水利衛星通信在水文遙測領域的運用分析

李柏夙

（天津農學院，天津 300380）

雖然21世紀以來，我國互聯網技術有很大的進步，并且和社會各個行業相融合，但不可否認的是，在一些偏僻地區公網覆蓋率提升緩慢，水文數據通信是極為薄弱的一環，很難為防汛減災工作開展提供可靠的數據支持。將衛星通信技術用在水文遙測領域，能顯著拓展水文信息的收集范疇，在有效控制水文通信平臺實際建造成本的基礎上，顯著提升了水文遙測工作效率以及相應地區水文數據資源的利用效率。

1 衛星通信系統的構成

1.1 空間衛星

該部分主要由2～3顆地球同步衛星構成，職責主要是體現在結合用戶終端設備和地面發射站方面上，進而順暢、精準地傳輸兩者之間的無線電信號，確保兩者關系的規范性。為衛星統一裝設變頻轉發儀、波束天線等設施，在衛星通信實踐中波束天線發揮著巨大作用。

1.2 主站平臺

水利設計研發的新一代寬帶衛星通信主站平臺對網絡拓撲系統的使用工程起到良好的支撐作用，以標準化的IP協議平臺為基礎促進IP技術和衛星通信兩者的深度融合。與常規支持IP協議的衛星系統比較明顯優化了運行速率；在抗雨衰方面運用22.2 MHz Ku、5 MHz C兩個不同波段，構建了DVB-S2網絡，在Ku與C射頻單元及天線設施的協助下實現了相關數據同時上傳。衛星通信系統組網見圖1，主站、分中心級便攜式小站等都以衛星為載體實現互相連接與通信[1]。

圖1 系統組網圖示

1.3 用戶終端

在宏觀層面上，可以把用戶終端細分成指揮型和普通型兩大類型。民用客戶終端主要由操控單元、衛星收發主機、通信協議及衛星全向收發天線四大部分構成。功能主要集中在通信協議體系和用戶終端之間的上下行數據方面；具有通用型的RS232C數據接口；處置用戶業務，傳送其請求，接收用戶上傳的信息。

1.4 地面站

從本質上分析，地面站屬于一個中轉站，用于執行不同終端設備之間的通信任務，具體工作內容有傳輸衛星之間的數據，對用戶業務請求及時做出應答，處置用戶定位數據及交互通信數據等，也能將全部交換所得的通信內容分發給用戶。另外，還具有用戶的注冊、管理等使用功能。

2 水文遙測領域水利衛星通信技術的應用策略

2.1 創建水文數據傳輸通道

基于衛星網管、通信模式構造相對較完整的水文數據傳輸通道。在遙測系統采集水文數據后該通道能實現對數據自動化備份，使各項水文智能測報終端、衛星小站下載相應數據，在此基礎上構建水情數據運用、接收、監測等諸多數據庫，建立能夠動態實時監測偏遠區域水文數據的管控中心。在傳送水情信息環節中，于衛星數據接收端口執行水情數據庫的解壓、分析處理等操作，以TCP/IP、ARP、SMTP等通信協議作為載體，和公網之間建造密切、可靠的連接關系，并且完整地把水文信息傳送到地面水文遙測中心，這樣有關工作人員就會以此為據執行相應的緊急任務[2]。

2.2 搭建遙測信息資源庫

收集水文數據是水利衛星通信的核心功能。在水情遙測工作具體實施時，在網狀混合組網結構的強勁支持下，該系統能全面搜集水情信息，并按照一定規則對其進行分類處理，并且“星形+網狀”混合式組網結構系統還具備了傳輸遙測應急視頻、圖像信息的功能。采集傳輸遙測數據的流程如下。

首先，在衛星小站內智能傳感器的協助下，實時捕獲水位模擬量、降雨量等信息，交將采集數據整體傳輸至水文遙測儀，遙測儀完成水位信號轉換、解碼，將其轉成標準化數據格式加以存儲。其次，系統自設數據傳送門限，遙測儀分析完水文數據后，自行啟用衛星小站電源，客觀測評站中數據的當前狀態。如果經反復評估后確認衛星站符合圖像、視頻信息設計的傳送要求，則可以基于衛星通信鏈路呼叫地上遙測中心站，與其共同搭建水文信息通信通道，并將整個數據包傳送到中心站遙測終端，中心站完整接收水文信息后就可以拆除鏈路[3]。最后，針對遙測中心站遠距離收集到的水文數據，將其統一存儲到系統內相關數據庫中，并且依照偏僻地區水文遙測現實工作要求，適時調取相關數據資源。以往有地區采用衛星通信技術，鑒于所有遙測點處在偏僻區域的狀況，故而在整體測試檢驗后搭建了北斗衛星通信系統，把地面中心站設定成水文遙測的主要通信渠道。

2.3 歸納遙測工作現實需求

首先，運用衛星通信系統能輔助提升水情信息通信網的覆蓋率，大范圍采集、傳輸水文數據、圖像、視頻等不同類型的資源，降低雨衰對常規水文信息通信產生的負面影響，進而應用C、Ku波段網絡結構，擴充通信鏈路容量。在部分水文遙測場景中能主動重發信息，自主適應自編碼信道傳送信息的規律。其次，該系統使用功能呈多元化特征，能使傳統水情遙測實踐中很多現實問題迎刃而解。例如，衛星通信系統能自主采集各類數據，并且在和終端網絡設備之間構建互聯關系后，持續調控網絡64～4 Mbps范圍帶寬，建造標準的衛星小站，顯著提升偏僻區域水文信息傳輸效率與安全性[4]。

2.4 建設防汛通信機制

通信系統在精準處置水文視頻、圖像信息的基礎上，為部分偏僻區域建設運行可靠的水文報汛傳送通道，加強和遙測中心、報訊站點之間的關聯性，最大限度地增強衛星通信系統的自我維護能力，使各級報汛工作站和衛星系統能順利進行VoIP電話、視頻資源互動互通，進一步強化相應地區不同水情遙測點工作業務之間的關聯性，借此方式使區域水文防汛安全性得到保障，不斷提升水庫資源調取、水文信息的監測力度[5]。

地形、氣候條件等客觀因素對水利通信系統產生的影響較小，數據通信信道運行狀態相對平穩可靠，可以嘗試在地理位置偏遠、范圍廣闊、公網覆蓋偏差大的區域建設運行狀態穩定可靠的水文報訊測站。在衛星系統運作期間，相關人員在執行水文遙測任務時，能夠顯著增強遙測通信站信息安全保障、運維能力，自動解決雨水、水情信息測報等相關問題，實現對部分河段、湖泊、水庫水情的遠程精準化監測。

3 典型案例

據統計，當前國內水利系統已經建成600多座衛星通信地面站，80%左右被建造在地理方位較偏遠、公網通信覆蓋偏低的區域，利用它們可較好地滿足水文站報汛、水情遙測信息搜集、語音通信、互聯網絡接入等現實需求。七大流域在一些省、市已經建設了規模較大的衛星數據采集站，通過搭建地面站的形式顯著提升了相應區域的防汛通信水平與保障能力。

官廳山峽地區的特點是和北京城區相距較近、山洪形成快速、水量龐大、危害性高等，長期以來被水利部設定為全國防汛的重點對象，也被作為北京市防汛工作推進過程中的一個最重要地區。為確保實際調度工作的科學化、防汛減災執行過程的高效化，北京市防訊部門應及時、全面掌握官廳水庫上游山西、桑干河流域以及山峽地區40余個遙測站點的實時降雨量，進而為水文調度以及防汛管理決策工作推進提供可靠的數據支持[6]。

分中心站內不僅配置了主中心站設備，還加裝了傳感器、水情遙測儀等遙測類裝置，兼具遙測報送功能。考慮到容災特性，分中心數據與中心數據兩者進行互為備份操作，并且基于衛星網絡完整傳輸相關信息。采集、報送與處置水文數據是該系統的核心，數據基本的傳輸流程構成如下[7]。

（1）采集。傳感器負責把實時雨量及水位信號（均是模擬量）完整地傳輸至水文遙測儀，遙測儀自主完成信號的模數轉換過程，并將其處理成符合既有水文遙測格式的數據包進行存儲。

（2）報送。在確認抵達設計好的傳輸門限時，遙測儀啟動衛星站電源（長開站無須運用控制電源），并且要實時檢測當前衛星站的運作狀態。如果衛星站自身具備充分的傳輸條件，以衛星鏈路作為媒介呼叫中心站，和中心站衛星裝置、水文前置機共同搭建數據通道。封裝處理數據包使其成為適用于衛星鏈路傳輸的IP數據包，隨后將其安全地傳輸到中心站。在確定中心站接收到有關數據以后，拆除前期建成的鏈路，閉合設備電源。

（3）處置。遠端數據被傳送到水文前置機內以后，按照現行規程對數據進行解包處理并將其安全地存儲于相應數據庫內，運用專用的水文軟件調用中心站具備的各項使用功能。

本系統早在2012年3月就開始投資建設，6月正式投入使用，經嚴格觀測后，現其運行狀態平穩、可靠，雨水水情數據到達率高于98.0%。尤其是于“2012.7.21”特大暴雨自然災害中，本系統在運作過程中充分地顯示了衛星專網通信的優越性，規避了特大自然災害導致的局部公網“癱瘓”引起的數據傳輸過程中斷問題，遙測站信息實現了整體安全抵達，幫助防汛決策部門快捷、精準、完整且扎實地掌握山峽地區雨水水情信息。

通過統計分析“2012.7.21”特大暴雨災害中的雨量數據發現，處在暴雨中心位置的數據信息都實現了精準抵達，客觀呈現了降雨過程中本地區的雨量改變情況，為相關部門開展防汛搶險工作提供了較可靠的數據支持，這也證實衛星數據采集網能很好應對特大型災害帶來的挑戰，其成功運作的經驗主要體現在如下幾方面[8]：一是各類設備設施組裝及施工工藝均實現了規范化；二是具備功能完善化的電源防護體系，包括穩壓、接地以及避雷等手段；三是各座工作站均安裝了太陽能與蓄電池，提升衛星通信的環保性；四是委托具有一定資質的專業隊伍定期對系統進行檢修、維護。

4 結束語

基于水利衛星通信平臺建造水文遙測系統能提升帶寬、強化抗摧毀能力，并且建站過程相對簡單，能對外提供全面的服務。結合遙測系統的實際應用情況不難看出，如果系統規劃設計科學、日常管理工作覆蓋到位、運營維護規范化，必將會使衛星水文遙測系統在應用過程中表現出更大的效能，創造出更多效益。■