试述北斗卫星通信技术在水情自动测报系统中的应用

摘 要：本文介绍了北斗卫星通信系统特点，组成，并对北斗卫星软件设计、通信机制设计进行了分析。

关键词：水情自动测报系统;北斗卫星;通信技术;监控中心

中图分类号： C35 文献标识码： A

1 北斗卫星通信系统特点及建设目标

北斗卫星通信系统凭借自身特点，解决了卫星测报系统存在的缺陷，能满足水情自动测报的需求。北斗卫星通信系统具有速度快、支持多用户等特点，与水情自动测报系统所要求的特性正好可以吻合。它的短通信功能完全符合短数据、大容量信息传输的要求，受雨衰引起的损耗及噪声的影响都非常小。

工程项目水情、墒情测报系统是一个水情、墒情数据自动采集、传输、接收处理及时的实时测报系统，其系统功能应符合水利部《水文自动测报系统规范》(以下简称规范)的要求，功能如下：系统在暴雨、洪水等恶劣条件下也能够进行工作，设备可靠性要达到设计要求。系统中各设备应符合结构简单、可靠、低耗的原则，并要有防雷措施，遥测站要在无人的条件下工作。遥测站能在环境温度C10~45℃及相对湿度 90%。遥测站能自动采集实时水情数据并自动定时将水情、流量、墒情数据发送至中心站，数据精度应满足《规范》要求。中心站后台微机实时接收水情、流量、墒情数据，并对这些数据进行检索、修改、显示、打印。当电网断电时，数据处理设备仍能连续工作 4 h 以上

2 基于北斗卫星通信技术的水情自动测报系统

基于北斗卫星通信技术的水情自动测报系统由北斗卫星水情自动测报站、北斗卫星通信链路和监控中心组成。

2.1 北斗卫星水情自动测报站

北斗卫星水情自动测报站由北斗通信模块、遥测终端机、前端传感器、电源等组成。北斗卫星水情自动测报站与监控中心采取点对点方式传输，定时向监控中心发送位置信息，在紧急情况下及时的向监控中心发送水情数据。

2.1.1 北斗通信模块

北斗通信模块选用北斗卫星用户终端。用户终端天线设备和主机设备体积都很小，操作方便，安装维护也简便易行。用户终端整机功耗小，其发射机理为瞬间突发，使终端的功率消耗得到有效地控制，对工作环境恶劣的野外测站而言具有很好的实用性。

2.1.2 遥测终端机

遥测终端机可连接多种传感器，支持多种通信方式，如北斗卫星、GSM/GPRS等。保证在无人值守情况下长期稳定地运行。灵活配置的模块化结构能适应各种不同的需求，为各级部门的防汛决策提供了及时、有效的水情信息。

2.1.3 前端传感器

前端传感器包括水位传感器、雨量传感器、流量传感器、水质传感器等各种传感器。

2.1.4 电源

电源采用密封免维护蓄电池，选用太阳能板浮充。水情自动测报站的遥测终端机具备一个可控的电源输出，可控制蓄电池电压的输出与切断。遥测终端机在野外采用蓄电池、太阳能板充电。为减少遥测站的功耗，在发送完数据后，将切断卫星用户终端的电源。仅在满足发射条件的情况下开启，并发送数据。由于采用了节省功耗的工作模式，可以满足全年7@24h不间断供电的要求。

2.2 北斗卫星通信链路

北斗卫星通信链路由北斗卫星、北斗卫星网管中心组成。主要功能是将对所有水情自动测报站发送的水情数据进行备份，可登录到北斗网管中心下载相应的水情数据。

2.3 北斗卫星监控中心

北斗卫星监控中心由卫星指挥型终端、数据接收服务器、数据应用服务器、水情数据库等组成。监控中心是系统数据的汇合点和控制中心，具有控制系统运行方式与过程的功能。

2.3.1 卫星接收终端

北斗卫星指挥型终端除了具有普通用户机功能外，同时监收下辖用户机的定位和通信信息，并可以向下属用户机发送通播信息。特有功能如下：(1)兼收功能。可同时兼收500个用户，包括用户的所有通信及定位情况。（2）内置电池。内置大容量锂电池，在断电情况下仍可持续使用，保证指挥机运行稳定。（3）大数据处理能力。指挥机硬件配置高，采用高性能处理单元，处理能力远远高于普通终端，可同时处理100多条数据。（4）全信道锁定。可以同时锁定北斗系统全部6个信道，普通终端只能锁定2个。全信道锁定可大大增强通信的成功率，保证在任何一个信道上的数据都可接收至指挥机。（5）通播功能。可向下辖用户发送通播信息，发送一条通播数据后所有下辖都可以同时接收。

2.3.2 数据接收服务器

数据接收服务器从2个信道进行接收。第1信道:互联网。数据通过互联网进行传输，数据接收服务器通过TCP/IP协议和北斗网管中心建立稳定连接，实时接收野外站点传输的数据。第2信道：卫星系统。通过北斗卫星系统实时地将数据发送到数据接收服务器，数据接收服务器通过RS232协议接收数据。

2.3.3 水情数据库

数据接收服务器接收到数据之后对数据进行解压缩、解码、分析入库处理，将水雨情数据写入实时水情数据库，提供给数据应用服务器分析使用。

2.4 北斗卫星软件设计

2.4.1 北斗卫星测站控制软件

北斗卫星监控中心与北斗卫星水情自动测站构成一点对多点的传输模式。北斗卫星水情自动测报站将本地水情数据发送到北斗卫星监控中心，由监控中心发送相应的回执确认信息，北斗卫星水情自动测报站根据不同的回执采取相应的行动，或自动转入休眠或重新发送水情数据。

2.4.2 北斗卫星信息处理软件北斗卫星信息处理软件的功能是接收北斗卫星传送的数据，将数据进行相应的处理后进行发送。

2.5 北斗卫星通信机制设计

采用北斗卫星与遥测终端机连接，主要解决通信频度控制策略、信息格式设计的问题。

2.5.1 通信频度控制策略

由于北斗卫星短信单次收费标准高于移动短信收费标准的5倍以上，因此，一般不采用与移动短信通信遥测站相同的发送策略。水雨情数据只在必要时发送。根据北斗卫星通信费用较高(015元/次)的特点，一般设置发送间隔为1次/h，如无变化(不下雨)时不发送数据。每天08B00无条件发送平安报，作为与接收(分)中心之间的/心跳0信号。

2.5.2 信息格式设计

北斗卫星单条短信字节数分为A、B、C三档，对应的字节长度分别为43， 70， 98字节。其收费标准相差较大，分别为015， 018， 110元。另外，北斗卫星运营商还提供包年的收费方式。在满足应用要求的前提下，合理设计，尽可能降低费率。综合考虑包年方式以及实际需求，系统中北斗短信采用98字节长度。

3 北斗卫星水情自动测报站通信畅通率应用实验

为了验证基于北斗卫星的水情自动测报技术的工作性能，选取了温州市已建成的19个北斗卫星水情自动测报站点，设定数据向位于监控中心的北斗卫星指挥型终端发送。19个北斗卫星水情自动测报站均设置为15 min定时自报，中心站72 h (2013年1月16)18日)接收。实验证明，19个北斗卫星水情自动测报站的平均畅通率达到97199%，满足了设计要求。

4结束语

综上所述，北斗卫星的水情自动测报站点的建立，弥补了移动信号覆盖范围不全的缺陷，为水利部门掌握全流域的水雨情数据提供了有力的技术支持。

参考文献：

[1]成方林，冯林强，张翼飞./北斗导航系统在海洋水文、气象检测中的应用[J].海洋技术， 2004 (9): 70-73.

[2]刘尧成等，华小军，韩友平.北斗卫星通信在水文测报数据传输中的应用[J].人民长江， 2007 (10): 120-121.