周 勇

（中國氣象局發(fā)展研究中心，北京　100081）

1　引言

觀測數據是氣象預報和服務的基礎。除觀測設備自身性能外，站網布局對于預報和服務質量也有重要影響。實際工作中，氣象觀測站往往會受到環(huán)境條件限制，難以布設到預報服務所需的最佳位置，從而影響預報準確率或服務效果。通信條件是其中最重要的制約因素之一。在電信基礎設施較差的山區(qū)、沙漠、海島等處，問題尤為突出。目前，衛(wèi)星通信是國內外解決邊遠、偏僻地區(qū)氣象通信問題的主流方式，如：美國GOES衛(wèi)星的數據收集系統（DCS）[1]、日本葵花衛(wèi)星（Himawari）的數據收集平臺（DCP）[2]、印度INSAT衛(wèi)星的數據中繼轉發(fā)器系統（DRT）[3]、中國北斗衛(wèi)星導航系統的短報文通信平臺[4]等。北斗衛(wèi)星導航系統是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統，具有快速定位、短報文通信和精密授時三大功能，廣泛應用于交通、海洋、氣象、水利和測繪等領域。應用北斗衛(wèi)星承載氣象數據通信業(yè)務已有多個成功案例，在站網結構、數據流程、編報格式、壓縮編碼、控制方式等方面也有了一定的經驗積累[5-10]。

對于山區(qū)、沙漠、海島等處的無人值守自動氣象站，由于其環(huán)境條件特殊，采用北斗衛(wèi)星通信時，需要在供電、編碼、監(jiān)控等方面進行特殊設計。依托國家高技術產業(yè)發(fā)展計劃項目“基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范工程”，設計的無人值守自動氣象站北斗通信技術方案，已經在西藏珠峰、內蒙古朱日和、南沙群島等地得到實施，數據傳輸完整率、正確率和傳輸時效均能滿足業(yè)務需求。該方案解決的若干關鍵技術問題，也可以應用于海洋、水文、地震監(jiān)測等更多領域。

2　系統總體結構

基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范系統主要由遠端站分系統和主站分系統兩部分組成（圖1）：

（1）遠端站分系統，可分為采用固定式北斗通信終端（固定終端）的自動氣象站和手持型北斗用戶終端（手持終端）兩種，將自動氣象站觀測數據/手持終端所采集的數據以及定位信息、通信信息和報警信息等通過北斗衛(wèi)星上傳；同時接收上級監(jiān)管部門的數據和指令。

圖1　“基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范工程”系統總體結構圖

（2）主站分系統，包括北斗衛(wèi)星定位總站、中國衛(wèi)星北斗綜合信息服務平臺和國家氣象信息中心國內通信系統北斗數據接收系統。中國衛(wèi)星北斗綜合信息服務平臺既可以通過北斗指揮型集團用戶機直接接收遠端站氣象觀測數據，也可以通過地面專線或互聯網從北斗衛(wèi)星定位總站獲取原始報文，經數據解碼、解壓縮、報文合并后，按照中國氣象局相關業(yè)務規(guī)范，生成標準的自動氣象站數據文件，再通過地面專線（并以互聯網作為備份通信方式）傳送到國家氣象信息中心國內通信系統北斗數據接收系統。

3　遠端站數據流程

北斗衛(wèi)星系統對短報文通信的報文長度和發(fā)報頻次都有所限制，用于傳輸自動氣象站數據時，一般需要先進行數據壓縮、數據文件分包等技術處理，才能進行傳輸。遠端站數據流程如圖2所示。在自動氣象站內部，氣象傳感器模擬信號經過模數轉換（A/D轉換）和加工處理，轉換成數字信息，經數據壓縮和數據拆分打包后，生成符合北斗衛(wèi)星通信系統格式的報文，然后自動生成相應的控制指令（如：與主站的握手信息、數據發(fā)送控制指令等），通過RS-232接口發(fā)送給北斗衛(wèi)星通信終端發(fā)送到主站；北斗通信終端接收主站發(fā)回的應答信息，并根據接收狀態(tài)和信息內容，判定啟動（或繼續(xù)）數據傳輸，或是進入異常處理。

圖2　遠端站數據流程

北斗短報文通信采用串口非同步傳送方式，傳輸速率4800～115200b/s，默認值為115200b/s，并可根據用戶需求設置其他速率[11]。民用通信終端有機卡分離、機卡一體兩種類型。通信報文長度和最小發(fā)報間隔由授權卡類型決定。常用民用非加密用戶卡，每條短報文信息最大容量為44個漢字或157 個十六進制數，連續(xù)兩份短報文的最短發(fā)送時間間隔是1分鐘[12]。

數據壓縮可分為有損壓縮和無損壓縮兩類[13]。根據業(yè)務應用需求，自動氣象站觀測數據必須采用無損壓縮。常用無損壓縮技術有霍夫曼（Huffman）編碼、算數編碼、游程編碼（RLE）、字典編碼等。出于編碼效率和穩(wěn)定性方面的考慮，“基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范工程”采用了定長字典編碼方式，壓縮字典如表1所示。

表1　基于北斗衛(wèi)星的無人值守自動氣象站數據壓縮字典

該壓縮算法利用了自動氣象站觀測數據有效字符數量有限的特點，利用數據壓縮字典，把8bit 的ASCII碼字符轉換成為4bit編碼，再將兩個4bit 編碼合成為一個8bit編碼（即1Byte）。

數據壓縮率=壓縮后數據量/壓縮前數據量×100%=壓縮后單個字符占用字節(jié)數/壓縮前單個字符占用字節(jié)數×100%=4/8×100%=50%。

該方式易實現、效率高、無誤碼擴散效應，且壓縮后文件長度固定，便于后續(xù)處理。

4　太陽能供電子系統

建在山區(qū)、沙漠、海島等處的無人值守自動氣象站，常常難以從公共電力網絡獲得穩(wěn)定可靠的電力供應，需要配套建設獨立的自主供電系統。在陽光充足、較少遮擋的地方，一般以太陽能供電方式為首選。

4.1　系統結構

太陽能供電系統主要由太陽能電池板、蓄電池和充放電控制器等組成[14]，如圖3所示。北斗通信終端可以和自動氣象站共用一套太陽能供電系統，也可以分開設計。前者結構簡單，部件和故障點比后者少，因此被“基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范工程”所采用。

太陽能電池板的作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存貯于蓄電池內備用。蓄電池用于在夜間、持續(xù)陰雨天氣等無日照或日照不足時段內，為負載提供電力供應。太陽能充放電控制器用于控制太陽能電池板對蓄電池充電，并監(jiān)控負載的用電參數，具備穩(wěn)壓和限流功能，為自動氣象站和北斗通信終端提供穩(wěn)定可靠的電力供應。

圖3　太陽能供電系統結構示意圖

4.2　關鍵參數計算

4.2.1總耗電量

通常，北斗通信終端的功耗遠高于自動氣象站。以CAWS600六要素自動氣象站為例，輸入電壓6V，工作電流32mA，工作功率約0.2W。而北斗通信終端的待機功率約4W，最大發(fā)射功率40W（低功耗型號）或100W以上（普通型號）。因此，決定太陽能電池板和蓄電池設計容量的主要是北斗通信終端。

以采用低功耗型北斗通信終端和CAWS600六要素自動氣象站的無人值守自動氣象站為例，按每5分鐘傳輸1次數據，每次分2個數據包發(fā)送，每包數據發(fā)送時發(fā)射脈沖寬度為0.2秒計算，全天總耗電量估算方法為：

式中，Wd為全天總耗電量，以瓦時（Wh）為單位；P1為北斗通信終端待機功率；P2為自動氣象站工作功率；P3為北斗通信終端發(fā)射功率；n為每小時上傳數據的次數（n=60/5=12次/小時）；m為每次發(fā)送數據包個數（取m=2）；tp為發(fā)射脈沖寬度（tp=0.2秒）。計算可得全天總耗電量為102.08Wh，實際工作中，可以按照每日100Wh進行工程設計使用。

4.2.2蓄電池容量計算

按8天無充電狀態(tài)下能保持正常運行計算，8天總耗電量≈100×8=800（Wh）?？紤]長時間頻繁充放電和低溫對蓄電池放電性能的影響，取修正系數1.5（在北方高寒地區(qū)，因電池效率降低，應選擇更高修正系數），使用12V電壓蓄電池時，蓄電池總容量=800×1.5/12=100（Ah），即適合需選用12V 100Ah的蓄電池。

4.2.3太陽能電池板容量計算

影響太陽能電池板對蓄電池充電效率的因素較多，如：蓄電池組充電效率、日照強度、太陽能電池板安裝方位和角度、表面塵污遮蔽或老化情況、太陽電池板組合損耗、控制器的轉換效率等。理論計算比較繁瑣，而且部分參數難于精準獲取，所以在實際工作中，可以采用經驗值進行估算，方法如下：

首先，通過查閱氣候資料，獲得建站地點在日照時數最少的月份內，每日平均的日照時間，并將此作為單日最短有效充電時間；然后，根據耗電量需求（參照上文計算值）及太陽能電池板充電效率（一般采用工業(yè)估值），計算出太陽能電池板容量需求；最后，根據市場常見產品的規(guī)格進行太陽能電池板選型（除非有特殊情況，應盡量采用工業(yè)化批量產品，以便于后期運維）。以某地為例，經查閱氣候資料，可知該地在日照時數最少的月份內，每日平均的日照時間為3小時，以此作為正常日照條件下一天的最短有效充電時間，按全天總耗電量100Wh，每小時實際充電量為標稱值的40%計算，若要實現單日充滿電的能力，所需太陽能電池板容量=100/3/40%≈83（W）。參考市場產品規(guī)格，實際工作中，可以選擇80W太陽能電池板。

5　海島站特殊處理

海島自動氣象站是一種野外型、無市電、無人堅守的全自動氣象站，系統要求具有很好穩(wěn)定性、可靠性、兼容性和一致性，能夠工作在高溫、高濕、高腐蝕及高鹽霧的惡劣環(huán)境中，并滿足全自動無人值守運行的各項功能和性能要求。

與內陸自動氣象站相比，建設基于北斗衛(wèi)星通信的海島型自動氣象站，要進行幾項特殊處理：一是按國家三防級別——IP65級，對所有元器件進行了三防處理，以提高系統的可靠性高，有效地延長設備的使用壽命，保證長期在海島惡劣環(huán)境下連續(xù)穩(wěn)定工作；二是采用低功耗設備，并采用雙路太陽能供電，以提供穩(wěn)定、可靠的電力供應；三是關鍵部件采用適度冗余設計，如：采用雙溫度傳感器冗余配置，并可自動或遠程遙控切換，以保證系統安全穩(wěn)定長期工作；四是加強監(jiān)控模塊軟硬件功能，使其能夠發(fā)現和分析各類深層次問題，并實現遠程監(jiān)控和一般性故障的遠程遙控處理；五是提高設計技術指標，如：器件和整系統工作溫度范圍-40℃至+60℃、抗陣風能力100m/s、平均無故障時間大于5，000小時等。

圖4　基于北斗衛(wèi)星的無人值守海島自動氣象站設備連接圖

6　結束語

北斗衛(wèi)星通信為解決山區(qū)、沙漠、海島等特殊地點氣象觀測數據的傳輸問題提供了一套可行方案。國家高技術產業(yè)發(fā)展計劃項目“基于北斗的氣象監(jiān)測應用示范工程”的順利實施，為后期在氣象觀測領域推廣使用北斗通信技術積累了技術和工程經驗，起到了很好的示范作用。

本文所述技術方案已經投入實際應用，能夠滿足業(yè)務需求，達到了預期效果，但也存在一些不足之處。一是數據壓縮編碼的可擴展性差，雖能滿足當前業(yè)務應用需求，但如果今后觀測數據字符集擴充，就必須進行改進，采用更加靈活的數據壓縮方式[15]。二是為了減少傳輸數據量，對于自動氣象站報文中的區(qū)站號、經緯度、海拔高度等固定值，不進行傳輸，而是通過中國衛(wèi)星北斗用戶服務平臺的系統配置參數表，建立北斗通信終端號與自動氣象站參數間的對應關系，由用戶服務平臺完成重新編報工作，因此，如果更換某站點的北斗通信終端，就必須修改用戶服務平臺系統配置參數表。隨著北斗通信能力的增強，上述問題也將得到改善?！?/p>

[1]GOES DCS System Capacity.[2018-01-22].http：//www.noaasis.noaa.gov/DCS/docs/System_Capacity.docx.

[2]Key technical speci fi cations of DCPs for Himawari-DCS.[2018-01-22].http：//www.jma.go.jp/jma/jma-eng/satellite/nmhs/dcp89.html.

[3]INSAT-3D，Advanced Weather Satellite，Completes Two Years in the Orbit.[2018-01-23].http：//www.isro.gov.in/insat-3d/insat-3d-advanced-weathersatellite-completes-two-years-orbit.

[4]北斗系統增強系統.[2018-01-28].http：//www.beidou.gov.cn/xt/zqxt/.

[5]成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛(wèi)星導航系統的長報文通信協議[J].海洋技術，2008（01）：26-28+31.

[6]張勇，陳蘇婷，張燕.基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數據傳輸管理系統[J].電子技術應用，2014，40（05）：21-23.

[7]賈勝輝.北斗衛(wèi)星在氣象數據傳輸方面的應用[A].中國科學技術協會學會、福建省人民政府編.見：經濟發(fā)展方式轉變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國科學技術協會年會（第二卷），2010：6.

[8]姚作新.基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無人值守自動氣象站網[J].氣象科技，2012，40（03）：340-344.

[9]黃穎，唐小明，黃水生，李惺穎.林業(yè)野外巡護采集信息北斗短報文編碼設計及應用[J].中南林業(yè)科技大學學報，2014，34（08）：106-110.

[10]孔衛(wèi)奇，楊志勇，馬尚昌.基于北斗通信系統氣象水文漂流浮標設計與實現[J].現代電子技術，2017，40（19）：160-163.

[11]北斗一號用戶機數據接口要求（2.1版）.2018-01-18].https：//wenku.baidu.com/view/8f24f83f04a1b0717ed5dd8f.html.

[12]繆袁泉，丁琪，胡知斌.基于北斗短報文功能的疏浚船舶數據傳輸系統設計[J].中國港灣建設，2014（10）：53-56.

[13]賈洪峰譯.數據壓縮導論[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[14]劉華.太陽能供電系統設計與研究[J].通訊世界，2016（12）：125-126.

[15]王柏林，花衛(wèi)東，陽艷紅.北斗衛(wèi)星通信在應急自動氣象站中的應用[J].氣象與環(huán)境科學，2015，38（02）：115-119.