北斗短報(bào)文技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

柳 翔，韓榮榮，劉雨佳

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122）

1 北斗短報(bào)文導(dǎo)航系統(tǒng)通信原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除了提供常規(guī)的定位、導(dǎo)航及授時(shí)功能外，還提供了短報(bào)文通訊的功能。北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通訊功能主要依靠北斗衛(wèi)星中的地球同步軌道衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星）完成，其中北斗二代包括5顆GEO衛(wèi)星，北斗三代包括3顆GEO衛(wèi)星。兩個(gè)北斗終端間利用北斗短報(bào)文通訊時(shí)，主要流程如下：

（1）首先，短報(bào)文發(fā)送終端對(duì)發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行加密，然后將加密后內(nèi)容與短報(bào)文接收終端ID一起發(fā)送至發(fā)送端上方的北斗GEO衛(wèi)星。

（2）北斗GEO衛(wèi)星在接收到發(fā)送端發(fā)來(lái)的信息后，會(huì)將信息轉(zhuǎn)發(fā)至北斗地面中心站。北斗地面中心站接收到信息后，會(huì)根據(jù)接收端定時(shí)上報(bào)的信息，判斷出應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)的北斗GEO衛(wèi)星，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)至該北斗GEO衛(wèi)星。

（3）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的北斗GEO衛(wèi)星會(huì)在下行信道中廣播該信息，當(dāng)短報(bào)文接收終端接收到包含自己ID的信息后，就會(huì)對(duì)該信息進(jìn)行解密調(diào)制。至此兩個(gè)北斗終端之間就完成了一次北斗短報(bào)文的通信。

北斗短報(bào)文的通訊模式除了上述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式外，還有一種通播模式。通播模式下，可通過(guò)一個(gè)指揮機(jī)同時(shí)向多個(gè)普通終端發(fā)送短報(bào)文。通播模式的通信原理與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式的通信原理類似，只是指揮機(jī)在發(fā)送信息時(shí)不再指定短報(bào)文接收終端ID，改為發(fā)送通播ID。所有受其管理的普通終端中都寫(xiě)有該指揮機(jī)的通播ID，當(dāng)接收到含有該通播ID的廣播信息時(shí)，就會(huì)對(duì)該信息進(jìn)行解密調(diào)制，從而完成一次通播的通訊流程。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信流程見(jiàn)圖1。

圖1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信流程Fig.1 Process of short message communication based on Bei?dou navigation satellite system

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系研究?jī)?nèi)容

當(dāng)前電力通信的遠(yuǎn)程傳輸主要有電力線載波通信、光纖通信、數(shù)字微波通信、特高頻無(wú)線通信等。近年來(lái)暴雨、地震、洪水等異常工況時(shí)有發(fā)生，呈現(xiàn)發(fā)生頻率高、造成危害大的態(tài)勢(shì)，發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)常規(guī)的通信方式多難以保證通信的正常運(yùn)行，無(wú)法及時(shí)掌握水電站大壩的運(yùn)行情況。

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種基于北斗短報(bào)文通信的水電站監(jiān)測(cè)信息報(bào)送系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍廣、不受地面狀況影響的特點(diǎn)，克服了應(yīng)急工況下常規(guī)通信方式的短板，將北斗短報(bào)文終端的通信功能與水電站安全監(jiān)測(cè)儀器及國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)時(shí)采集與發(fā)送數(shù)據(jù)以滿足水電站實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。即通過(guò)水電站現(xiàn)場(chǎng)的北斗高精度傳感器實(shí)時(shí)采集水工建筑物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)北斗短報(bào)文通信發(fā)送到遠(yuǎn)程的大壩安全監(jiān)察平臺(tái)，根據(jù)已獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為掌握極端天氣工況下的水電站大壩運(yùn)行情況創(chuàng)造了可靠條件。

本系統(tǒng)主要由北斗高精度傳感器、采集解算傳輸平臺(tái)和監(jiān)控中心平臺(tái)組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖2。北斗高精度傳感器指水電站現(xiàn)場(chǎng)北斗測(cè)站及基準(zhǔn)站；采集解算平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集解算平臺(tái)、信息管理系統(tǒng)和北斗短報(bào)文終端組成。北斗高精度傳感器分散布置在水電站大壩的各水工建筑物上，采集解算平臺(tái)用于采集并匯聚傳感器回傳的各種監(jiān)測(cè)信息，并進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位移解算。信息管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)解算出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、打包和對(duì)北斗通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后將所有數(shù)據(jù)通過(guò)北斗用戶機(jī)發(fā)送給遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，根據(jù)監(jiān)控中心的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等動(dòng)作。

圖2 水電站監(jiān)測(cè)信息報(bào)送系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Structure of monitoring data report system

監(jiān)控中心平臺(tái)布置在國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，由北斗指揮機(jī)及大壩安全監(jiān)察平臺(tái)組成，其中北斗指揮機(jī)不但負(fù)責(zé)和數(shù)據(jù)采集單元的北斗終端機(jī)進(jìn)行通信，還負(fù)責(zé)管理這些下屬終端機(jī)。大壩安全監(jiān)察平臺(tái)中開(kāi)發(fā)了專門(mén)的北斗數(shù)據(jù)通信模塊，可以對(duì)北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、組包和解壓縮，對(duì)還原后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并推送到前端的平臺(tái)上顯示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了北斗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息不依賴于傳統(tǒng)的通信模式，而是通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通訊方式傳輸?shù)酱髩伟踩O(jiān)察平臺(tái)的功能。北斗衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)測(cè)傳感器等安全監(jiān)測(cè)設(shè)施與大壩安全監(jiān)察平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃沁B接水電站現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)和大壩安全監(jiān)察平臺(tái)的橋梁。

為了適應(yīng)水電站應(yīng)急管理的需要，系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能。即用戶通過(guò)監(jiān)察平臺(tái)下發(fā)采集指令，以北斗短報(bào)文的形式傳輸至數(shù)據(jù)采集解算平臺(tái)上的秒級(jí)解算接口，采集解算平臺(tái)將實(shí)時(shí)解算數(shù)據(jù)并通過(guò)北斗短報(bào)文即時(shí)回傳至監(jiān)察平臺(tái)。該功能的實(shí)現(xiàn)滿足了大壩中心在應(yīng)急工況下實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研判的需要。

3 試點(diǎn)實(shí)施情況

北斗短報(bào)文報(bào)送系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施共計(jì)歷時(shí)3個(gè)月。2020年6月中旬在龍灘現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了短報(bào)文終端機(jī)及配套服務(wù)器的安裝工作，同時(shí)完成了電站現(xiàn)場(chǎng)軟件調(diào)試工作，電站現(xiàn)場(chǎng)的終端機(jī)儀器利用嵌入式處理器和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)北斗衛(wèi)星向外傳輸數(shù)據(jù)。龍灘電站現(xiàn)場(chǎng)北斗短報(bào)文發(fā)送機(jī)安裝在電站管理機(jī)房。

2020年7—8月開(kāi)展能源局大壩中心端的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工作，同步在8月完成北斗短報(bào)文指揮機(jī)及配套天線等硬件的安裝工作。指揮機(jī)天線安裝在大壩中心辦公樓樓頂?shù)膰鷫ι希車h(huán)境開(kāi)闊，衛(wèi)星接收條件良好。指揮機(jī)安裝在頂樓的配電機(jī)房，與天線實(shí)線連接。北斗指揮機(jī)同時(shí)與大壩中心服務(wù)器連接，可以將接收到的水電站現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱髩沃行牡姆?wù)器上，監(jiān)控服務(wù)器安裝的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件將數(shù)據(jù)解析、顯示、存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送到大壩安全監(jiān)察平臺(tái)。同時(shí)在大壩安全監(jiān)察平臺(tái)上，也可以根據(jù)需要主動(dòng)向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送指令，指揮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)回傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。安全監(jiān)察平臺(tái)發(fā)送指令的操作界面見(jiàn)圖3。

圖3 大壩安全監(jiān)察平臺(tái)操作界面Fig.3 User interface of the dam safety supervision platform

4 北斗短報(bào)文通訊功能應(yīng)用研究的技術(shù)關(guān)鍵

為了應(yīng)對(duì)北斗短報(bào)文通信的容量限制、頻度限制和通信鏈路的不可靠問(wèn)題，本次北斗短報(bào)文試點(diǎn)重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)及重傳技術(shù)。其中數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)主要解決北斗短報(bào)文通信容量限制的問(wèn)題，主要技術(shù)思路是在發(fā)送端利用一定的壓縮技術(shù)對(duì)發(fā)送內(nèi)容進(jìn)行壓縮，通過(guò)在北斗的數(shù)據(jù)傳輸層傳送經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)據(jù)，在接收端再將接收到的信息進(jìn)行還原，從而實(shí)現(xiàn)了單次通信傳輸更多信息的目的，有效提升了系統(tǒng)的信息傳輸效率。數(shù)據(jù)校驗(yàn)及重傳技術(shù)主要解決了通信鏈路不可靠、信息傳輸易丟失的問(wèn)題，用戶在接收到報(bào)文后，對(duì)報(bào)文的完整性進(jìn)行校驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)存在報(bào)文丟失的情況，則可以要求發(fā)送端進(jìn)行重傳。

4.1 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

北斗短報(bào)文系統(tǒng)發(fā)送短報(bào)文頻次限值為78字符/60 s/次，而水電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分量多、精度要求高，往往會(huì)超出短報(bào)文的容量限值。如果在信息傳輸前，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)預(yù)警信息報(bào)文進(jìn)行壓縮，就能最大限度地減少拆包數(shù)，甚至不需要拆包。這樣不僅可以提高信息傳輸效率，也可以減小在拆包還原過(guò)程中出錯(cuò)的概率。

本系統(tǒng)采用進(jìn)制轉(zhuǎn)換的方法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以一條典型的北斗位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，未壓縮 前 為“sys00017；1628697600；-1695880.1059；5529062.4317； 2681498.3019； 25.022560164；107.051881587；376.2182”，其中“sys00017”表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)，“1628697600”表示該條測(cè)值測(cè)量時(shí)間的時(shí)間戳，后面的6個(gè)數(shù)值分別代表“X”“Y”“Z”“B”“L”“H”6個(gè)分量上的測(cè)值，對(duì)時(shí)間戳及各測(cè)值進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換后，壓縮數(shù)據(jù)變?yōu)椤皊ys00017；haFX4q；-e7NgVC9；oeBFBFE；rCA+5oG；rYeEVFF；hQ/CdGi；eh0wq”，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由95變?yōu)?2，小于北斗短報(bào)文78字符的長(zhǎng)度限制，當(dāng)對(duì)單測(cè)點(diǎn)單條測(cè)值數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，可以避免拆包操作，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴?/p>

4.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)及重傳技術(shù)

北斗短報(bào)文通信的傳輸信道為衛(wèi)星通信鏈路，這種通信方式有其天生的局限性，外界干擾因素較多，信息傳輸?shù)某晒β什豢赡苓_(dá)到100%。根據(jù)對(duì)北斗短報(bào)文通信進(jìn)行的到達(dá)率測(cè)試和統(tǒng)計(jì)分析的研究成果，北斗短報(bào)文通信單數(shù)據(jù)包的傳輸成功率約為93%。監(jiān)測(cè)信息因其特殊的性質(zhì)，通常都要求傳輸成功率穩(wěn)定在99%左右，所以北斗短報(bào)文通信本身的傳輸成功率不能滿足監(jiān)測(cè)信息發(fā)布對(duì)可靠性的要求。

本系統(tǒng)在北斗短報(bào)文通信的過(guò)程中采用了分組校驗(yàn)的思路，系統(tǒng)以64份報(bào)文為一組，在每份報(bào)文上加上一個(gè)校驗(yàn)位，當(dāng)接收端收到最后一份報(bào)文后，就開(kāi)始檢查該組的64份報(bào)文是否完整，如該組報(bào)文完整即可開(kāi)始下一組報(bào)文的發(fā)送與接收工作，如該組報(bào)文不完整，則接收端就會(huì)通知發(fā)送端重傳未接收到的報(bào)文，以此循環(huán)，直至確認(rèn)接收到該組的全部報(bào)文。經(jīng)測(cè)試，采用該校驗(yàn)及重傳技術(shù)后，北斗短報(bào)文的傳輸成功率從93%上升至100%，有效解決了北斗短報(bào)文通信可靠性偏低的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于北斗短報(bào)文通信的大壩安全監(jiān)測(cè)報(bào)送系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用北斗系統(tǒng)覆蓋范圍廣、對(duì)外部設(shè)施依賴條件少、可靠性高的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在各種工況特別是極端工況條件下的雙向通信，滿足了水電站大壩監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)報(bào)送的需求。同時(shí)，本研究利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)技術(shù)有效解決了北斗通信效率和通信可靠性的問(wèn)題，使北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)可以作為目前水電站大壩安全監(jiān)測(cè)信息報(bào)送系統(tǒng)的完善和補(bǔ)充，對(duì)實(shí)現(xiàn)水電站大壩安全高質(zhì)量監(jiān)管具有重要意義。