陳釗正 ，陳福春 ，鞏懷永 ，彭 英

（1. 江西省高速公路聯(lián)網(wǎng)管理中心，江西 南昌 330003；2. 江西省水文局，江西 南昌 330002；3. 北京金水燕禹科技有限公司，北京 100089）

衛(wèi)星通信是解決偏遠(yuǎn)及公網(wǎng)覆蓋能力不足地區(qū)信息傳輸和應(yīng)急搶險(xiǎn)機(jī)動通信的主要手段，也是地面通信網(wǎng)的重要補(bǔ)充和備份通信手段。衛(wèi)星應(yīng)用關(guān)系到國家利益和安全，為世界各國所重視，歐美發(fā)達(dá)國家和地區(qū)逐漸加大在衛(wèi)星領(lǐng)域的投入；我國自 20 世紀(jì) 70 年代以來，也在衛(wèi)星領(lǐng)域取得了很多突破。目前，我國衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)已覆蓋了公安、交通、氣象、證券、海關(guān)、遠(yuǎn)程教育等 100 多個領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。

為提高防御水患的能力，滿足水利新業(yè)務(wù)的需求，更替改造了 1994 年水利部建設(shè)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。目前新一代衛(wèi)星通信主站已改造完成，采用了27.2 MHz 衛(wèi)星頻段，相較于原有系統(tǒng)，系統(tǒng)性能和適應(yīng)性得到了較大程度的提升，衛(wèi)星通信小站的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本得到了大范圍的降低，針對防汛測報(bào)、應(yīng)急響應(yīng)搶險(xiǎn)、傳感遙測圖像數(shù)據(jù)等實(shí)時性強(qiáng)和敏感度高的水文防汛信息進(jìn)行傳輸和保障，在通信保障、應(yīng)急處理、信息管理等方面起到了重要的支撐作用[1]。

江西省水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)具有分布分散，組網(wǎng)困難，常規(guī)通信手段穩(wěn)定性不高，通信質(zhì)量不強(qiáng)等難點(diǎn)，為提高江西省抗災(zāi)救災(zāi)能力和信息化水平，必須構(gòu)建組網(wǎng)方便、通信質(zhì)量高的通信方式。鑒于新一代衛(wèi)星通信的優(yōu)勢，江西省洪水易發(fā)區(qū)構(gòu)建了一套基于水利部新一代的寬帶衛(wèi)星通信主站平臺的通信系統(tǒng)[2]。

1 衛(wèi)星通信主站平臺

水利部新一代的寬帶衛(wèi)星通信主站平臺支持靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)[3]，基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 協(xié)議平臺，實(shí)現(xiàn) IP 技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的深層融合[4]。與傳統(tǒng)的支持 IP 協(xié)議的衛(wèi)星系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)了速率的優(yōu)化；在抗雨衰方面采取 22.2 MHz Ku 波段和5 MHz C 波段相結(jié)合，共同組網(wǎng)構(gòu)建 DVB-S2 網(wǎng)絡(luò)，采用 Ku 和 C 射頻單元及天線同時上傳。衛(wèi)星通信系統(tǒng)組網(wǎng)如圖 1 所示，主站、分中心小站、便攜式小站等均通過衛(wèi)星進(jìn)行連接和通信。

衛(wèi)星主站網(wǎng)絡(luò)模塊如圖 2 所示，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，通過衛(wèi)星鏈路向各類小站提供廣播、水文專網(wǎng)和公網(wǎng)等數(shù)據(jù)的訪問發(fā)布服務(wù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)按照功能主要分為遙測站、中心站及衛(wèi)星小站 3 類，由于功能定位不同，3 種小站的主要配置也不同。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

圖2 衛(wèi)星主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 遙測站

江西省水文監(jiān)測系統(tǒng)遙測站采用太陽能能源模式，根據(jù)對不同通信方式的遙測水位站、雨量站供電系統(tǒng)的估算，本系統(tǒng)水位站將配置 65 A?h/12 V 容量的蓄電池和功率 40 W 的太陽能板及充電控制器；雨量站將配置 38 A?h /12 V 容量的蓄電池和功率為30 W 的太陽能板及充電控制器。構(gòu)建基于衛(wèi)星通信的雨量遙測通信傳輸站點(diǎn)，采用基于衛(wèi)星 + GPRS的混合通信模式，在站內(nèi)設(shè)置相關(guān)管理局域系統(tǒng)，對采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)當(dāng)時通信的實(shí)時環(huán)境選擇采用衛(wèi)星模式還是 GPRS 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸；根據(jù)各水位和雨量站點(diǎn)水情信息傳輸?shù)木嚯x、路由、自然地理?xiàng)l件、起止地點(diǎn)的通信條件，按基本要求選擇相適應(yīng)的通信方式[5]。遙測站示意圖如圖 3 所示。

圖3 遙測站示意圖

水情自動測報(bào)系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)傳輸通信方式有衛(wèi)星，超短波，PSTN，GSM，GPRS 等方式，通信方式的分析及比較如下：

1）衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信具有覆蓋面積大、組網(wǎng)靈活、可靠性高、維護(hù)簡單、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)；但衛(wèi)星通信終端設(shè)備價格較高，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用相對于超短波和公用通信網(wǎng)而言較高，因而受到投資額度的限制。

2）超短波通信（VHF）。超短波通信是水文自動測報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛、成功的一種通信方式。它的傳輸質(zhì)量介于短波和微波通訊之間，既克服了微波通信的局限性，又比短波通信的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠；缺點(diǎn)是通信距離較近，受地形影響較大，遇高山或其他障礙物阻擋，通信困難易中斷。

3）公共交換電話網(wǎng)（PSTN）。PSTN 具有適用范圍廣，傳輸速率高，沒有無線通信中常有的同頻干擾問題等優(yōu)點(diǎn)，且采用 PSTN 組網(wǎng)無論是設(shè)備造價還是運(yùn)行經(jīng)費(fèi)都明顯低于其它無線信道組建的專網(wǎng)。

由于 PSTN 通信采用電路交換方式，在建立通信連接過程中需花費(fèi)一定的時間。在電路的響應(yīng)速度上，若采用專用的調(diào)制解調(diào)器，一般 1 個報(bào)汛站的數(shù)據(jù)通信在 3～6 s 內(nèi)即可完成；若采用通用的調(diào)制解調(diào)器，通信鏈路的建立大約需要 40 s。當(dāng)所建系統(tǒng)容量較大時，時效慢的問題較為突出，可通過在數(shù)據(jù)接收中心站安裝多條同號電話線和配置專用 Modem 予以解決。PSTN 屬有線通信信道，由電話線構(gòu)成的引雷，極易造成設(shè)備因雷擊而毀壞，因此在建設(shè)防雷地網(wǎng)的同時需配置相應(yīng)的避雷設(shè)備。

由圖5的仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的子空間跟蹤算法比PASTd算法引起的信號子空間估計(jì)誤差要小，在信噪比小于8 dB時，該誤差幅度較為明顯。同樣的，由圖6的仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的子空間跟蹤算法比PASTd算法引起的噪聲子空間估計(jì)誤差要小，在信噪比小于8 dB時，該誤差幅度較為明顯。

4）GSM 短消息。GSM 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是數(shù)據(jù)和移動 2 種通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，GSM 無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使得人們不受空間、地域的限制，可隨時隨地獲取所需信息。在我國已經(jīng)建成覆蓋全國的 GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，并提供話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著 GSM 通訊協(xié)議專用模塊的推出，GSM 的各項(xiàng)業(yè)務(wù)已不僅僅應(yīng)用于手機(jī)通信領(lǐng)域，也應(yīng)用于其它領(lǐng)域的通信需求。專用模塊具有易于開發(fā)的通訊接口和協(xié)議，這為短消息業(yè)務(wù)應(yīng)用于水情測報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)工作創(chuàng)造了很好的條件。雖然短消息業(yè)務(wù)（SMS）一次最多只能傳輸 140 個字節(jié)信息，但用于水情數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸完全可以滿足要求。

5）GPRS。GPRS 是在現(xiàn)有 GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則及 TDMA 幀結(jié)構(gòu)，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。GPRS 允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，可為水情數(shù)據(jù)的傳輸提供更為可靠和快速的通信網(wǎng)絡(luò)。目前 GPRS 可按流量或運(yùn)營商提供的套餐標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)費(fèi)。

由于洪水易發(fā)區(qū)常伴隨發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，PSTN 通信方式在洪水期可能失效，因此本項(xiàng)目采用無線通信方式，以 GSM/GPRS 信道作為水情遙測主信道，目前改建的 61 處水文、水位站及 7 個分中心站采用水利部新一代的寬帶衛(wèi)星通信主站平臺作為備用信道，在 GSM/GPRS 地面設(shè)施設(shè)備受到意外災(zāi)害和損毀時，采用衛(wèi)星通信系統(tǒng)保障防汛水文測報(bào)數(shù)據(jù)的實(shí)時通信傳輸。

3 中心站

中心站為水情（分）中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、供電設(shè)備、防雷設(shè)施及配套土建，可直接利用現(xiàn)有資源。根據(jù)水雨情信息的傳輸方式和充分利用現(xiàn)有資源不重復(fù)建設(shè)的原則，確定在水情分中心配備接收設(shè)備，各個分中心、省中心均配備接收處理計(jì)算機(jī)；省中心配置圖形工作站、數(shù)據(jù)庫與信息發(fā)布服務(wù)器；中心站均配置有 UPS 電源，不再為衛(wèi)星接收設(shè)備配置蓄電池，只需配置 AC220－DC24 交流穩(wěn)壓電源即可；中心站通信值守軟件可以通過 RJ45 口以 TCP/IP 或 UDP 方式接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，因此不再配置串口轉(zhuǎn)換器。中心站架構(gòu)示意圖如圖 4所示。

圖4 中心站架構(gòu)示意圖

4 衛(wèi)星小站

水利部新一代通信系統(tǒng)中，Ku 波段使用 1.2 m天線，C 波段需使用 2.4 m 天線，C 波段衛(wèi)星小站及配套設(shè)備比 Ku 波段的貴 50% 左右，因此選擇 Ku 波段小站可降低系統(tǒng)造價，減少工程量，降低系統(tǒng)維護(hù)難度。

水利部 idirect 衛(wèi)星現(xiàn)有測試環(huán)境均基于 Ku 波段，經(jīng)測試基本滿足遙測系統(tǒng)使用要求，而 C 波段通信情況則沒有一手?jǐn)?shù)據(jù)。

Ku 波段雨衰問題，可以通過暴雨間隙或雨后及時補(bǔ)報(bào)來彌補(bǔ)。特殊情況下，還可以通過衛(wèi)星 IP 電話進(jìn)行人工報(bào)汛。

4.1 衛(wèi)星小站基本功能

選擇的衛(wèi)星小站及配套設(shè)備應(yīng)具備數(shù)傳、上網(wǎng)、通話功能；如個別站點(diǎn)需要增加電視功能，則應(yīng)配置衛(wèi)星電視接收機(jī) 1 套，但只能接收亞洲 5 號衛(wèi)星上的節(jié)目（只有少數(shù)高清臺，且有的為加密節(jié)目，國內(nèi)節(jié)目基本沒有）。

4.2 衛(wèi)星小站安裝要求

衛(wèi)星小站要求嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行安裝，安裝模式如圖 5 所示（圖中尺寸單位為 mm），具體安裝要求如下：

圖5 衛(wèi)星小站地基平面安裝示意圖

1）5 m×5 m 范圍內(nèi)無障礙物，正南、東西 45°，仰角 ≥10o 范圍內(nèi)無遮擋；

2）需 4 個 500 mm×500 mm×300 mm 水泥墩和鋼架。

5 結(jié)語

據(jù)分析，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，使用效果越好，效益就越明顯[6]。根據(jù)江西省水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)工作的實(shí)踐，衛(wèi)星通信主要具有以下優(yōu)勢：

1）應(yīng)急搶險(xiǎn)機(jī)動通信。在水利應(yīng)急機(jī)動通信系統(tǒng)建設(shè)中，可充分利用水利衛(wèi)星通信網(wǎng)建設(shè)應(yīng)急移動指揮車，并適量配備便攜衛(wèi)星通信設(shè)備。

2）“兩小”通信預(yù)警。地處偏遠(yuǎn)的中小河流、水庫治理工作，可因地制宜采用水利衛(wèi)星通信進(jìn)行通信預(yù)警和信息測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)。

3）水雨情信息采集。地處偏僻的水雨情監(jiān)測站，可利用水利衛(wèi)星通信進(jìn)行報(bào)汛，同時，水利衛(wèi)星通信也是水文測站信息傳輸合適的備用通道，特別是遇特大暴雨洪水，公用通信網(wǎng)絡(luò)遭損毀導(dǎo)致通信中斷時，可采用衛(wèi)星信道及時將水情信息發(fā)送至水情中心，并可通過衛(wèi)星電話與各級防汛指揮部門聯(lián)系。

4）數(shù)據(jù)、圖像廣播。充分利用衛(wèi)星通信廣播功能的優(yōu)勢，推動水雨情數(shù)據(jù)分發(fā)、瀏覽和接入，遠(yuǎn)程教育及電視會議廣播等業(yè)務(wù)。

5）異地會商和視頻監(jiān)控?？衫盟l(wèi)星通信，適當(dāng)發(fā)展偏遠(yuǎn)地區(qū)水利單位的異地視頻會商和重要防洪地點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

目前水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)中 GPS 與北斗衛(wèi)星還沒有實(shí)現(xiàn)雙模雙工的工作模式，現(xiàn)有衛(wèi)星通信與原有測報(bào)系統(tǒng)還沒有完美的結(jié)合；下一步應(yīng)致力于構(gòu)建一套融合原有測報(bào)、衛(wèi)星通信、GPS、北斗衛(wèi)星的系統(tǒng)平臺，進(jìn)一步擴(kuò)大視頻監(jiān)控的功能、范圍和作用。

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[2]陳福春，周俊峰，歐陽任娉. 江西省水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十二五”規(guī)劃[J]. 江西水利科技，2011 (6): 24-25.

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[6]丁軍，高廣利，張為. 水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在問題域需求[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2010 (1): 12-14.