徐明明

（河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北承德，067000）

水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的北斗衛(wèi)星通信技術(shù)探討

徐明明

（河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北承德，067000）

水文測(cè)報(bào)在防旱抗?jié)彻ぷ?、水利工程建設(shè)和管理提供中起著很大的作用，提供數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和人們的切身利益聯(lián)系非常緊密。為了更加了解北斗衛(wèi)星的通信技術(shù)，本文首先介紹了北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)和工作方式，探討北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)站中應(yīng)用的情況，最后討論北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的具體應(yīng)用。本文的探討表明北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)工作中的應(yīng)用前景會(huì)更加光明。

水文測(cè)報(bào)；北斗衛(wèi)星系統(tǒng)；數(shù)據(jù)運(yùn)輸

引言

水文測(cè)報(bào)站為我國(guó)提供防旱防澇預(yù)報(bào)、水利工程建設(shè)、抗洪搶險(xiǎn)管理等重要數(shù)據(jù)，與人們的切身利益息息相關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性有著嚴(yán)格的要求。此外，它涵蓋面積廣闊，需要很多的人力和物力，隨著科技和航天事業(yè)的發(fā)展，水文監(jiān)測(cè)站工作越來(lái)越自動(dòng)化、智能化。

水文站在我國(guó)各地的分布比較廣泛，為確保水文站正常工作，每年都要投入大量的人力和財(cái)力。在沒(méi)有應(yīng)用北斗衛(wèi)星通訊技術(shù)之前，水文站的測(cè)量和管理工作存在著諸多問(wèn)題，比如測(cè)量數(shù)據(jù)的周期過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間不更新，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，或者測(cè)量過(guò)程中存在的問(wèn)題不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)等，都會(huì)對(duì)水文測(cè)報(bào)工作帶來(lái)阻礙。

本文探討了北斗衛(wèi)星通訊技術(shù)投入使用后，水文監(jiān)測(cè)站的工作情況［1］。

1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是空間衛(wèi)星、用戶終端以及地面站。空間衛(wèi)星指的是地球同步衛(wèi)星，一個(gè)系統(tǒng)中有兩顆或者三顆，空間同步衛(wèi)星主要起著連接用戶終端和發(fā)射站的作用，衛(wèi)星上主要安裝了波束天線和變頻轉(zhuǎn)發(fā)儀，其中起重要作用的是波束天線，由于所有的衛(wèi)星都是地球同步衛(wèi)星，所以覆蓋的面積較大，光束天線起到的連接作用也就較強(qiáng)。用戶終端又叫定位終端或移動(dòng)終端，分為普通型和指揮型兩種類型，所起的作用是對(duì)衛(wèi)星和終端之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行在整理和分析，還可以接受用戶的請(qǐng)求以及發(fā)送用戶的信息數(shù)據(jù)等。用戶終端主要由四部分構(gòu)成，分別是用戶操作的控制單元、通信協(xié)議、衛(wèi)星的收發(fā)機(jī)和收發(fā)天線。

地面站其實(shí)是一個(gè)中轉(zhuǎn)站，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在地面的用戶終端進(jìn)行相互通信，其總部設(shè)置在北京。地面站的作用比較大，不僅可以對(duì)運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，還可以回應(yīng)用戶之間的各種事務(wù)，確認(rèn)多方的通知等。地面站是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中和用戶之間聯(lián)系最緊密的設(shè)施，所起作用非常大。整個(gè)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　北斗衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備組成圖

2 北斗衛(wèi)星通信工作方式

北斗衛(wèi)星的主要工作方式是利用地面站的轉(zhuǎn)站便利，建立起空中同步衛(wèi)星和用戶終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)包的形式，這種運(yùn)輸采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定數(shù)據(jù)運(yùn)輸。

測(cè)站終端發(fā)送的是頻率為L(zhǎng)的波段，這些波段被同步衛(wèi)星接受，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)變成頻率為C的波段再傳輸給地面站，此時(shí)完成了一次單項(xiàng)的數(shù)據(jù)運(yùn)輸；地面站接收頻率為C的波長(zhǎng)之后，將波長(zhǎng)進(jìn)行處理之后再次發(fā)送給同步衛(wèi)星；之后，由同步衛(wèi)星進(jìn)行波長(zhǎng)的處理，將C波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化成S波長(zhǎng)；最后，再將S波長(zhǎng)發(fā)送給指揮終端或者測(cè)站的終端，此時(shí)北斗衛(wèi)星通信才完整地完成了一次點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)運(yùn)輸。

指揮終端和測(cè)站的終端有一個(gè)區(qū)別，那就是指揮終端可以鎖定多種波束，而測(cè)站的終端只能鎖定一個(gè)波束。與此相應(yīng)，信息的發(fā)送也是一樣的情況，測(cè)站的終端只能對(duì)一個(gè)波束發(fā)送信息碼，而指揮終端就可以對(duì)多個(gè)波束進(jìn)行信息的發(fā)送。除此之外，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在廣播回執(zhí)的方面還采取另一種工作的方式，那就是建立一個(gè)用戶群，之后將主站的終端號(hào)碼設(shè)置在其他終端的映射范圍里，這樣主站發(fā)送一個(gè)信息，群里所有的用戶都可以收到相同波束的信息，減少終端站之間的傳輸頻率［2］。

3 水文測(cè)報(bào)站具體應(yīng)用

3.1北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

水文測(cè)報(bào)技術(shù)也是不斷在變化的，尤其近幾年，借助科技的進(jìn)步，水文測(cè)報(bào)技術(shù)的發(fā)展變得更加迅速。衛(wèi)星通信自從改革開(kāi)放以來(lái)，就受到人們的極大關(guān)注。目前我國(guó)的衛(wèi)星通信應(yīng)用的有兩種，一種是本文詳細(xì)介紹的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，還有一種是海事衛(wèi)星系統(tǒng)。

在通信的時(shí)效上來(lái)說(shuō)，海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)多進(jìn)行一次完整的信息運(yùn)輸最少需要三分鐘，這對(duì)于數(shù)據(jù)的運(yùn)輸來(lái)說(shuō)屬于比較緩慢的，但是北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行一次完整的信息傳播只需要3秒左右，最多不超過(guò)5秒，兩者的通信時(shí)效在這個(gè)層面上的差別還是較大的。同時(shí)，在通信通道上進(jìn)行比較，按照10分鐘所傳播的數(shù)據(jù)相比，由于海事衛(wèi)星通信所采取的是TDMA，所以最多只能傳輸700多個(gè)數(shù)據(jù)包，但是北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)擴(kuò)大了信令和信道，因此可以傳輸1400多個(gè)數(shù)據(jù)包，相當(dāng)于海事衛(wèi)星系統(tǒng)的兩倍。除此之外，在外界數(shù)據(jù)都相同的條件下，北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)要比海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的信息長(zhǎng)度要大得多。所以綜合來(lái)說(shuō)，北斗衛(wèi)星的通信系統(tǒng)在水文測(cè)報(bào)中的使用率比較高，我國(guó)目前800多家的水文測(cè)報(bào)都選用了北斗衛(wèi)星的通信技術(shù)及系統(tǒng)。

3.2工作原理

水情是每年水文測(cè)報(bào)工作中比較重要的一項(xiàng)工作，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與及時(shí)關(guān)系著水位的防汛防旱工作的開(kāi)展，和人們的生命和生活有著很大的聯(lián)系。北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水情的自動(dòng)測(cè)報(bào)中的應(yīng)用比較熟練，整個(gè)測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要由地面的中心站、網(wǎng)管中心、接受水情數(shù)據(jù)的中心站、以及雨量的遙測(cè)站構(gòu)成，如圖2所示。其中遙測(cè)站比較重要，核心是具有采集水情信息功能的遙測(cè)終端，除此之外還需有傳感器、電源等設(shè)備，系統(tǒng)才能正常開(kāi)展工作［3］。

圖2　工作原理圖

水情的測(cè)報(bào)站中，主通信道是北斗衛(wèi)星的通信，其中遙測(cè)站高達(dá)145個(gè)，屬于一個(gè)復(fù)雜而龐大的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，能保證監(jiān)測(cè)到各個(gè)區(qū)域的水情，相當(dāng)于一個(gè)全視圖，可以全方位保證及時(shí)接收水情的數(shù)據(jù)并進(jìn)行反饋。不僅如此，還有一個(gè)特點(diǎn)是自動(dòng)化的程度較高，不需要過(guò)多的人工操作，保證了系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性，還能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。那些需要人工操作的設(shè)備，技術(shù)要求都不是很高［4］。整個(gè)系統(tǒng)采取的體制是定時(shí)召測(cè)，同行還具有定時(shí)自報(bào)和增量加倍的功能。而且，借助北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有功率效率高的特點(diǎn)，設(shè)備接收的方式為一發(fā)多收，換言之，監(jiān)測(cè)出水情出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，可以在主站上發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，所有相關(guān)聯(lián)的客戶端都可以接受到此信息，從而及時(shí)采取相應(yīng)的解決措施，來(lái)保證人們生活工作的安全，也不會(huì)因?yàn)樗榈脑?，給林業(yè)、牧業(yè)、種植業(yè)帶來(lái)?yè)p害［5］。一發(fā)多收的設(shè)置還屬于雙向通道，不僅主站可以向其他的分站發(fā)送信息，分站也能夠向總站匯總數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)真實(shí)的情況下，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，減短災(zāi)情發(fā)生的時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾乎完全是我國(guó)自行研發(fā)的，比較適合我國(guó)的水文測(cè)報(bào)的實(shí)際情況，同時(shí)水文測(cè)報(bào)工作又是關(guān)乎全國(guó)人民的事情，將北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用在水文測(cè)報(bào)的工作上，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。雖然在現(xiàn)階段，遺留下來(lái)的水文測(cè)報(bào)問(wèn)題還沒(méi)有得到完全解決，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)也還存在著很多弊端，但是科技在不斷發(fā)展，并且實(shí)踐工作也在不斷進(jìn)行，相信隨著時(shí)間的推移，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)工作中的應(yīng)用前景會(huì)更加光明。

［1］劉堯成， 華小軍， 韓友平. 北斗衛(wèi)星通信在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］. 人民長(zhǎng)江， 2007， 38（10）: 120-121.

［2］田勇. 北斗衛(wèi)星通信在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］. 科協(xié)論壇， 2013（12）: 162-163.

［3］武震， 賈文， 張寧. 北斗衛(wèi)星通信在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)新通信， 2013（21）: 120-121.

［4］陳鋼. 基于北斗的遠(yuǎn)程水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［D］. 四川: 西南石油大學(xué)，2013.

［5］楊春華. 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通訊信道設(shè)計(jì)［J］. 人民長(zhǎng)江， 2009，40（9）:12-14.

Discussion on Big Dipper Satellite Communication Technology in Transmission of Hydrological Data

Mingming Xu（Hebei Chengde Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Chengde， Hebei， 067000， China）

Hydrological forecast plays an essential role in flood and drought control， water conservancy project， and management providing. Offering data of accuracy is associated with people's vital interest. In order to further understand the communication techniques of Beidou satellite， this paper first introduces the communication system and working mode of Beidou satellite， and then， discusses its applications in hydrological prospecting station. At last， applications of data communication of hydrological forecast are carried out. The discussions of this paper indicate that the communication techniques of Beidou satellite will have more and more brighter prospects.

Hydrological Forecast； Beidou Satellite System； Data Transportation

TV12

A

2095-8412 （2016） 04-831-03

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.068

徐明明（1984-），男，山東濟(jì)南人，工學(xué)學(xué)士，天津農(nóng)學(xué)院畢業(yè)，工程師。研究方向：水文測(cè)報(bào)、水資源、水土保持、水平衡。

E-mail: 254890195@qq.com。