北斗衛(wèi)星通信在超標(biāo)準(zhǔn)洪水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

江瀾宏 ，崔金鵬 ，畢增鋒

（1. 江西省景德鎮(zhèn)市水文局，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2. 北京金水燕禹科技有限公司，北京 100089）

0 引言

景德鎮(zhèn)屬丘陵地帶，坐落于黃山、懷玉山余脈與鄱陽(yáng)湖平原過渡地帶，昌江流域中下游，是典型的江南紅壤丘陵區(qū)。昌江流域多年平均年降水量為1 849.7 mm，自東部山區(qū)向西部濱湖遞減，以德興懷玉山為暴雨中心，多年平均年降水量可達(dá) 1 900.0 mm以上，東部降水量一般在 1 800.0 mm 以上，西部濱湖降水量約為 1 500.0 mm。昌江流域洪水由暴雨形成，每年 4—6 月為雨季，暴雨集中，極易發(fā)生中小河流超標(biāo)準(zhǔn)洪水。

景德鎮(zhèn)水文局現(xiàn)有水文站 17 處、水位站 22 處、雨量站 114 處，水情遙測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式大部分為依托于公共通信網(wǎng)絡(luò)的 GPRS 和自建的超短波2 種通信方式，基本滿足了現(xiàn)有雨水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｓ捎?GPRS 通信系統(tǒng)依托于公共通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受限于通信公司的運(yùn)維保障工作，實(shí)際運(yùn)用中存在以下一些不足：1）在極端雨情天氣下，存在停電導(dǎo)致公共通信網(wǎng)絡(luò)停止服務(wù)等問題，從而影響雨水情信息的及時(shí)傳輸；2）由于部分中小河流監(jiān)測(cè)站點(diǎn)站址在公共通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍邊緣及以外，移動(dòng)信號(hào)的不穩(wěn)定極大影響了雨水情數(shù)據(jù)的收集工作。另外超短波通信系統(tǒng)存在技術(shù)老舊、受天氣影響較大、維護(hù)困難、傳輸數(shù)據(jù)帶寬較小等因素，也逐步不能滿足水文發(fā)展的需要[1]。

北斗衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、無通信盲區(qū)、信息加密傳輸安全等特點(diǎn)，只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，任何 2 點(diǎn)之間都可以進(jìn)行通信，不易受陸地災(zāi)害的影響[2]。為此針對(duì)北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信具有的獨(dú)立性、可靠性，受其他因素影響小的特點(diǎn)，以景德鎮(zhèn)中小河流水情遙測(cè)系統(tǒng)中的北斗衛(wèi)星通信作為研究對(duì)象，基于 2020 年 7 月 8 日昌江流域超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，研究北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信在超標(biāo)準(zhǔn)洪水的情況下，是否能夠及時(shí)、有效地傳輸雨水情信息，是否可作為 GPRS 通信的補(bǔ)充，滿足水文站點(diǎn)特殊雨水情通信的要求[3]。

1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2020 年 7 月 7—8 日，昌江流域遭遇大暴雨，流域平均降水量超過 300 mm，2 個(gè)站點(diǎn)降水量超過500 mm，31 個(gè)站點(diǎn)降水量超過 400 mm，其中蛟潭站水位超歷史最高水位。景德鎮(zhèn)市水文局昌江水文巡測(cè)中心下轄的 11 個(gè)水文站點(diǎn)中，超歷史水位的站點(diǎn)超過 1/3，其中荷塘水文站累積降雨達(dá) 110.5 mm。以此次超歷史洪水過程為分析對(duì)象，將荷塘水文站GPRS 和北斗衛(wèi)星 2 種通信信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)基于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的短報(bào)文報(bào)汛進(jìn)行本地適用性分析。

1.1 工作原理介紹

由于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，因此本遙測(cè)系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行雨水情數(shù)據(jù)傳輸。北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)通信方式是數(shù)據(jù)報(bào)告方式，以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，1 次發(fā)送210 個(gè)字節(jié)，但對(duì)于一般民用通信 1 次最多只可發(fā)送 100 個(gè)字節(jié)信息。測(cè)站終端發(fā)送采用碼分多址直接擴(kuò)頻序列調(diào)制，擴(kuò)頻偽碼采用周期偽隨機(jī)序列，發(fā)送頻率屬于 L 波段頻率，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為 C 波段由地面站接收，經(jīng)民用中心站處理后發(fā)送到北斗衛(wèi)星，再經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為 S 波段發(fā)送到測(cè)站或指揮終端，完成 1 次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。反向發(fā)送過程亦然[4]。

1.2 方案設(shè)計(jì)

1.2.1 總體架構(gòu)

基于北斗衛(wèi)星通信的遙測(cè)系統(tǒng)終端采用 YCZ-2A-101 遙測(cè)終端機(jī)，北斗衛(wèi)星設(shè)備采用 SN2P111YX北斗數(shù)傳型用戶機(jī)，值守軟件為水情遙測(cè)管理平臺(tái)，北斗衛(wèi)星短報(bào)文傳輸采用透?jìng)鼽c(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式，水文遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

圖1 基于北斗衛(wèi)星通信的水文遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 報(bào)文長(zhǎng)度

遙測(cè)系統(tǒng)采用的通信報(bào)文為 68 字節(jié)報(bào)文格式，采取報(bào)文透?jìng)靼l(fā)送的方式，報(bào)文長(zhǎng)度滿足北斗衛(wèi)星短報(bào)文規(guī)定的 100 字節(jié)以內(nèi)的要求。按照 SL 651—2014《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》制定的江西省水文統(tǒng)一接收數(shù)據(jù)報(bào)文格式要求，也可滿足 M2 格式下的上行報(bào)文長(zhǎng)度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 暢通率分析

以荷塘水文站北斗衛(wèi)星終端在 5 月 2 日—8 月13 日中有效天數(shù) 75 d 的暢通率進(jìn)行計(jì)算。可按照SL 61—2015《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[5]中對(duì)于數(shù)據(jù)暢通率要求進(jìn)行考核，即：暢通率考核統(tǒng)計(jì)是指在運(yùn)行考核期內(nèi)，中心站實(shí)際收到遙測(cè)站定時(shí)自報(bào)或召測(cè)正確數(shù)據(jù)的次數(shù)，與中心站應(yīng)收到遙測(cè)站定時(shí)自報(bào)或召測(cè)數(shù)據(jù)的次數(shù)之比。隨機(jī)自報(bào)的數(shù)據(jù)只做參考，不做統(tǒng)計(jì)考核。每天統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的時(shí)段為 08：00 至次日 08：00。

荷塘水文站在考核期間應(yīng)到整點(diǎn)報(bào)文 1 800 條，實(shí)到整點(diǎn)報(bào)文 1 731 條，到報(bào)率為 96.17%，暢通率符合 SL 61—2015《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集的月平均暢通率應(yīng)不低于 95% 的要求。荷塘水文站 2020 年 7 月 1—30 日 GPRS 和北斗衛(wèi)星 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比如圖 2 所示。通過圖 2 中 GPRS 和北斗衛(wèi)星 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比，可以看出北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信到報(bào)率和準(zhǔn)確性都是比較高的，基本滿足水文遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的要求。

圖2 荷塘水文站 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比

1.3.2 雨衰分析

由于衛(wèi)星通信技術(shù)傳輸?shù)碾姴ㄐ盘?hào)需要在北斗系統(tǒng)地面段主控站和軌道衛(wèi)星之間進(jìn)行傳播，所以電波信號(hào)必須穿過包圍在地球表面的大氣層。電波在大氣層中傳輸時(shí)，會(huì)受到大氣層中大量的離子和自由電子的能量反射和吸收，并且在天氣狀況發(fā)生變化時(shí)各種形式的大氣微粒或者分子的影響下，電波信號(hào)在傳輸過程中會(huì)不斷地被吸收和反射、散射、折射等，造成電波信號(hào)的能量損耗[6]。

在不同降雨量級(jí)的天氣狀態(tài)下，以荷塘水文站為例，對(duì) GPRS 與北斗衛(wèi)星 2 種信道終端傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比如表 1 所示。從表中可以看出：在 10，20，30 及 30 mm/h 以上 4 種雨量級(jí)別天氣狀態(tài)下，北斗衛(wèi)星通信均保持良好的通信效果。

表1 荷塘水文站 7 月 2—8 日 GPRS 和北斗衛(wèi)星 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù) mm

1.3.3 誤差分析

荷塘水文站 7 月 2—22 日北斗衛(wèi)星與 GPRS 2 種信道報(bào)送的雨量累計(jì)數(shù)基本保持一致（參見圖 2）。將雨量數(shù)據(jù)細(xì)化到 5 min 雨量數(shù)據(jù)，荷塘水文站 7 月8 日暴雨過程 GPRS 和北斗衛(wèi)星 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比曲線如圖 3 所示，可以發(fā)現(xiàn)存在雨量數(shù)據(jù)左右偏移誤差。經(jīng)過分析判斷，因?yàn)楸倍沸l(wèi)星和GPRS 2 種信道通信采用 2 臺(tái)遙測(cè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有條件下，遙測(cè)終端時(shí)間校時(shí)均精確到秒級(jí)，2 臺(tái)遙測(cè)終端存在秒級(jí)時(shí)間差，從而導(dǎo)致某一時(shí)刻的降雨數(shù)據(jù)定義為上一個(gè) 5 min 數(shù)據(jù)和下一個(gè) 5 min 數(shù)據(jù)的偏差。同時(shí)，由于北斗衛(wèi)星通信受天氣及通信頻度的影響，存在衛(wèi)星通信延時(shí)的因素[7]。因此北斗衛(wèi)星通信應(yīng)用在水文遙測(cè)系統(tǒng)中時(shí)，需要特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)用北斗衛(wèi)星自身定期校時(shí)功能，使水文遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)備始終和水文中心服務(wù)器的時(shí)間保持一致。并且，在條件允許的情況下，水文中心北斗衛(wèi)星終端盡量使用北斗指揮型衛(wèi)星終端作為數(shù)據(jù)接收終端，水文中心指揮型衛(wèi)星終端可以同時(shí)給多個(gè)遙測(cè)站數(shù)傳型衛(wèi)星終端發(fā)送數(shù)據(jù)回執(zhí)和北斗衛(wèi)星時(shí)間校時(shí)，避免降雨時(shí)刻定義的問題和通信頻度的影響。

圖3 荷塘水文站 7 月 8 日暴雨過程 GPRS 和北斗衛(wèi)星2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比圖

2 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

在應(yīng)對(duì) 2020 年鄱陽(yáng)湖流域超歷史大洪水過程中，景德鎮(zhèn)水文局運(yùn)用北斗衛(wèi)星通信進(jìn)行雨量水位數(shù)據(jù)的傳輸，保證了水文預(yù)報(bào)工作的及時(shí)進(jìn)行。

在昌江流域“7.8”超標(biāo)準(zhǔn)洪水過程中，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)受災(zāi)中斷后，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為備用信道累計(jì)報(bào)送雨水情實(shí)時(shí)報(bào)文數(shù)據(jù) 167 條，為防汛決策提供了強(qiáng)有力的信息保障。其中下游轉(zhuǎn)移受災(zāi)群眾 88 039 人，減少受災(zāi)人口 99 351 人，減淹耕地面積為 15 268 hm2，減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到 9.09 億元，降低了景德鎮(zhèn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)損失，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合北斗衛(wèi)星現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，總結(jié)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題及應(yīng)對(duì)策略，可在一定程度上保障北斗衛(wèi)星通信穩(wěn)定性和暢通率。通過荷塘水文站 GPRS與北斗衛(wèi)星 2 種信道傳輸?shù)挠炅繑?shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)特有的短報(bào)文服務(wù)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線發(fā)送數(shù)據(jù)功能，可在超標(biāo)準(zhǔn)洪水和網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下有效、及時(shí)地傳輸雨水情信息。

2）通過數(shù)據(jù)分析，在 10，20，30 及 30 mm/h以上 4 種雨量級(jí)別天氣狀態(tài)下，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)均可穩(wěn)定有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3）在實(shí)驗(yàn)周期中，北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)的通暢率達(dá)到 96.17%，基本滿足水情預(yù)報(bào)工作。

4）北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信費(fèi)用從原來的兩三元/條，到現(xiàn)在的四五百元/a 且不限通信次數(shù)，大大降低了北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信的費(fèi)用。綜上所述，北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信提高了在特殊天氣下對(duì)于中小河流站點(diǎn)的雨水情數(shù)據(jù)的完整性、及時(shí)性、有效性，可作為水文遙測(cè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)主備用信道通信方式普及推廣。

根據(jù)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，提出以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1）由于北斗衛(wèi)星天線功耗較大，遙測(cè)站點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)考慮更換大容量蓄電池，保證長(zhǎng)期供電的穩(wěn)定性。

2）北斗衛(wèi)星通信發(fā)射功率最低為 30 W，在12 V 供電條件下，應(yīng)滿足輸出電流 3 A 的要求，同時(shí)要考慮大電流在供電線路上的損耗。

3）天線架設(shè)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮避雷措施。

4）北斗衛(wèi)星通信作為主信道或單獨(dú)信道通信時(shí)，應(yīng)考慮使用北斗衛(wèi)星校時(shí)功能。

5）在條件允許的情況下，水文數(shù)據(jù)中心北斗衛(wèi)星接收終端應(yīng)選用北斗指揮型應(yīng)用終端作為數(shù)據(jù)接收終端。