)兩個(gè)電路連接在同一根地線上時(shí)，還會(huì)形成所謂的公共阻抗干擾，即耦合現(xiàn)象。而在長(zhǎng)時(shí)間的臺(tái)建工作中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傳感器設(shè)備均貫通地線，形成多個(gè)電路共享同一根地線的情況，這會(huì)導(dǎo)致地線環(huán)路干擾極大的影響模擬信號(hào)的傳輸；此外，若采集器和電源系統(tǒng)同時(shí)貫通地線，則地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗，這會(huì)導(dǎo)致原本抗干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)的傳輸同樣受到公共阻抗耦合問題的影響。下圖中給出了地線環(huán)路電流干擾模型，圖中兩個(gè)接地的電路均受到了地線阻抗的影響，地線中有電流經(jīng)過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。尤其當(dāng)?shù)鼐€附近有大功率設(shè)備開啟運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這一電流強(qiáng)度也會(huì)明顯提高，帶來強(qiáng)烈的干擾，且由于電路的不平衡性，各條線路中的電流強(qiáng)度均存在差異，而由此也會(huì)產(chǎn)生差模電壓，最終也對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸構(gòu)成了負(fù)面干擾。
2.3 設(shè)備間干擾影響的分析與解決
從誤差機(jī)制方面分析，數(shù)字信號(hào)傳輸距離較近，且?guī)捪鄬?duì)較低，因此可使用多種機(jī)制的差錯(cuò)解決方案。如采取多次采樣信號(hào)，并使用加權(quán)平均方法對(duì)樣本集進(jìn)行分析。雖然單次采樣仍然會(huì)出現(xiàn)各種測(cè)量誤差，且因?yàn)楦蓴_因素的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)則和無法預(yù)測(cè)的特征，但總體上看，樣本群體依舊會(huì)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，能在理論上消除對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
結(jié)合建站實(shí)際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。從硬件配置環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，可采取以下策略。首先可以考慮為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備添加干擾濾波器，該器件的感應(yīng)部分是一個(gè)高頻截止元件，其他部分則使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，通過這種方法可以很好的將高頻噪聲與敏感電路相隔離，使得其無法進(jìn)入到敏感電路中并對(duì)其發(fā)出的信號(hào)造成負(fù)面影響。電磁干擾濾波器正是通過這種模式顯著降低或衰減了干擾信號(hào)，可靠的保護(hù)了通信質(zhì)量。
3 結(jié)語
氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸問題涉及的環(huán)節(jié)較多，又與多種不同類型的觀測(cè)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。近年來，雖然氣象觀測(cè)工作的自動(dòng)化水平不斷提高，很大程度上減輕了地面氣象人員的工作負(fù)荷，但各種維護(hù)保養(yǎng)工作的壓力卻逐漸提高，而確保氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性的必要條件之一就是可靠的數(shù)據(jù)通信。以往的檢修維護(hù)工作對(duì)設(shè)備本身的問題較為重視，但往往忽視了周圍環(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸造成影像。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，本文認(rèn)為在氣象觀測(cè)設(shè)備的安裝及運(yùn)維工作過程中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)無線傳輸?shù)母蓴_影響，盡可能的控制和減少區(qū)域站運(yùn)行環(huán)境的干擾因素，并積極與其他部門保持溝通，如當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門和移動(dòng)供應(yīng)商等，共同保障氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常通信。
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