基于北斗的氣象自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼設(shè)計

聶林波

(南海艦隊海洋水文氣象中心，廣東 湛江 524001)

基于北斗的氣象自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼設(shè)計

聶林波

(南海艦隊海洋水文氣象中心，廣東 湛江 524001)

針對氣象自動觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需要，提出了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的氣象自動觀測數(shù)據(jù)編碼設(shè)計方案。該方案采用北斗短報文通信功能傳輸幀數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動觀測數(shù)據(jù)的傳輸。采用該方案使得指揮終端能實時接收自動站發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)。采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能實現(xiàn)觀測站點的快速部署和觀測數(shù)據(jù)的高效獲取。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；氣象自動觀測；數(shù)據(jù)傳輸；編碼

1 系統(tǒng)基本原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向短報文通信功能，最多一次可傳輸120個漢字，可以實現(xiàn)用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間通信[1]。基于北斗的氣象自動觀測系統(tǒng)利用了我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以提供定位和短報文通信功能，實現(xiàn)氣象觀測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)能在更廣闊的地域進行環(huán)境監(jiān)測，同時降低了觀測站建設(shè)和維護成本，系統(tǒng)本身也更加穩(wěn)定可靠。

2 數(shù)據(jù)傳輸原理

觀測站在工作時將監(jiān)測數(shù)據(jù)按照協(xié)議進行編碼，再通過北斗通信模塊將編碼的數(shù)據(jù)發(fā)送到觀測站監(jiān)管中心指揮型北斗終端上，終端按照協(xié)議進行解碼，還原監(jiān)測數(shù)據(jù)。

觀測站工作狀態(tài)時監(jiān)聽北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)男畔ⅲ凑諈f(xié)議解碼獲取指令，根據(jù)指令對相應(yīng)的數(shù)據(jù)按協(xié)議編碼，再通過北斗通信模塊傳輸編碼數(shù)據(jù)。觀測站可將自身狀態(tài)信息按照協(xié)議編碼后經(jīng)北斗通信模塊發(fā)送給監(jiān)管中心。監(jiān)管中心指揮型北斗終端接收觀測站經(jīng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，按照協(xié)議解碼數(shù)據(jù)，提取觀測站狀態(tài)信息。整個系統(tǒng)的控制流程如圖1所示。

圖1 基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測站數(shù)據(jù)傳輸流程

3 傳輸編碼設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由一個指揮終端和多個觀測站通過北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)互連而成。系統(tǒng)的每個終端按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式編碼數(shù)據(jù)并通過北斗衛(wèi)星傳輸至指揮終端。一套功能完善的傳輸編碼格式能確保系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。由于北斗采用短報文通信，因此用幀結(jié)構(gòu)作為發(fā)送信息的最小單元[2]。

3.1 幀結(jié)構(gòu)

一個幀包含站號、時間戳、總幀數(shù)、幀序號、本幀長度、數(shù)據(jù)段、奇偶校驗碼，如圖2所示。

圖2 幀格式

站號使用2 B，系統(tǒng)可容納216-1個站點，使用FFFF向全部站點廣播。時間戳使用12 B，記錄數(shù)據(jù)的年、月、日、時、分、秒信息。當(dāng)數(shù)據(jù)被拆分成多幀傳輸時，根據(jù)時間戳判斷幀是否為同一數(shù)據(jù)的一部分。總幀數(shù)使用1 B，數(shù)據(jù)最多可拆分為28-1幀。本幀序號使用1 B。本幀長度使用1 B，其值為站號+時間戳+總幀數(shù)+本幀序號+本幀長度+數(shù)據(jù)段+奇偶校驗碼的總字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)段最大可用220 B。奇偶校驗碼使用1 B，用于判斷收到的數(shù)據(jù)是否有誤。

3.2 指令和數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)段記錄指令和數(shù)據(jù)。指令和記錄通過第一個字節(jié)區(qū)分，00為指令，F(xiàn)F為數(shù)據(jù)。指令使用編碼表示，定位、授時等指令都采用唯一編碼。數(shù)據(jù)使用壓縮編碼，盡量減小數(shù)據(jù)長度。例如，對于浮點數(shù)，先乘一個10n(n≥10)轉(zhuǎn)化為整數(shù)，減少數(shù)據(jù)所占字節(jié)。

3.3 出錯處理

在收到一幀數(shù)據(jù)后，進行奇偶校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤，就發(fā)送反饋信息告知對方重發(fā)該數(shù)據(jù)幀，直至收到無錯的數(shù)據(jù)。

圖3 傳輸流程

3.4 傳輸流程

指揮中心與觀測站之間數(shù)據(jù)與指令傳輸流程如圖3所示。

3.5 延遲處理

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對每個用戶終端的服務(wù)頻度是有具體規(guī)定的。服務(wù)頻度越高，數(shù)據(jù)傳輸越快。當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被分為多幀時，各幀發(fā)送的時間間隔是不同的，這就需要制定信息延遲處理機制，解決信息傳輸時間延遲數(shù)據(jù)的問題。緩沖區(qū)是解決這個問題的方法之一。指揮中心收到一幀數(shù)據(jù)時，存入緩沖區(qū)，當(dāng)數(shù)據(jù)幀全部接收到后再將數(shù)據(jù)整合為完整的信息。

4 通信方式的選擇

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的基本通信功能是點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸，主要方式是數(shù)據(jù)報告，傳輸形式是數(shù)據(jù)包。主要工作方式是測站終端向北斗衛(wèi)星發(fā)送信號，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，由地面中心站接收處理后，再送至北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星接收后將其轉(zhuǎn)發(fā)送到指揮終端或者測站終端，點對點通信即順利完成。此外，還有建立群廣播通信。即在某個用戶群中，將主站的終端設(shè)備號碼寫入其他終端設(shè)備的映像地址中，當(dāng)此主站發(fā)送數(shù)據(jù)時，群中所有測站都能收到此信息。將此功能作為系統(tǒng)的廣播回執(zhí)，能有效減少中心站的發(fā)送次數(shù)，提高系統(tǒng)運行的通暢度，實現(xiàn)高效的信息群發(fā)功能。當(dāng)要單獨與某個觀測站通信時，使用點對點方式；而當(dāng)要與多個觀測站通信時，使用廣播方式。

5 結(jié)論

基于北斗的氣象自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼設(shè)計方案充分利用了北斗短報文通信功能，通過對數(shù)據(jù)按幀進行編碼，實現(xiàn)了自動觀測數(shù)據(jù)的有效傳輸。采用該方案使得指揮終端能實時接收自動站發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)。采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能實現(xiàn)觀測站點的快速部署和觀測數(shù)據(jù)的高效獲取。一套完善的編碼格式可使指揮終端迅速確定觀測站位置信息，又可傳遞各種控制指令和觀測站測量數(shù)據(jù)以及觀測站自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，增強指揮終端對觀測站的監(jiān)管能力。

[1] 江彩英,黃永玉,謝丹,等.北斗衛(wèi)星應(yīng)急通信傳輸試點建設(shè)[J].氣象科技,2013,41(5):857-860.

[2] 成方林,張翼飛,劉佳佳. 基于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長報文通信協(xié)議[J]. 海洋技術(shù). 2008，27(1)：26-28，31.

Design of meteorological observation system based on the Beidou satellite navigation system

Nie Linbo

(The Ocean Meteorological and Hydrological Center of South China Sea Fleet，Zhanjiang 524001, China)

Aiming at the transmission of automatic meteorological observation data, the coding scheme which based on the Beidou satellite navigation system was proposed. The system transmits observation data using the function of short message. The system can receive real time observation data. With the Beidou satellite navigation system, the goal of rapid development of observation station and efficient acquisition of observation data can be achieved.

Beidou satellite navigation system;meteorological observation;data transmission;coding

TP391.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.005

聶林波.基于北斗的氣象自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(8)：15-15，18.

2016-10-19)

聶林波(1978-)，男，研究生，高級工程師，主要研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。

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