水利衛(wèi)星通信在水文遙測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用分析

李柏夙

（天津農(nóng)學(xué)院，天津 300380）

雖然21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有很大的進(jìn)步，并且和社會(huì)各個(gè)行業(yè)相融合，但不可否認(rèn)的是，在一些偏僻地區(qū)公網(wǎng)覆蓋率提升緩慢，水文數(shù)據(jù)通信是極為薄弱的一環(huán)，很難為防汛減災(zāi)工作開展提供可靠的數(shù)據(jù)支持。將衛(wèi)星通信技術(shù)用在水文遙測(cè)領(lǐng)域，能顯著拓展水文信息的收集范疇，在有效控制水文通信平臺(tái)實(shí)際建造成本的基礎(chǔ)上，顯著提升了水文遙測(cè)工作效率以及相應(yīng)地區(qū)水文數(shù)據(jù)資源的利用效率。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 空間衛(wèi)星

該部分主要由2～3顆地球同步衛(wèi)星構(gòu)成，職責(zé)主要是體現(xiàn)在結(jié)合用戶終端設(shè)備和地面發(fā)射站方面上，進(jìn)而順暢、精準(zhǔn)地傳輸兩者之間的無(wú)線電信號(hào)，確保兩者關(guān)系的規(guī)范性。為衛(wèi)星統(tǒng)一裝設(shè)變頻轉(zhuǎn)發(fā)儀、波束天線等設(shè)施，在衛(wèi)星通信實(shí)踐中波束天線發(fā)揮著巨大作用。

1.2 主站平臺(tái)

水利設(shè)計(jì)研發(fā)的新一代寬帶衛(wèi)星通信主站平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)的使用工程起到良好的支撐作用，以標(biāo)準(zhǔn)化的IP協(xié)議平臺(tái)為基礎(chǔ)促進(jìn)IP技術(shù)和衛(wèi)星通信兩者的深度融合。與常規(guī)支持IP協(xié)議的衛(wèi)星系統(tǒng)比較明顯優(yōu)化了運(yùn)行速率；在抗雨衰方面運(yùn)用22.2 MHz Ku、5 MHz C兩個(gè)不同波段，構(gòu)建了DVB-S2網(wǎng)絡(luò)，在Ku與C射頻單元及天線設(shè)施的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)同時(shí)上傳。衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)見圖1，主站、分中心級(jí)便攜式小站等都以衛(wèi)星為載體實(shí)現(xiàn)互相連接與通信[1]。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)圖示

1.3 用戶終端

在宏觀層面上，可以把用戶終端細(xì)分成指揮型和普通型兩大類型。民用客戶終端主要由操控單元、衛(wèi)星收發(fā)主機(jī)、通信協(xié)議及衛(wèi)星全向收發(fā)天線四大部分構(gòu)成。功能主要集中在通信協(xié)議體系和用戶終端之間的上下行數(shù)據(jù)方面；具有通用型的RS232C數(shù)據(jù)接口；處置用戶業(yè)務(wù)，傳送其請(qǐng)求，接收用戶上傳的信息。

1.4 地面站

從本質(zhì)上分析，地面站屬于一個(gè)中轉(zhuǎn)站，用于執(zhí)行不同終端設(shè)備之間的通信任務(wù)，具體工作內(nèi)容有傳輸衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)，對(duì)用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求及時(shí)做出應(yīng)答，處置用戶定位數(shù)據(jù)及交互通信數(shù)據(jù)等，也能將全部交換所得的通信內(nèi)容分發(fā)給用戶。另外，還具有用戶的注冊(cè)、管理等使用功能。

2 水文遙測(cè)領(lǐng)域水利衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用策略

2.1 創(chuàng)建水文數(shù)據(jù)傳輸通道

基于衛(wèi)星網(wǎng)管、通信模式構(gòu)造相對(duì)較完整的水文數(shù)據(jù)傳輸通道。在遙測(cè)系統(tǒng)采集水文數(shù)據(jù)后該通道能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)化備份，使各項(xiàng)水文智能測(cè)報(bào)終端、衛(wèi)星小站下載相應(yīng)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建水情數(shù)據(jù)運(yùn)用、接收、監(jiān)測(cè)等諸多數(shù)據(jù)庫(kù)，建立能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)區(qū)域水文數(shù)據(jù)的管控中心。在傳送水情信息環(huán)節(jié)中，于衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收端口執(zhí)行水情數(shù)據(jù)庫(kù)的解壓、分析處理等操作，以TCP/IP、ARP、SMTP等通信協(xié)議作為載體，和公網(wǎng)之間建造密切、可靠的連接關(guān)系，并且完整地把水文信息傳送到地面水文遙測(cè)中心，這樣有關(guān)工作人員就會(huì)以此為據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的緊急任務(wù)[2]。

2.2 搭建遙測(cè)信息資源庫(kù)

收集水文數(shù)據(jù)是水利衛(wèi)星通信的核心功能。在水情遙測(cè)工作具體實(shí)施時(shí)，在網(wǎng)狀混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)勁支持下，該系統(tǒng)能全面搜集水情信息，并按照一定規(guī)則對(duì)其進(jìn)行分類處理，并且“星形+網(wǎng)狀”混合式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還具備了傳輸遙測(cè)應(yīng)急視頻、圖像信息的功能。采集傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)的流程如下。

首先，在衛(wèi)星小站內(nèi)智能傳感器的協(xié)助下，實(shí)時(shí)捕獲水位模擬量、降雨量等信息，交將采集數(shù)據(jù)整體傳輸至水文遙測(cè)儀，遙測(cè)儀完成水位信號(hào)轉(zhuǎn)換、解碼，將其轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式加以存儲(chǔ)。其次，系統(tǒng)自設(shè)數(shù)據(jù)傳送門限，遙測(cè)儀分析完水文數(shù)據(jù)后，自行啟用衛(wèi)星小站電源，客觀測(cè)評(píng)站中數(shù)據(jù)的當(dāng)前狀態(tài)。如果經(jīng)反復(fù)評(píng)估后確認(rèn)衛(wèi)星站符合圖像、視頻信息設(shè)計(jì)的傳送要求，則可以基于衛(wèi)星通信鏈路呼叫地上遙測(cè)中心站，與其共同搭建水文信息通信通道，并將整個(gè)數(shù)據(jù)包傳送到中心站遙測(cè)終端，中心站完整接收水文信息后就可以拆除鏈路[3]。最后，針對(duì)遙測(cè)中心站遠(yuǎn)距離收集到的水文數(shù)據(jù)，將其統(tǒng)一存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且依照偏僻地區(qū)水文遙測(cè)現(xiàn)實(shí)工作要求，適時(shí)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)資源。以往有地區(qū)采用衛(wèi)星通信技術(shù)，鑒于所有遙測(cè)點(diǎn)處在偏僻區(qū)域的狀況，故而在整體測(cè)試檢驗(yàn)后搭建了北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，把地面中心站設(shè)定成水文遙測(cè)的主要通信渠道。

2.3 歸納遙測(cè)工作現(xiàn)實(shí)需求

首先，運(yùn)用衛(wèi)星通信系統(tǒng)能輔助提升水情信息通信網(wǎng)的覆蓋率，大范圍采集、傳輸水文數(shù)據(jù)、圖像、視頻等不同類型的資源，降低雨衰對(duì)常規(guī)水文信息通信產(chǎn)生的負(fù)面影響，進(jìn)而應(yīng)用C、Ku波段網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)充通信鏈路容量。在部分水文遙測(cè)場(chǎng)景中能主動(dòng)重發(fā)信息，自主適應(yīng)自編碼信道傳送信息的規(guī)律。其次，該系統(tǒng)使用功能呈多元化特征，能使傳統(tǒng)水情遙測(cè)實(shí)踐中很多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題迎刃而解。例如，衛(wèi)星通信系統(tǒng)能自主采集各類數(shù)據(jù)，并且在和終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間構(gòu)建互聯(lián)關(guān)系后，持續(xù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)64～4 Mbps范圍帶寬，建造標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星小站，顯著提升偏僻區(qū)域水文信息傳輸效率與安全性[4]。

2.4 建設(shè)防汛通信機(jī)制

通信系統(tǒng)在精準(zhǔn)處置水文視頻、圖像信息的基礎(chǔ)上，為部分偏僻區(qū)域建設(shè)運(yùn)行可靠的水文報(bào)汛傳送通道，加強(qiáng)和遙測(cè)中心、報(bào)訊站點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，最大限度地增強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自我維護(hù)能力，使各級(jí)報(bào)汛工作站和衛(wèi)星系統(tǒng)能順利進(jìn)行VoIP電話、視頻資源互動(dòng)互通，進(jìn)一步強(qiáng)化相應(yīng)地區(qū)不同水情遙測(cè)點(diǎn)工作業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，借此方式使區(qū)域水文防汛安全性得到保障，不斷提升水庫(kù)資源調(diào)取、水文信息的監(jiān)測(cè)力度[5]。

地形、氣候條件等客觀因素對(duì)水利通信系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較小，數(shù)據(jù)通信信道運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)平穩(wěn)可靠，可以嘗試在地理位置偏遠(yuǎn)、范圍廣闊、公網(wǎng)覆蓋偏差大的區(qū)域建設(shè)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠的水文報(bào)訊測(cè)站。在衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)作期間，相關(guān)人員在執(zhí)行水文遙測(cè)任務(wù)時(shí)，能夠顯著增強(qiáng)遙測(cè)通信站信息安全保障、運(yùn)維能力，自動(dòng)解決雨水、水情信息測(cè)報(bào)等相關(guān)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分河段、湖泊、水庫(kù)水情的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)。

3 典型案例

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)水利系統(tǒng)已經(jīng)建成600多座衛(wèi)星通信地面站，80%左右被建造在地理方位較偏遠(yuǎn)、公網(wǎng)通信覆蓋偏低的區(qū)域，利用它們可較好地滿足水文站報(bào)汛、水情遙測(cè)信息搜集、語(yǔ)音通信、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入等現(xiàn)實(shí)需求。七大流域在一些省、市已經(jīng)建設(shè)了規(guī)模較大的衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集站，通過(guò)搭建地面站的形式顯著提升了相應(yīng)區(qū)域的防汛通信水平與保障能力。

官?gòu)d山峽地區(qū)的特點(diǎn)是和北京城區(qū)相距較近、山洪形成快速、水量龐大、危害性高等，長(zhǎng)期以來(lái)被水利部設(shè)定為全國(guó)防汛的重點(diǎn)對(duì)象，也被作為北京市防汛工作推進(jìn)過(guò)程中的一個(gè)最重要地區(qū)。為確保實(shí)際調(diào)度工作的科學(xué)化、防汛減災(zāi)執(zhí)行過(guò)程的高效化，北京市防訊部門應(yīng)及時(shí)、全面掌握官?gòu)d水庫(kù)上游山西、桑干河流域以及山峽地區(qū)40余個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)降雨量，進(jìn)而為水文調(diào)度以及防汛管理決策工作推進(jìn)提供可靠的數(shù)據(jù)支持[6]。

分中心站內(nèi)不僅配置了主中心站設(shè)備，還加裝了傳感器、水情遙測(cè)儀等遙測(cè)類裝置，兼具遙測(cè)報(bào)送功能?？紤]到容災(zāi)特性，分中心數(shù)據(jù)與中心數(shù)據(jù)兩者進(jìn)行互為備份操作，并且基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)完整傳輸相關(guān)信息。采集、報(bào)送與處置水文數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)基本的傳輸流程構(gòu)成如下[7]。

（1）采集。傳感器負(fù)責(zé)把實(shí)時(shí)雨量及水位信號(hào)（均是模擬量）完整地傳輸至水文遙測(cè)儀，遙測(cè)儀自主完成信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，并將其處理成符合既有水文遙測(cè)格式的數(shù)據(jù)包進(jìn)行存儲(chǔ)。

（2）報(bào)送。在確認(rèn)抵達(dá)設(shè)計(jì)好的傳輸門限時(shí)，遙測(cè)儀啟動(dòng)衛(wèi)星站電源（長(zhǎng)開站無(wú)須運(yùn)用控制電源），并且要實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前衛(wèi)星站的運(yùn)作狀態(tài)。如果衛(wèi)星站自身具備充分的傳輸條件，以衛(wèi)星鏈路作為媒介呼叫中心站，和中心站衛(wèi)星裝置、水文前置機(jī)共同搭建數(shù)據(jù)通道。封裝處理數(shù)據(jù)包使其成為適用于衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包，隨后將其安全地傳輸?shù)街行恼尽Ｔ诖_定中心站接收到有關(guān)數(shù)據(jù)以后，拆除前期建成的鏈路，閉合設(shè)備電源。

（3）處置。遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)被傳送到水文前置機(jī)內(nèi)以后，按照現(xiàn)行規(guī)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理并將其安全地存儲(chǔ)于相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，運(yùn)用專用的水文軟件調(diào)用中心站具備的各項(xiàng)使用功能。

本系統(tǒng)早在2012年3月就開始投資建設(shè)，6月正式投入使用，經(jīng)嚴(yán)格觀測(cè)后，現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)、可靠，雨水水情數(shù)據(jù)到達(dá)率高于98.0%。尤其是于“2012.7.21”特大暴雨自然災(zāi)害中，本系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中充分地顯示了衛(wèi)星專網(wǎng)通信的優(yōu)越性，規(guī)避了特大自然災(zāi)害導(dǎo)致的局部公網(wǎng)“癱瘓”引起的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中斷問(wèn)題，遙測(cè)站信息實(shí)現(xiàn)了整體安全抵達(dá)，幫助防汛決策部門快捷、精準(zhǔn)、完整且扎實(shí)地掌握山峽地區(qū)雨水水情信息。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析“2012.7.21”特大暴雨災(zāi)害中的雨量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，處在暴雨中心位置的數(shù)據(jù)信息都實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)抵達(dá)，客觀呈現(xiàn)了降雨過(guò)程中本地區(qū)的雨量改變情況，為相關(guān)部門開展防汛搶險(xiǎn)工作提供了較可靠的數(shù)據(jù)支持，這也證實(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集網(wǎng)能很好應(yīng)對(duì)特大型災(zāi)害帶來(lái)的挑戰(zhàn)，其成功運(yùn)作的經(jīng)驗(yàn)主要體現(xiàn)在如下幾方面[8]：一是各類設(shè)備設(shè)施組裝及施工工藝均實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化；二是具備功能完善化的電源防護(hù)體系，包括穩(wěn)壓、接地以及避雷等手段；三是各座工作站均安裝了太陽(yáng)能與蓄電池，提升衛(wèi)星通信的環(huán)保性；四是委托具有一定資質(zhì)的專業(yè)隊(duì)伍定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修、維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于水利衛(wèi)星通信平臺(tái)建造水文遙測(cè)系統(tǒng)能提升帶寬、強(qiáng)化抗摧毀能力，并且建站過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，能對(duì)外提供全面的服務(wù)。結(jié)合遙測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況不難看出，如果系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)、日常管理工作覆蓋到位、運(yùn)營(yíng)維護(hù)規(guī)范化，必將會(huì)使衛(wèi)星水文遙測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出更大的效能，創(chuàng)造出更多效益?！?/p>