基于國產衛星系統開發流域綜合測報系統的可行性研究

王彭煦

(中信建設有限責任公司，北京100027)

人造衛星是發射數量最多、用途最廣、發展最快的航天器，從1957年前蘇聯發射世界首顆人造衛星至今，人類發射和應用人造衛星不過50 多年的歷史，但人造衛星的研制發射和其帶動的產業鏈卻發展迅速。我國1970年發射第一顆人造衛星，目前已擁有數十顆人造衛星，經過40 多年的發展，我國已經形成了多種初具規模的衛星系統，包括通訊衛星系統、導航衛星系統、氣象衛星系統、資源衛星系統等，在測繪、農林、水利、交通等行業都發揮了不小的作用。

在我國水利領域，開展衛星系統的應用研究也有30 a左右的歷史，尤其是對遙感(RS)、全球衛星定位系統(GPS)和地理信息系統(GIS)這“3S”技術的綜合應用已有一定的基礎。在中國各流域上，有計劃的開展中國衛星系統的應用研究，逐步實現“3S”技術的國產化，一方面便于信息整合，有利于開發大規模、高度綜合的信息系統，另一方面也有助于我國衛星產業鏈的進一步成熟和發展。目前，我國的北斗衛星導航系統、陸地衛星觀測系統、氣象衛星觀測系統等衛星系統都已初具規模，在國內基本能夠滿足流域水文、氣象、災害等觀測的需要，并且這些衛星系統還在有計劃的逐步完善中［1］。此時，在水利行業及時跟進開展應用研究，開發相關的地面產品，逐步實現流域測報系統的國產化，對行業的持續穩定發展十分必要。

1 中國衛星系統的現狀

目前中國已經擁有幾十顆不同種類、不同用途的衛星，建成了幾種初具規模的衛星系統，其中北斗衛星導航系統、陸地觀測衛星系統、氣象衛星系統等，可能在流域綜合測報系統中采用。

1.1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統(簡稱“BDS”)是我國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，是繼美國GPS 系統和俄羅斯GLONASS 之后的第三個成熟的衛星導航系統。該系統于2000年開始建成試驗系統，目前已擁有20 顆導航衛星(包括4 顆試驗衛星)。完全建成后，將擁有5 顆靜止軌道衛星和30 顆非靜止軌道衛星。該系統已經于2012年12月27日開始向亞太地區提供定位、導航、授時服務，計劃在2020年形成覆蓋全球的衛星導航系統。BDS 系統可以提供兩類服務，開放服務是免費的，定位精度10 m，測速精度0.2 m/s，授時精度10 ns;授權服務是收費的，可以提供更高精度的定位、測速和授時服務。在精度上不遜色于目前應用最廣的GPS 系統。BDS 衛星可以同時提供短報文通信服務。

中國已經推廣使用BDS 系統的車載定位導航終端，在天津、江蘇、安徽等9個省市開展示范工程，大約8萬輛大客車、旅游包車和危險品運輸車輛都安裝了BDS 導航終端。市場也已經開始出售BDS/GPS 雙模終端。BDS 系統已經在國內交通通訊、農林漁業、水利水電、救災、公共安全等多個領域得到了成功應用，隨著BDS 系統本身的建設完善，在國內各個行業進一步得到推廣是必然趨勢。

1.2 陸地衛星觀測系統

我國的陸地衛星觀測系統是一個多系列、多顆衛星、多載荷的大型地面數據綜合處理服務系統，主要包括中巴地球資源衛星(CBERS—01、CBERS—02)、環境與災害監測預報小衛星星座A、B 星(HJ －1A/1B 星)、資源一號、資源三號等衛星，以及全國陸地觀測衛星地面數據處理系統。我國已開始建設高分辨率對地觀測系統，2013年4月發射了該系統的第一顆衛星——高分一號。陸地觀測衛星主要利用其搭載的多光譜遙感設備，對地面進行“拍攝”，獲取地面物體輻射或反射的多種波段電磁波信息，得到的衛星數據可以解譯后用于測繪和資源調查等。利用陸地衛星觀測系統提供的遙感數據，可以從更大尺度、更深的范圍來觀測陸地水文現象。不僅可以觀測地表水體，還可以觀測地下水、土壤水的變遷，可以觀測冰雪等固態水體，可以觀測水土流失和水體污染等水文現象。陸地衛星系統在自然災害的監測中，也有廣泛應用。我國陸地衛星系統在2008年中我國東部地區雪災、黃河凌汛、太湖水華、黃河滸苔的監測中已經得到了成功應用。

1.3 氣象衛星觀測系統

氣象衛星可以對云量、地表溫度、海洋溫度、霧、冰、塵、植被等多種氣象要素進行觀測，衛星觀測是天氣和氣候預報的重要手段。我國的氣象衛星主要是風云系列，包括靜止衛星(風云二號)和極軌衛星(風云一號、風云三號)，目前國家衛星氣象中心提供氣象衛星觀測數據的開放下載。

在與一定的地面觀測數據相結合的基礎上，根據氣象衛星觀測數據，可以估計降水，包括降水發生的時刻和降水量估計;與水文觀測數據相結合，可以延長水文預報的預見期，尤其是暴雨洪水預警的預見期，對于一些流量大、流程短、測站覆蓋不足的流域的防災減災，具有非常重要的意義。一些地質災害，如滑坡、泥石流等，和降雨有顯著的相關性，氣象衛星觀測數據也能提供一定的預警。

1.4 中繼衛星系統

中繼衛星是一種特殊的通信衛星，數據中繼衛星對基于地面測控站的傳統測控體系具有顯著的優勢，表現在測控通信覆蓋率高、高度的實時性和優異的經濟性。我國于2012年7月建成了第一代中繼衛星系統——天鏈一號。2013年6月20日，神舟十號航天員通過現場直播，向中小學生進行了“太空授課”，此次授課通過天鏈系統傳送雙向實時授課畫面，實現天地之間的視頻提問和回答，展示了中國天地大容量信息處理的能力，說明中國的中繼衛星系統具備大容量實時圖像數據的傳播和交互處理能力。

2 國內流域測報系統的發展現狀

2.1 水文自動測報系統

目前，國內水文自動測報系統的建設已經比較成熟。一個流域典型的水文測報系統結構如圖1 所示。由若干遙測站、幾個分中心站和系統中心站組成，分中心站和系統中心站之間通常需要網絡連接，遙測站、分中心站、系統中心站之間通常通過通信衛星、短波通信等手段傳輸水文測報數據。

超短波(UHF/VHF)是一種地面可視通信，具有通信質量較好、設備簡單、設備投資較少、建設周期短、易于實現的優點，其傳播特性依賴于工作頻率、距離、地形及氣象因子等因數。它主要適用于平原丘陵地帶，且中繼級數＜3 級的水情自動測報系統。

圖1 典型的流域水文自動測報系統結構

衛星通信具有傳輸距離遠、通信頻帶寬、傳輸容量大、組網機動靈活，不受地理條件的限制、建站成本及通信費用與通信距離無關等優點。在水文自動測報系統中，可以采用的衛星系統包括海事衛星、北斗衛星、VSAT 衛星。其中北斗衛星通信具有較強的抗干擾能力，數據傳輸的安全性高，滿足水文數據傳輸對可靠性、保密性的要求，在國內流域可以優先考慮。

遙測站主要是雨量站和水位站，流量數據通常需要人工施測后輸入自動測報系統。目前的遙測站設備能自動采集到1 cm的水位變化值和0.5 mm的降雨量，能夠定時測報和自動加報，遙測數據可實現現場固態存儲，一般能夠儲存2 a以上的數據。典型遙測站的結構如圖2 所示。

圖2 典型遙測站的結構

2.2 目前國內流域測報系統的局限

國內大部分流域都在水電、供水、航運等開發過程中，會相應地建設不同用途的各種測報系統。以水電開發為例，在勘測設計階段，通常會預先建設工程專用的水文氣象自動測報系統，用以觀測收集工程設計必須的水文氣象要素;在建設期間，可能會開發建設較為詳細的地理信息系統用于指導施工，還可能建設施工實時監控系統、地災監控系統、工程安全監控系統、水庫地震監測系統等，也需要進一步完善水文氣象測報系統已滿足施工過程中防災減災的需要;在投入運營之前，可能需要開發建設水調、電調的調度系統。目前大部分流域，各個系統是單獨開發的，不同系統之間有大量的信息重復，如基本的地形信息、地表狀況等;各個系統單獨建設造成大量的人力物力浪費，同時也不利于數據的儲存和管理。

3 建設流域綜合測報系統的設想

從目前國內利用3S 技術的成熟程度來看，在同一個大型的GIS 系統上實現多水文、氣象、地災、調度等多專業數據的整合，是完全可行的，因此，作者提出建設綜合流域測報系統的設想。

3.1 綜合測報系統的主要框架

以流域水電資源開發為例，提出一種流域綜合測報系統的框架，主要思路是盡早規劃，分階段實施，分層整合。

目前水電開發中的幾個主要系統，可以分階段、分層整合到地理信息系統上，包括水文氣象自動測報系統、地災監測系統、水庫地震監測系統、施工監控系統、梯級電站調度系統等。

綜合測報系統的觀測臺站，包括水文、氣象、雨量、地災監測站、地震臺站，以及地面終端，包括車載、手持和固定的終端，與系統中心站需要通過一定的方式建立通訊網絡。其中比較短的信息數據，如水文、雨量、定位等數據，優先考慮通過衛星通訊，可以考慮采用北斗衛星。數據量比較大，占用帶寬較多的數據，如地震監測數據，需要首先考慮地面網絡，必要的時候可以利用一些特殊的衛星通訊手段，比如中繼衛星等。

不同的系統可以共用一個大型的中心站，不同專業的數據建立在大型GIS 系統的不同數據層上，分中心站可以根據專業和階段有所側重，分中心站與系統中心站之間通過網絡實現數據的交互:分中心站一方面可以向系統中心站實時提交新數據，另一方面可以閱讀和下載所需數據層的數據。

基于以上思路，可以提出基于國產化衛星系統建設的流域綜合測報系統的框架，如圖3 所示。

3.2 測報系統的發展趨勢

流域測報系統本質上，是一種專門定制開發、服務于流域管理的信息網絡系統，是計算機網絡系統的一種應用和擴展。計算機和網絡技術的發展和升級會不斷帶動測報系統的發展和升級。近年來云計算和物聯網的興起和應用，帶動了水利信息化的新發展，在此基礎上，數字流域、水聯網的概念也隨之提出，正在逐步實施中。從單一的專業測報系統，走向基于云計算和物聯網概念的高度綜合、大規模集成、實時動態的大系統是一種必然趨勢。

美國國家標準與技術研究院(NIST)對云計算的定義是:云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池(資源包括網絡，服務器，存儲，應用軟件，服務)，這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務供應商進行很少的交互。

國際電信聯盟(ITU)對物聯網的定義是:通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等多種信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

事實上，流域測報系統本身就是一個由數據獲取設備(包括各種測站和遙感衛星)、衛星定位系統、通訊衛星、地面通訊網絡組成的一個專業化的物聯網。如果流域測報系統不拘泥在幾個梯級、或者一個較小的流域的地理界限內，能夠打破由一個管理單位來組織開發的局面，則可能應用云計算概念，實現水利信息化一個飛躍性的升級，建成面向全國的、多專業信息高度集成的大規模綜合測報系統，屆時全國各地的水利管理者、建設者、研究者都可以從同一個平臺上獲取信息和數據，也可以迅速地更新和共享新數據，水利領域將進入一個徹底的信息化、網絡化時代。

4 總 結

目前我國已經擁有幾個初具規模的衛星系統，包括北斗衛星導航系統、陸地衛星觀測系統、氣象衛星觀測系統、中繼衛星系統等，已經具備建設大規模、綜合化流域測報系統的太空能力。水利行業引進和使用3S 技術，開發服務于流域管理的水文、地災、安全監測等自動測報系統的能力也已經發展成熟。從國家安全和提高整體經濟效益的角度，逐步實現水利信息化的國產化，尤其是主要衛星系統的國產化，是必然趨勢。從單個流域的管理出發，為提高資源利用效率，減少重復開發導致的人力物力的浪費，可以將一個流域上的多個測報系統綜合到同一個大的GIS 系統上。我國衛星系統的太空能力和地面數據的處理傳輸能力，都完全可以支持這樣的一個系統。應用云計算的概念，則可能在全國范圍內建成一個規模更大、效率更高的綜合測報系統，會帶來水利管理模式的改變，目前已經顯示出這一發展趨勢。

［1］楊元喜. 北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰［J］. 測繪學報，2010，39(01):1 －6.