基于北斗衛(wèi)星通信自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 范曉東 孟憲偉 王世臣

1 引言

自動(dòng)氣象站按照通信方式可以分為兩類(lèi)[1]，即有線遙測(cè)自動(dòng)站和無(wú)線遙測(cè)自動(dòng)站。其中無(wú)線遙測(cè)可以通過(guò)GSM、GPRS、CDMA和衛(wèi)星移動(dòng)通信等方式實(shí)現(xiàn)。表1對(duì)各種無(wú)線通信方式的性能進(jìn)行了比較。據(jù)表1可知，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，選擇GSM/GPRS/CDMA中的任意一種都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，建設(shè)成本較低、功耗低，但易受地面通信環(huán)境限制，在通信條件惡劣或是沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，以上方式都會(huì)失效。而北斗衛(wèi)星通信則沒(méi)有該劣勢(shì)，布點(diǎn)方便，但通信帶寬有限。氣象信息直接服務(wù)于到國(guó)計(jì)民生，其安全性和實(shí)時(shí)性要求很高，在實(shí)際建設(shè)時(shí)其優(yōu)先級(jí)高于成本投入因素。綜合考慮，無(wú)盲區(qū)的北斗衛(wèi)星通信自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸是一種不錯(cuò)的選擇。氣象信息數(shù)據(jù)量隨著氣象要素的增多而增加，甚至超過(guò)民用北斗單次傳輸最大字節(jié)數(shù)，是方案設(shè)計(jì)要要點(diǎn)。本文給出了一種北斗衛(wèi)星通信自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，很好的解決了如上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

表1 幾種無(wú)線通信方式的比較[2]

2 北斗衛(wèi)星通信

2.1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)北斗系統(tǒng)( 英文簡(jiǎn)稱(chēng)BDS)分為北斗一號(hào)、北斗二號(hào)和北斗三號(hào)三個(gè)建設(shè)發(fā)展階段。北斗二號(hào)基本空間星座由5 顆 GEO 衛(wèi)星、5 顆 IGSO 衛(wèi)星和 4顆 MEO 衛(wèi)星組成，并視情部署在軌備份衛(wèi)星。北斗三號(hào)基本空間星座由 3 顆 GEO 衛(wèi)星、3 顆 IGSO衛(wèi)星和 24顆 MEO 衛(wèi)星組成，并視情部署在軌備份衛(wèi)星[3]。我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，2018年2月12日，我國(guó)成功發(fā)射第二十八、二十九顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星[4]，北斗三號(hào)工程正在加速組網(wǎng)中。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)有三部分組成：空間段的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端[5]。用戶終端為各種型號(hào)北斗用戶機(jī)（如通信型用戶機(jī)、指揮型用戶機(jī)等）。如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖

北斗衛(wèi)星通信的基本過(guò)程描述如下[5]：

首先，用戶終端發(fā)送方將包含收信方SIM卡號(hào)和通信內(nèi)容的通信申請(qǐng)信號(hào)編碼、調(diào)制后發(fā)送；

其次，北斗衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心站；

然后，地面中心站收到轉(zhuǎn)發(fā)，識(shí)別其是否為已授權(quán)用戶，并將已授權(quán)用戶的通信內(nèi)容加入其廣播的出站電文中，經(jīng)衛(wèi)星向用戶轉(zhuǎn)發(fā)；

最后，用戶終端收信方接收出站信號(hào)，解調(diào)、解碼還原通信內(nèi)容，完成一次通信。

2.2 北斗衛(wèi)星通信特點(diǎn)

北斗衛(wèi)星通信具有信號(hào)覆蓋范圍廣無(wú)通信盲區(qū)，信息加密傳輸安全等特點(diǎn)。用戶終端機(jī)為北斗各類(lèi)型用戶機(jī)，如指揮型用戶機(jī)、通信型用戶機(jī)等，指揮型用戶機(jī)可以監(jiān)收其所有下屬用戶機(jī)的通信數(shù)據(jù)，并可以向其下屬用戶機(jī)發(fā)送命令以及與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。但北斗短報(bào)文通信也有其功能局限性[1][5]：

單次通信容量有限，民用通信容量?jī)H有100字節(jié)左右；

通信頻度受控，民用通信頻度在1分鐘左右；

沒(méi)有通信回執(zhí)，可靠通信需要采取相關(guān)輔助措施。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由氣象監(jiān)控中心和野外無(wú)人值守觀測(cè)站組成。其傳輸方式有自主上報(bào)式和查詢(xún)式[5]。自主上報(bào)式是指觀測(cè)站按照一定的協(xié)議機(jī)制采取主動(dòng)上報(bào)的方式，將采集到的氣象數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)控中心；查詢(xún)式是指監(jiān)控中心采取主動(dòng)，向觀測(cè)站發(fā)送查詢(xún)指令，觀測(cè)站接收并解析監(jiān)控中心的指令，再報(bào)傳數(shù)據(jù)。自主上報(bào)式要求單次通信成功率高，查詢(xún)式則要求系統(tǒng)的通信資源豐富。考慮北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，本文采用自主上報(bào)為主查詢(xún)?yōu)檩o的方式，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本方案自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

野外觀測(cè)站各配備一臺(tái)北斗通信型用戶機(jī)、一臺(tái)編碼器，由風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)供電；監(jiān)控中心配備一臺(tái)北斗指揮型用戶機(jī)、一臺(tái)解碼器，通過(guò)適配器取市電。編、解碼器采用相同的硬件方案設(shè)計(jì)，配有一個(gè)低功耗微處理器，由其完成數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與命令的識(shí)別與響應(yīng)，通過(guò)燒制不同程序分別實(shí)現(xiàn)編解碼功能，編、解碼器與北斗用戶機(jī)間采用串口連接。工作于自主上報(bào)模式時(shí)，編碼器將自動(dòng)氣象儀定時(shí)采集上傳的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和加密，轉(zhuǎn)換為北斗協(xié)議格式數(shù)據(jù)后，傳至北斗通信型用戶機(jī)，然后通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送至監(jiān)控中心指揮機(jī)，指揮機(jī)解析并將信號(hào)發(fā)送到解碼器進(jìn)行處理，解碼器解碼、解密，還原為原始?xì)庀髷?shù)據(jù)，并通過(guò)串口傳送到終端系統(tǒng)，在顯控軟件上得到處理和顯示。用戶可以通過(guò)監(jiān)控中心的顯控軟件查詢(xún)與設(shè)置各野外觀測(cè)站氣象設(shè)備的狀態(tài)或發(fā)送數(shù)據(jù)丟失重發(fā)指令。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)充分考慮氣象通信需求與北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn)間的關(guān)系。單幀數(shù)據(jù)量、通信頻度是最重要的兩個(gè)指標(biāo)。氣象設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨著氣象傳感器采集的氣象要素的增加而增大，一般7要素氣象站的單幀數(shù)據(jù)量已是北斗民用通信容量的3到4倍，采用整點(diǎn)（小時(shí)）上報(bào)或正十分鐘上報(bào)，綜合考慮以上要求，本傳輸協(xié)議的方案設(shè)計(jì)基本思想是采用分包傳輸。由于北斗民用通信協(xié)議中并沒(méi)有丟包重發(fā)機(jī)制，且數(shù)據(jù)丟失后北斗衛(wèi)星系統(tǒng)沒(méi)有回執(zhí)信息，增加數(shù)據(jù)校驗(yàn)和丟幀重發(fā)功能將是方案必選。以上功能均有編、解碼器來(lái)完成。編、解碼器數(shù)據(jù)通信協(xié)議基本格式如表2所示，該協(xié)議支持變長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)識(shí)別分包號(hào)，可判斷是否丟包，和選擇是否需要補(bǔ)發(fā)包，從而有效保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

表2 協(xié)議格式

數(shù)據(jù)采用ASCII碼傳輸，協(xié)議格式說(shuō)明：

幀頭：幀識(shí)別碼，2字節(jié)，不與北斗協(xié)議中的關(guān)鍵字相同；

指令標(biāo)識(shí)符：指令識(shí)別碼，4字節(jié)，氣象數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和查詢(xún)?cè)O(shè)置指令信息等均具有唯一的指令識(shí)別碼；

觀測(cè)站標(biāo)識(shí)符：觀測(cè)站識(shí)別碼，2字節(jié)，各個(gè)野外觀測(cè)站均具有唯一的觀測(cè)站識(shí)別碼；

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)碼，N字節(jié)，由包運(yùn)算符和有效數(shù)據(jù)兩部分組成，包運(yùn)算符占兩字節(jié)，高字節(jié)為總包數(shù)，低字節(jié)為分包號(hào)；有效數(shù)據(jù)占余下N-2個(gè)字節(jié)；

校驗(yàn)段：校驗(yàn)碼，1字節(jié)，校驗(yàn)和，從幀頭到校驗(yàn)段（包括幀頭，不包括校驗(yàn)段）逐字節(jié)異或校驗(yàn)。

3.2.2 軟件算法流程

編碼器與解碼器中的微處理器軟件算法流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 編碼器程序流程圖

編碼器程序流程中的氣象儀是否故障判斷時(shí)標(biāo)N1要依據(jù)氣象數(shù)據(jù)傳輸頻度選擇恰當(dāng)值，氣象數(shù)據(jù)分包后的等待發(fā)送間隔時(shí)標(biāo)N2要根據(jù)所配北斗通信型用戶機(jī)的最大通信頻度選擇恰當(dāng)值，氣象數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)信息的本地存儲(chǔ)深度需綜合考慮數(shù)據(jù)重發(fā)前向級(jí)數(shù)（即重發(fā)前第幾個(gè)正點(diǎn)數(shù)據(jù)）與編碼器板上存儲(chǔ)空間。解碼器程序流程中的通信鏈路是否故障判斷時(shí)標(biāo)T要結(jié)合N1與N2以及觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)選擇恰當(dāng)值。

圖4 解碼器程序流程圖

3.2.3 功耗控制

本系統(tǒng)建設(shè)包括野外觀測(cè)站和監(jiān)控中心，監(jiān)控中心設(shè)備電源均來(lái)源于市電，而野外觀測(cè)站眾多，且系統(tǒng)電源由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提供，功耗控制主要考慮野外站點(diǎn)設(shè)備，可有效降低對(duì)電源系統(tǒng)的配置要求，降低成本，具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)價(jià)值。野外站點(diǎn)通信系統(tǒng)涉及到的設(shè)備主要有北斗通信型用戶機(jī)和編碼器，它們是本方案功耗控制的重點(diǎn)。主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

器件選型：

編、解碼器以及北斗用戶機(jī)的控制器選用低功耗處理器；

工作模式：

各設(shè)備的處理器采用休眠模式與正常模式切換工作，在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時(shí)，工作于低功耗模式；

供電模式：

編碼器（毫瓦級(jí)）采用長(zhǎng)供方式，北斗通信型用戶機(jī)（瓦級(jí)）采用分時(shí)供電方式，氣象數(shù)據(jù)一般采用定時(shí)上報(bào)方式傳輸數(shù)據(jù)，且傳輸時(shí)間間隔較長(zhǎng)，北斗通信型用戶機(jī)無(wú)需連續(xù)工作，系統(tǒng)電源可在下次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)刻到來(lái)前T1秒給用戶機(jī)供電，待用戶機(jī)可通信狀態(tài)，并在所有數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束T2秒后，關(guān)斷用戶機(jī)電源。

4 應(yīng)用

本文源于國(guó)家《基于北斗衛(wèi)星通信的高山氣象站示范工程》項(xiàng)目。由安徽省氣象局、安徽四創(chuàng)電子股份有限公司協(xié)力合作，在金寨縣建成高山自動(dòng)氣象站，該項(xiàng)目發(fā)端位于天堂寨海拔1700多米的高山上，收端位于金寨縣氣象局。

圖5 高山觀測(cè)站北斗通信型用戶機(jī)

圖5給出了高山觀測(cè)站發(fā)端北斗通信型用戶機(jī)以及編碼器連接的實(shí)物圖，監(jiān)控中心的監(jiān)控顯示界面如圖6所示，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)工作正常。

圖6 監(jiān)控中心顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用北斗衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其中編、解碼器創(chuàng)新性設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)分包傳輸，有效解決了氣象數(shù)據(jù)流量與北斗信道傳輸速率的矛盾，同時(shí)系統(tǒng)帶有查詢(xún)?cè)O(shè)置、數(shù)據(jù)丟失重發(fā)功能，使得數(shù)據(jù)傳輸更可靠，功耗控制設(shè)計(jì)可有效降低野外觀測(cè)站電源的容量要求，降低了成本。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅能夠很好的將北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)的傳輸，也可用于地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)、水文預(yù)報(bào)、危化品運(yùn)輸、智能交通、電力監(jiān)控、海洋漁業(yè)等眾多領(lǐng)域。

[1]朱永輝等.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制技術(shù)研究[J].CSNC2010第一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì).

[2]劉春明,張少剛 等.極端環(huán)境下自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方案設(shè)計(jì)[J].氣象科技,2009,8,37(4),P469-471；

[3]《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件》公開(kāi)服務(wù)信號(hào)B3I(1.0版)[Z].中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室,2018,2:1-2.

[4]北斗衛(wèi)星發(fā)射一覽表[Z].http://www.beidou.gov.cn/xt/fsgl/,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)官方網(wǎng)站.

[5]孟憲偉,范曉東.北斗衛(wèi)星通信在自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2014,37(2):32-34.