基于北斗卫星的自动气象站数据传输管理系统*

张 勇，陈苏婷，张 燕

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京210044）

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统[1]，广泛应用于交通、海洋、气象、水利和测绘等领域[2]。基于北斗卫星短报文通信功能的自动气象站数据传输系统[3]具有无覆盖盲区、全天候实时通信、数据传输成本低、可靠性和安全性高的特点，解决了偏远地区布设自动气象站数据传输困难的问题[4]。同时，北斗系统的授时和定位功能保证了自动气象站精确位置信息和气象数据时间的准确度[5]。

基于北斗卫星的自动气象站数据传输系统在福建和新疆等省份已初步推广应用[6]，但由于气象数据长度远大于北斗短报文通信单次通信数据量[7-8]，因此需分包发送。例如，CDT-441H型北斗用户机IC卡3级通信等级时单次最大通信量为78.5 B，发送数据协议长度为230 B的CAMS620-HM自动气象站数据时，要将数据分3包发送，而短报文通信服务频度为1 min，所以最小发送周期为4 min。可见，现有数据发送的方式不仅使发送频度减小，且使气象数据传输成功率和系统设备利用效率大大降低。此外，自动气象站多布设在偏远地区，对其的监测、维护和管理比较困难。

针对上述问题，设计了基于北斗的自动气象站数据传输管理系统，旨在运用数据压缩技术、北斗短报文通信技术和自动检测控制技术，解决北斗短报文单次通信限制气象数据传输的难题，提高对自动气象站监测、维护和管理的能力。

1 系统设计方案

基于北斗的自动气象站数据传输管理系统由FPGA处理器模块、北斗模块和外围检测控制模块组成。FPGA处理器模块通过I/O口与外围检测控制模块连接，通过双通信串口分别与自动气象站和北斗模块对接，构成集气象数据采集、压缩处理、传输和远程管理于一体的自动气象站数据传输管理系统。系统框图如图1所示。

图1 北斗气象站数据传输管理系统框图

系统包括3个功能模块：气象数据传输模块、远程管理模块和系统检测控制模块。气象数据传输模块接收、处理和发送气象数据；远程管理模块接收、识别和响应基于北斗短报文的远程管理指令；系统检测控制模块用于系统调试、自动检测和控制。

2 气象数据传输模块设计

2.1 数据传输模块工作流程

气象数据传输模块用于接收、处理和发送气象数据，数据传输结构如图2所示。

图2 气象数据传输框图

气象数据传输步骤为：(1)向自动气象站发送气象数据获取指令。指令的最大发送频度小于北斗导航模块的短报文通信频度，指令格式按照自动气象站的数据协议编写。(2)接收并识别自动气象站反馈的数据。根据自动气象站数据协议的起始位0x01和结束位0x0a判定数据的起始、结束和数据的长度，根据第2位0x55和第3位0x42识别数据类型。(3)处理接收到的一帧气象数据，包括数据预处理、数据压缩和数据编码。(4)通过北斗模块以短报文方式将编码数据发送到气象中心。

2.2 气象数据处理

数据处理是本系统的核心，系统根据气象数据的特点，采用预编码LZW编码和静态Huffman编码压缩气象数据。气象数据字符出现频率的高冗余度使利用字符出现频率冗余度压缩数据的LZW编码和Huffman编码能够保证气象数据压缩的效率，且均为无损压缩，保证了压缩后气象数据的信息量不会减少。系统数据处理流程如图3所示。

图3 气象数据处理流程图

首先，对识别后的数据预处理，整理气象数据的标志位等辅助信息并调整数据格式。例如，去掉气象数据正文开始位、结束位等标志位。其次，运用LZW编码压缩数据的字符串，通过步进查询法判定输入的字符串是否与编码表预设的字符串一致，若一致则用预设的字符替代该字符串。然后，根据预设的静态Huffman编码对数据的字符变长编码。最后，整理数据并根据北斗短报文通信协议编码数据。

系统通过数学统计方法统计气象数据特点预设LZW编码表和静态Huffman编码表压缩气象数据，不传输LZW动态编码表和Huffman树的信息，降低了编解码的复杂度，提高了编解码速度。

3 远程管理模块设计

3.1 模块结构及工作流程

远程管理模块接收并响应气象中心基于短报文形式的远程管理指令，完成对数据传输管理系统、自动气象站系统和外围模块的远程管理。具体包括：获取小时和分钟气象数据、系统电源管理、位置定位、北斗模块初始化、通信端口设置、系统校时、气象数据发送频度设置和气象中心ID设置等。远程管理结构如图4所示。

气象中心远程管理流程如下：

(1)接收远程管理指令。通过北斗模块接收气象中心北斗短报文形式发来的管理指令。

图4 远程管理结构框图

(2)指令识别。通过查询法根据预设的指令码表判定指令的具体内容。

(3)指令响应。根据指令的具体内容发送相应控制指令。

(4)接收反馈信息。接收指令执行后的反馈信息并将其发送到气象中心。

3.2 远程管理指令设计

本系统远程管理指令采用指令内容首字母加标志位的格式，使指令具有很强的可识别性。例如，当系统漏发小时气象数据时，气象中心可以短报文形式发送指令XSSJ#，当系统收到指令后远程管理模块向自动气象站发送获取小时气象数据指令UC ，自动气象站收到指令后反馈小时气象数据，系统接收到气象数据后调用数据传输模块将数据发送到气象中心。

现有基于北斗卫星的自动气象站系统缺乏远程管理功能，而本系统远程管理模块不仅能使气象中心实现对自动气象站系统的远程管理，而且管理功能丰富。

4 系统检测控制模块设计

本模块用于系统检测、控制和调试。一方面，本模块自动检测主板温度和电源电压等状态，实现控制电源通断、电池组切换、远程信息报警等功能。例如，当检测到系统存在异常时，模块自动完成控制功能并发送报警信息到气象中心；另一方面，在系统安装调试时配置系统初始参数，如通信端口波特率、气象数据发送频度、系统时间、报警阈值、气象中心ID等参数。系统检测控制模块的功能如图5所示。

图5 系统检测控制模块功能框图

本模块和远程管理模块共同完成对自动气象站的管理，模块的自动管理权限优先级小于气象中心远程管理指令，本模块的设计减少了人工管理的工作量，出现异常问题时能及时自动响应，保护系统设备。

表1 系统测试数据统计分析表

5 系统验证

为验证系统LZW字符串编码与Huffman字符编码相结合对气象数据的压缩能力和系统的传输性能，分别设置了 2 min、5 min、10 min、20 min 4 种数据发送频度对系统进行验证测试，分别统计分析每种发送频度下的连续200帧气象数据，数据统计分析如表1所示。

由统计分析结果可见，气象数据的平均压缩率最小为64.98%，原本需分3次发送的气象数据现在一次即可发送完毕，发送效率提高了3倍，数据传输成功率均为100%。可见，本系统数据压缩率高，且具备远程管理功能，解决了北斗导航短报文单次通信数据量限制气象数据传输的问题，提高了气象数据传输的效率和成功率，降低了自动气象站系统的监测和管理的难度。

[1]李鹤峰，党亚民，秘金钟，等.北斗卫星导航系统的发展、优势及建议[J].导航定位学报，2013，1(2)：49-54.

[2]宋博宇，黄建华，王晓芳，等.“北斗系统”在人防信息化系统的应用[J].微型机与应用，2013，31(24)：4-5.

[3]王小勇，毛夏，庄洪波，等.卫星通信在自动气象站数据传输中的应用[J].气象水文海洋仪器，2009(4)：91-94.

[4]王清文，李岩.气象水文数据卫星传输系统的应用[J].气象水文海洋仪器，2007(4)：24-26.

[5]何亿强，张晓勇，邵胜利.北斗卫星系统在气象数据传输中的应用研究[J].测控与通信，2007(3)：45-49.

[6]姚作新.基于北斗卫星短信通信方式的无人值守自动气象站网[J].气象科技，2012，40(3)：340-344.

[7]于龙洋，王鑫，李署坚.基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输[J].电子技术应用，2012，38(11)：108-111.

[8]胡光明，马民，苏冉冉，等.RDSS短报文通信编码压缩技术研究[C].第二届中国卫星导航学术年会电子文集，2011：195-195.