北斗衛(wèi)星短報文在輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

尚志建

（石家莊市經(jīng)緯度科技有限公司 河北省石家莊市 050000）

目前，我國輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)輸送的模式有GPRS通信、光纖通信，以及電力線載波通信。這幾種技術(shù)都擁有各自突出的優(yōu)越性，比如說傳遞速率快、穩(wěn)定性強、拒干擾素力強，以及管理便捷等優(yōu)勢。但其弊端也都較為嚴重，比方說成本投入大、占用空間大、建造難度高，以及維護周期久等。因此相對來說，這幾種通信手段實用性與經(jīng)濟性都不算很高[1]。而北斗文星短報文通信技術(shù)，不僅具備這幾種技術(shù)的所有優(yōu)勢，其還能夠完成更多的通信功能，同時也彌補了這些技術(shù)的缺點，定位效果穩(wěn)定、可靠，精準性非常高。同時還具備、其余衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的短報文通訊功能，定位精準性能夠滿足cm、d 級別，授時精準性能達到10ns，測速精準性能達到0.2m/s。當(dāng)下被大規(guī)模用于國家發(fā)展的各種領(lǐng)域[2]。

1 北斗衛(wèi)星短報文通信技術(shù)

1.1 基本原理

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是借助若干人造地球衛(wèi)星、進行對同一載體的監(jiān)測，進而掌握其當(dāng)前位置，然后按照每個衛(wèi)星監(jiān)測形成的相位差，來了解其運動方向，同時指揮其到達預(yù)定路徑。北斗系統(tǒng)為每一位用戶都設(shè)置了專屬的身份證，其為北斗用戶機分配的地址是獨有的，也就是用戶終端裝配的、北斗IC 卡的編號是唯一的。用戶機器采用的擴頻模式是碼分多址，擴頻偽碼采用的是周期偽隨機模式，北斗用戶機通過波段頻率、達成與北斗衛(wèi)星的通信。北斗衛(wèi)星把信號打包然后傳遞給地面中心，收到北斗衛(wèi)星傳遞的數(shù)據(jù)后，地面中心會把數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)中心，在處理完數(shù)據(jù)后，地面中心會將其轉(zhuǎn)發(fā)出去，然后北斗衛(wèi)星會把重新收到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的用戶機，由用戶端完成對信號的解密與解調(diào)[3]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

（1）輻射范圍大。當(dāng)下，北斗系統(tǒng)的信號傳輸能力、不僅可以覆蓋全中國的領(lǐng)土，而且還能達成服務(wù)全世界的用戶，其能夠為全球使用者，提供精準的通信與定位功能。

（2）保密性強。北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，屬于我國獨立的知識產(chǎn)物，也就是說，在任何時候我國使用北斗系統(tǒng)，都不會被國際任何勢力所干擾，因此通訊的保密性，以及安全性有非?？煽康谋Ｕ稀?/p>

（3）抗干擾強。北斗衛(wèi)星信號選擇了L/S 波譜，因此受雨衰影響非常??；選擇了碼分多址模式的CDMA擴頻手段，從而降低了碼間影響[4]。

1.3 通信限制

（1）服務(wù)頻度有限。用戶工作站的服務(wù)頻度直接受北斗IC 卡影響，通常民用北斗IC 卡頻度是60s/次，也就是說用戶工作站、每次申請通訊時，都要間隔60 秒，不然信息傳遞就會失敗，且其獲取信息的服務(wù)頻度將處于無限制狀態(tài)。

（2）一次通信內(nèi)容受約束。北斗IC 卡規(guī)范了單次通訊報文的范圍，民用北斗IC 卡通訊容量是78.5Byte，也就是使用北斗短報文進行通信，每次傳輸?shù)膬?nèi)容不能高于78.5Byte[5]。

（3）民用北斗邏輯鏈路不具備短信回執(zhí)。當(dāng)北斗用戶工作站、傳輸信息時，其不能確定目標是否接收成功。

盡管有一定的通信約束，北斗短報文通信技術(shù)依舊在許多行業(yè)內(nèi)，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。比方說，基于自然災(zāi)害嚴重的區(qū)域，最有效的應(yīng)急通信模式就是北斗短報文通訊。大部分數(shù)據(jù)傳輸所用到的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施、在被自然災(zāi)害毀壞后，就不能完成數(shù)據(jù)傳輸，但北斗短報文通訊就能彌補這點不足。而且應(yīng)用北斗系統(tǒng)還能節(jié)約大量的財物、與人力的消耗。

2 北斗輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的硬件模塊包括電源模塊、北斗通信模塊，以及數(shù)據(jù)獲取模塊等。所有模塊均選擇RS485 與RS232接口完成數(shù)據(jù)傳輸。硬件裝置的構(gòu)成包括電池包、積冰傳感器，以及充電器等。其中氣象、與積冰傳感器數(shù)據(jù)收集構(gòu)件；充電器等屬于電源構(gòu)件。采集卡內(nèi)板載了數(shù)據(jù)處理操縱構(gòu)件，北斗通信構(gòu)件選擇了通信傳呼機，由此構(gòu)成了監(jiān)測系統(tǒng)整體[6]。

2.1.1 氣象傳感器

該設(shè)備的作用是獲取氣象數(shù)據(jù)，按具體性能分類主要有雨量、溫濕度、大氣壓、風(fēng)速，以及風(fēng)向傳感器。常用的溫濕度傳感器是DS18B20，其體積小，精準性高。風(fēng)速傳感器的設(shè)計參考了超聲波時差原理，該設(shè)備配備了4 個探頭，能夠精準捕捉全方位的風(fēng)向。

2.1.2 覆冰傳感器

該設(shè)備用到了微波檢測方法，可以區(qū)別開空氣、水、冰的反饋信號，從而達成對傳感設(shè)備敏感部位結(jié)冰情況的監(jiān)測，并按照信號強度大小，還有傳感設(shè)備敏感部位結(jié)冰的具體情況，完成對結(jié)冰厚度的運算。可在線評判結(jié)冰的風(fēng)險，辨別效果優(yōu)異，測量精準性誤差不超過0.01mm，量程在50mm 以內(nèi)；可區(qū)分冰與水的形式，化冰后不會積水。運作原理：微波有波粒二象性，屬于電磁波的一種，在微波穿透厚度與材質(zhì)不同的媒質(zhì)時，其吸收、透徹、折射、與反射情況都不一樣，據(jù)此可分辨材質(zhì)的屬性。

進行微波測量時，物質(zhì)的含冰與含水量不同，其能吸收的微波傳輸能量也不同，在進行微波穿透物質(zhì)的信號測量時，利用算式把測量衰減值變?yōu)楸旌衔?、水與積冰等形態(tài)，然后倒推就能知道積冰厚度，這就是含水率測量的原理。

2.1.3 數(shù)據(jù)處理控制模塊

依靠串口可以實現(xiàn)、數(shù)據(jù)獲取構(gòu)件、與數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件間的數(shù)據(jù)互換，利用北斗通訊構(gòu)件和RS232 建立通訊。數(shù)據(jù)構(gòu)件把獲取的輸電線路情況數(shù)據(jù)、借助串口傳遞給數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件。

數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件板載了核心采集、與電源管理部分，裝配的總電源攜帶硬件定時電路，因此能夠防止采樣板卡頓或是假死，每過4h 會進行一次重啟，進而確保設(shè)備穩(wěn)定。

電源有四種級別，外側(cè)傳感設(shè)備的電源、都依靠電驛操縱其傳出，從而降低系統(tǒng)耗損。收集芯片選擇耗能低的MSP430 充當(dāng)主控單片機。采集通道選擇復(fù)用485，采集電路不只具備3 路AD，還把電源延伸到了端子，以備功能拓張時所用。

2.1.4 電源模塊

蓄電池采用ddgm1140，該電池不用補液，完全封閉，占用空間小，能量集中性強，傳電功率較高。其性能包括：內(nèi)部風(fēng)阻與傳出電流低；不污染環(huán)境且自放電少；拒腐蝕性好；工藝化與特殊化的設(shè)計，提升了蓄電池的使用壽命；在極端環(huán)境中可正常工作。

2.1.5 北斗通信模塊

北斗通訊構(gòu)件選擇了C230C 北斗數(shù)傳型用戶工作站，該設(shè)備的設(shè)計是基于船載導(dǎo)航與通信，同時也允許北斗RNSS/RDSS 性能，實際上屬于船載一體機的一種。C230C 用戶工作站內(nèi)部板載了北斗基帶、多頻天線、主控，還有射頻等功能機構(gòu)，可達成RNSS 導(dǎo)航定位、短報文通訊，還有RDSS 定位性能。

C230C 占用空間小、操縱便捷、構(gòu)造單一、能耗低，被大規(guī)模用在營救救援、船載導(dǎo)航監(jiān)控，還有衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。該終端選擇了防水材質(zhì)，能夠適應(yīng)的工作溫度是零下25 度到零上70 度之間，室外工作性能也很好。終端接口選擇了8 芯航空插頭，可為所有機器供電，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。RDSS 北斗IC 卡需要安裝固定在北斗卡座中。默認RS232 為對外串口，調(diào)制速率是4800～115200bps，默認調(diào)制速率是19200bp。

2.2 數(shù)據(jù)采集編碼

依靠串口，數(shù)據(jù)收集構(gòu)件可以達成、與數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件間的數(shù)據(jù)互換，然后利用RS232 達成和北斗通訊構(gòu)件之間的通訊。在數(shù)據(jù)收集構(gòu)件、獲取到的輸電線路情況數(shù)據(jù)、借助串口傳遞給數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件時，會利用中斷的模式，把數(shù)據(jù)貯存到flash 內(nèi)，同時為其設(shè)定組別號。主程序運作流程是：從閃存flash 內(nèi)、加載輸電線路情況數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)編碼形式完成編碼，使其成為一個數(shù)據(jù)組。把兩組編完碼的數(shù)據(jù)、基于北斗報文形式進行封裝，進而達成在北斗通訊鏈路內(nèi)、傳遞輸電線路狀況數(shù)據(jù)。

2.3 軟件流程

依靠RS232 串口，操縱端PC 可實現(xiàn)和北斗通訊構(gòu)件的連接。在北斗通訊構(gòu)件獲取到、傳出傳送的短報文訊號時，操縱中心第一步、會先對短報文幀格式進行解析，得出輸電線路狀況信息組，然后按照信息組的編碼模式、加載出狀況數(shù)據(jù)，并將其貯存到操縱中心的貯存設(shè)備中。假設(shè)傳輸頻率是65，進行傳輸時，如果在已知時間下，北斗數(shù)據(jù)通訊構(gòu)件沒有獲取到、對應(yīng)的短報文或是數(shù)據(jù)通訊訊號，從而造成獲取的訊號、出現(xiàn)亂碼或是亂序情況，可以按照數(shù)據(jù)組的標號，來辨別亂序或是丟失的數(shù)據(jù)組，之后通過對應(yīng)的無線通訊方式，或是北斗短報文、給前端發(fā)出提示、命令再次傳輸北斗遺落的子包，執(zhí)行補包程序；如果補包失敗，則重新運行補包程序，如果K 次后，依舊失敗，則運行其余輸電線的數(shù)據(jù)獲取程序。

3 北斗輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用價值

3.1 可實現(xiàn)氣象監(jiān)測與判斷

基于微氣象的輸電線路實時監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)用了數(shù)據(jù)貯存技術(shù)、傳感設(shè)備技術(shù)。以及嵌入式技術(shù)。系統(tǒng)依靠各類傳感設(shè)備、完成對輸電線路桿塔、所有氣象狀況數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)貯存?zhèn)鬟f給操縱中心，其中的分析平臺會分析輸電設(shè)備的狀態(tài)。與傳統(tǒng)預(yù)防檢修流程相比，在線檢測技術(shù)更為先進、便捷。該系統(tǒng)的核心構(gòu)件就是、能檢測各類氣象數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備，按照微氣象傳感設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)內(nèi)容，系統(tǒng)可以監(jiān)測到桿塔、與輸電線路的各類氣象指標、在具體運行中的變化，借助氣象監(jiān)測系統(tǒng)分析輸電線路、有無故障或遭到自然災(zāi)害的毀壞。由于社會與經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也在隨之增大，但這期間也會遭遇各類自然災(zāi)害與事故，最常見的就是自然災(zāi)害的影響，比方說龍卷風(fēng)、暴雪、雷暴等，這些都會毀壞電網(wǎng)構(gòu)造。

3.2 可強化故障數(shù)據(jù)采集與傳輸

捕捉能夠?qū)旊娋€路、造成影響的風(fēng)險因子，裝配在輸電線桿塔中的監(jiān)測設(shè)施，比方說獲取各種信息的傳感設(shè)備、電源、與操縱器等。傳感設(shè)備的作用是獲取、匯總各種輸電線路的風(fēng)險因子。通常對于大部分輸電線路來說，需要被采集的風(fēng)險因子都包括：覆冰厚度、溫度、降水量、溫度、風(fēng)向、濕度，通過對這些數(shù)據(jù)的掌控，能夠有效防止山火、臺風(fēng)，還有覆冰等自然災(zāi)害。

3.3 可實現(xiàn)人機交互功能人性化

系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃要充分考慮較為先進的方案，從而為未來新技術(shù)的應(yīng)用做好鋪墊。為了方便后續(xù)工作人員對系統(tǒng)的維修、運行、與調(diào)試，系統(tǒng)的人機交互模塊，必須滿足人性化的要求，操作界面要簡單、直觀，系統(tǒng)的功能上還要滿足多樣性、與易操作特點。因為我國輸電線路分布范圍廣闊，區(qū)域不同，對于輸電線路的監(jiān)控重點也就不同，各地區(qū)會按照自己的實際情況，選擇相應(yīng)的傳感設(shè)備，因此為了便于各地的實際應(yīng)用，需要完善模塊化構(gòu)造，這樣有利于后續(xù)的維護開展，同時還要裝配各種型號的接口，為更新優(yōu)化做好準備。

4 北斗輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用問題

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定性強的短報文服務(wù)，以及精準性高的授時服務(wù)，還有定位服務(wù)。其中授時服務(wù)的精準性實現(xiàn)了以納秒為單位；定位服務(wù)能夠提供精準的海拔高度數(shù)據(jù)，還有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，從真正意義上達成了三維立體；而短報文技術(shù)，更是領(lǐng)先世界的通訊技術(shù)，且知識產(chǎn)權(quán)是我國獨有，基于我國網(wǎng)絡(luò)涵蓋區(qū)域來看，北斗短報文通訊達成了無盲點、無死角地覆蓋了全國范圍，彌補了在沙漠戈壁地區(qū)、高山森林低于，以及偏遠西部地區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號弱或沒有網(wǎng)絡(luò)信號的不足，同時也會帶動電力監(jiān)控、航海、林業(yè)等領(lǐng)域出現(xiàn)更多的技術(shù)創(chuàng)新，并且也為應(yīng)急救援、自然災(zāi)害等提供了更可靠的通信模式。

北斗短報文信息，是因為被衛(wèi)星通訊鏈路所約束，所以每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常有限。因此一定要合理控制、每次傳遞有限的數(shù)據(jù)空間，設(shè)置新的數(shù)據(jù)組碼模式。同時也要兼顧、在進行數(shù)據(jù)輸送時、有時候會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或是遺漏的情況，所以在每次進行數(shù)據(jù)傳遞期間，都要附帶上編碼數(shù)據(jù)傳遞，當(dāng)傳遞數(shù)據(jù)失敗時，能夠?qū)?shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件貯存的、備份數(shù)據(jù)加載出來，然后再次發(fā)送。

5 北斗輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展建議

5.1 浮點型數(shù)據(jù)處理

浮點型數(shù)據(jù)是指傳感設(shè)備在捕捉降水量、風(fēng)速，還有溫度等數(shù)據(jù)時，能夠擁有較高的辨別率，一般情況下，辨別率的范圍在10-1，就能被稱作浮點型數(shù)據(jù)。倘若基于浮點型數(shù)據(jù)的特征，來進行傳遞以及貯存，那么需要的貯存空間是4 字節(jié)。以10—1 位這個精準率為例，把采集到的信息擴大10 倍后，能夠把數(shù)據(jù)改變成整型數(shù)據(jù)，這時候傳遞用到的貯存空間只有2 字節(jié)。在大氣溫度數(shù)據(jù)中，采集到的極限溫度在50 度以下，所以對于數(shù)值在100 以上的大氣溫度，其反饋出的數(shù)據(jù)空間就代表著零下溫度。

5.2 整型數(shù)據(jù)處理

傳感設(shè)備捕捉到的大氣壓力、風(fēng)向、濕度等數(shù)據(jù)，都屬于整型數(shù)據(jù)，其貯存需要占用的空間是2 字節(jié)。位置維度數(shù)據(jù)由全球維度，以及世界經(jīng)度構(gòu)成，通過北斗定位終端、能夠?qū)崿F(xiàn)對全球、經(jīng)緯度位置信息的獲取以及判斷，同時根據(jù)其格式能夠呈現(xiàn)為小秒（1 位字節(jié)）、秒（1 位字節(jié)）、分（1 位字節(jié)）、度量分（1 位字節(jié)）、經(jīng)度區(qū)間（1 位字節(jié)，南緯或北緯、西經(jīng)或東經(jīng)），共有5 個單位為12 的字節(jié)，其中經(jīng)緯度各自需要的空間的4 字節(jié)。時間信息由秒、分、時構(gòu)成，共同占用的空間是3 字節(jié)。

5.3 設(shè)置傳感器組ID號

基于北斗衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，因為鏈路構(gòu)造有著非常大的不確定因素，很有可能會造成鏈路亂序，或者是鏈路遺棄的情況出現(xiàn)。因此就需要把相同的傳感設(shè)備，在相同的時間段內(nèi)、獲取到的信息劃到一組，然后給每一組的數(shù)據(jù)、都設(shè)定數(shù)據(jù)組編號。倘若有亂序，或是數(shù)據(jù)丟包的情況發(fā)生，就能夠精準對應(yīng)到相關(guān)的數(shù)據(jù)組，同時還能給數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件、發(fā)送再次傳輸亂序，或是丟失的數(shù)據(jù)組申請，如此一來，操縱構(gòu)件在收到該申請后，就會允許其重新發(fā)送，倘若發(fā)送失敗，還可以持續(xù)重復(fù)這個過程，一直到數(shù)據(jù)分析操縱構(gòu)件能夠接收到這組數(shù)據(jù)。給每一個傳感設(shè)備組設(shè)置ID 號的優(yōu)勢包括：北斗通訊構(gòu)件可以和更多的數(shù)據(jù)采集構(gòu)件組進行連接，從而可以有效增加北斗通訊構(gòu)件的利用率、并且還有利于拓張監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)間。以這種模式進行編碼與數(shù)據(jù)處理，能夠使短報文通訊每次可以、傳遞兩個數(shù)據(jù)組，進而可以有效解決、北斗通訊頻度受約束的問題。

6 結(jié)論

綜上所述，由于北斗衛(wèi)星具有強大的性能，在未來的新基建中，其一定會發(fā)揮更大的作用?；趪馈⑥r(nóng)業(yè)、教育、交通、金融、工業(yè)，以及醫(yī)藥等領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)會更大程度地、增加這些領(lǐng)域的運作效率。按照當(dāng)下的短報文技術(shù)來看，其一定會和5G 技術(shù)達成更深化的合作，通過北斗+5G 的模式，全面提升我國基礎(chǔ)設(shè)施的完善度，充分發(fā)揮出網(wǎng)絡(luò)的智能優(yōu)勢，從而達成全球智能與廣域協(xié)同掌控。而且隨著北斗技術(shù)的不斷發(fā)展優(yōu)化，其還會為未來的產(chǎn)業(yè)升級、轉(zhuǎn)型，以及跨越發(fā)展服務(wù)等提供更廣泛的技術(shù)支持?；诒倍废到y(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)與無人系統(tǒng)，未來輻射的范圍會越來越廣，從而也能實現(xiàn)更大程度為經(jīng)濟發(fā)展賦能的效果。