北斗衛星通信在自動氣象站數據傳輸中的應用

· 文|孟憲偉 范曉東.安徽四創電子股份有限公司2.中國科學技術大學

北斗衛星通信在自動氣象站數據傳輸中的應用

· 文|孟憲偉1，2范曉東11.安徽四創電子股份有限公司2.中國科學技術大學

傳統地面無線通信網絡在偏遠山區等地理環境惡劣地區存在覆蓋盲區，且易受到地質災害等因素的影響，而北斗衛星通信系統在北斗衛星覆蓋范圍內具有全天候無盲區短報文通信功能。本文利用北斗衛星通信功能構建了自動氣象站的數據傳輸系統。文章首先介紹了北斗衛星通信的特點，在此基礎上重點闡述了“多點對一點”的氣象數據傳輸系統設計方法及其控制軟件的工作流程，并結合示范工程給出了其技術應用狀況，實踐中北斗通信能夠可靠地實現氣象數據的傳輸。

自動氣象站 北斗 短報文 多點對一點 數據傳輸 示范工程

一、引言

自動氣象站按照通信方式可以分為兩類，即有線遙測自動站和無線遙測自動站，有線遙測方式適用于傳輸距離較近或自動站靠近生活區、有線網絡易于實現的環境，無線遙測方式則適用于無人煙區、海島高山等不易實現有線網絡的環境。其中無線遙測可以通過GSM、GPRS、CDMA和衛星移動通信等方式實現。表1對各種無線通信方式的性能進行了比較。

據表1可知，在無線網絡覆蓋地區，選擇GSM/ GPRS/CDMA中的任意一種都可以達到數據傳輸的目的，但在沒有網絡覆蓋的區域，以上方式都會失效。氣象數據單位時間傳輸的數據量不大，但其安全性和實時性要求很高，并且很多觀測站位于地面通信環境惡劣地區，綜合上述因素的考慮，在我國境內無盲區的北斗衛星通信方式成為首選。本文在介紹了北斗衛星通信系統的工作流程及通信特點的基礎上給出了一種基于北斗衛星通信的自動氣象站數據傳輸系統的設計方案。

表 1 幾種常用無線通信方式的比較

二、北斗衛星通信特點及系統設計

1. 北斗衛星系統介紹

北斗衛星系統由三大部分組成：空間端、地面端和用戶端。空間端即北斗空間衛星，地面端包括主控站、注入站和監測站等若干地面站，用戶端為北斗各型號終端用戶機。系統框圖如圖1所示。系統包括“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空間部分由兩顆靜止軌道衛星和一顆備份星組成；北斗二代空間部分由5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星和3顆傾斜同步軌道衛星組成。

北斗衛星導航系統具有通信、定位和授時三大功能，自動氣象站數據傳輸主要是運用了北斗衛星系統的通信功能，北斗一代衛星以及北斗二代衛星中的靜止軌道衛星均提供通信服務。

>> 圖1 北斗衛星系統框圖

2.北斗衛星通信特點

北斗衛星通信系統覆蓋范圍廣、沒有通信盲區、信息加密傳輸安全。用戶終端機分為指揮型用戶機和通信型用戶機，指揮型用戶機可以監收其所有下屬用戶機的通信數據，并可以向其任一下屬用戶機發送命令或與其進行數據通信。但其短報文通信也有其局限的地方：①單次通信容量有限，民用通信容量僅有100字節左右；②通信頻度受控，民用通信頻度在1min左右；③沒有通信回執，可靠通信需要采取相關輔助措施。

3.數據傳輸系統設計

自動氣象站數據傳輸系統一般由一個氣象監控中心和若干個野外無人值守觀測站組成，數據傳輸方向為多個觀測站的氣象數據向一個監控中心傳輸的“多點對一點”的通信模式，其傳輸方式有主動自報式和交互查詢式。主動自報式是指觀測站按照一定的協議機制主動將采集到的氣象數據上報至監控中心，而交互查詢式則是以監控中心為主動方，觀測站解析監控中心的指令，并做出響應。主動上報式應用的場合要求一次通信成功率高，而交互查詢式則要求系統的通信資源相當豐富，并且通信費用低廉。結合北斗衛星通信的特點，本文采用以主動上報式為主，輔助以交互查詢功能實現氣象數據的有效傳輸。

（1）系統硬件架構

本系統是針對發端——野外氣象站采集設備與收端——監控中心顯控軟件間通信鏈路設計的，目的是將各野外氣象觀測站已經數字化的氣象數據通過北斗衛星系統安全有效、及時準確的傳至氣象監控中心。該系統的硬件架構如圖2所示。

>> 圖2 傳輸系統架構

系統給各野外觀測站均配備一臺北斗通信型用戶機和一臺編碼器，由各觀測站的風光互補供電系統供電；監控中心配備一臺北斗指揮型用戶機和一臺解碼器，通過適配器取電于監控中心市電。編、解碼器內部硬件電路相同，各配有一個微處理器，由其完成數據的協議轉換與命令的識別與響應，通過燒制不同程序分別實現編解碼功能。各模塊間的有線互聯端子間采用RS232電平串口連接。工作于主動自報式模式時，前端編碼器負責將觀測站定時采集到的數字氣象數據進行編碼和加密，并轉換為北斗協議格式的通信申請信號，再傳至北斗通信型用戶機，通過北斗衛星系統發送到監控中心指揮機，指揮機解析廣播信息，將通信信號送到解碼器進行處理，數據在終端解碼器得到解碼解密還原為原始氣象數據，并在顯控軟件上得到顯示。用戶也可以通過監控中心的顯控軟件查詢與設置各觀測站氣象設備的狀態或發送數據丟失重發指令。

（2）系統控制軟件設計

傳輸協議的設計要充分考慮到氣象通信需求與北斗衛星通信的特點間的關系。單包數據量及其通信頻度是最重要的兩個指標項，氣象設備傳輸的數據量隨著氣象要素的增加而增大，一般七要素氣象站的單包數據量已是北斗民用通信容量的3～4倍，但是其傳輸頻度要求不高，一般為整小時點上報或正十分鐘上報，綜合考慮以上要求，基于北斗衛星通信的氣象數據傳輸采用分幀傳輸是不錯的選擇。然而，北斗民用通信協議中并沒有丟失重發機制，且數據丟失后北斗衛星系統沒有回執信息，基于此，我們在系統傳輸協議的設計時還要增加數據校驗和丟幀重發功能。以上功能均有編、解碼器來完成，在編碼器與解碼器數據通信中增加了一層內部協議，保證數據的可靠傳輸，實現系統可控運行。

三、應用

1 .示范項目背景

隨著社會和國民經濟的高速發展，人們對氣象問題、氣象災害的認識將越來越高，對因氣象而產生的災害的控制要求也越來越高，這樣就迫切需要更準確地了解和掌握本地的氣象特性和氣象規律。近年來，因氣象所造成損失的絕對值越來越大；另一方面，氣象環境的問題也越來越突出，例如2008年的南方雪災、凍雨問題，2010年南方特大旱情問題。由于氣象災害每年都有發生，并且氣象災害問題在一些地區將會越來越嚴重。許多監控和數據采集系統的通信方式采用了超短波，但由于超短波通信的特點，高山等惡劣地勢阻擋必須增加中繼站，多級中繼使得設備投資、土建投資和運行維護費用增加，同時可靠性也降低了。隨著北斗系統在民用領域的應用推廣，借助北斗系統所提供的通信平臺，利用北斗終端機的雙向短信息傳遞功能，可以很好地解決氣象監測數據的通信問題。

在此背景下，國家基于北斗衛星通信的高山氣象站示范工程應運而生。由安徽省氣象局、北京華云公司（提供氣象傳感設備）、安徽四創電子股份有限公司（提供北斗數據傳輸設備）協力合作在金寨縣建成了安徽首個高山自動氣象站。

2 .應用效果

高山氣象站示范工程由兩個野外高山站和一個中心主控站組成。兩個發端均位于天堂寨風景區海拔1700多米的高山上，收端位于金寨縣氣象局，是一種簡化的“多點對一點”模式。

圖3 給出了高山觀測站發端北斗通信型用戶機的實物圖。

七要素自動氣象站在大別山主峰安裝調試成功，并正式投入運行，系統工作至今性能穩定。這是中國氣象局在安徽建立的第一個基于北斗衛星通信的高山自動氣象觀測站，可對氣溫、氣壓、降水、濕度、風向、風速、地溫等氣象要素實現自動觀測，系統采用風光互補供電，測試數據采用北斗衛星通信傳輸，可實現遠程實時監控。由于觀測站位于大別山主峰，又地處江淮分水嶺，該站點已成為重要的天氣指標站，同時為天堂寨風景區晉升為國家5A級風景區，提供了必要的氣象服務保障，應用效益顯著。

>> 圖3 高山觀測站北斗通信型用戶機

3. 應用推廣

基于北斗衛星通信的自動氣象站示范工程在金寨縣天堂寨建設完成至今運行健康，工程成果卓著。該應用已經相繼在福建泉州、天津薊縣以及新疆建設兵團駐地等地方得到推廣，為當地的氣象數據傳輸提供了可靠保障。

四、結束語

本文采用北斗衛星通信實現了“多點對一點”的自動氣象站數據傳輸系統的設計。鏈路中增加了編解碼控制器，實現了對數據傳輸的系統以主動自報傳輸方式為主，節約了通信資源，節約了通信費用，采用數據分幀傳輸，解決了數據流量大于信道傳輸速率的矛盾，同時系統帶有查詢設置、數據丟失重發功能，使得數據傳輸更可靠。本系統設計方法不僅能夠很好的將北斗衛星通信系統應用于氣象數據的傳輸，也可用于地質災害監測、水文預報、危化品運輸、智能交通、電力監控、海洋漁業等眾多領域。