北斗卫星通信在自动气象站数据传输中的应用

· 文|孟宪伟 范晓东.安徽四创电子股份有限公司2.中国科学技术大学

北斗卫星通信在自动气象站数据传输中的应用

· 文|孟宪伟1，2范晓东11.安徽四创电子股份有限公司2.中国科学技术大学

传统地面无线通信网络在偏远山区等地理环境恶劣地区存在覆盖盲区，且易受到地质灾害等因素的影响，而北斗卫星通信系统在北斗卫星覆盖范围内具有全天候无盲区短报文通信功能。本文利用北斗卫星通信功能构建了自动气象站的数据传输系统。文章首先介绍了北斗卫星通信的特点，在此基础上重点阐述了“多点对一点”的气象数据传输系统设计方法及其控制软件的工作流程，并结合示范工程给出了其技术应用状况，实践中北斗通信能够可靠地实现气象数据的传输。

自动气象站 北斗 短报文 多点对一点 数据传输 示范工程

一、引言

自动气象站按照通信方式可以分为两类，即有线遥测自动站和无线遥测自动站，有线遥测方式适用于传输距离较近或自动站靠近生活区、有线网络易于实现的环境，无线遥测方式则适用于无人烟区、海岛高山等不易实现有线网络的环境。其中无线遥测可以通过GSM、GPRS、CDMA和卫星移动通信等方式实现。表1对各种无线通信方式的性能进行了比较。

据表1可知，在无线网络覆盖地区，选择GSM/ GPRS/CDMA中的任意一种都可以达到数据传输的目的，但在没有网络覆盖的区域，以上方式都会失效。气象数据单位时间传输的数据量不大，但其安全性和实时性要求很高，并且很多观测站位于地面通信环境恶劣地区，综合上述因素的考虑，在我国境内无盲区的北斗卫星通信方式成为首选。本文在介绍了北斗卫星通信系统的工作流程及通信特点的基础上给出了一种基于北斗卫星通信的自动气象站数据传输系统的设计方案。

表 1 几种常用无线通信方式的比较

二、北斗卫星通信特点及系统设计

1. 北斗卫星系统介绍

北斗卫星系统由三大部分组成：空间端、地面端和用户端。空间端即北斗空间卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干地面站，用户端为北斗各型号终端用户机。系统框图如图1所示。系统包括“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空间部分由两颗静止轨道卫星和一颗备份星组成；北斗二代空间部分由5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星组成。

北斗卫星导航系统具有通信、定位和授时三大功能，自动气象站数据传输主要是运用了北斗卫星系统的通信功能，北斗一代卫星以及北斗二代卫星中的静止轨道卫星均提供通信服务。

>> 图1 北斗卫星系统框图

2.北斗卫星通信特点

北斗卫星通信系统覆盖范围广、没有通信盲区、信息加密传输安全。用户终端机分为指挥型用户机和通信型用户机，指挥型用户机可以监收其所有下属用户机的通信数据，并可以向其任一下属用户机发送命令或与其进行数据通信。但其短报文通信也有其局限的地方：①单次通信容量有限，民用通信容量仅有100字节左右；②通信频度受控，民用通信频度在1min左右；③没有通信回执，可靠通信需要采取相关辅助措施。

3.数据传输系统设计

自动气象站数据传输系统一般由一个气象监控中心和若干个野外无人值守观测站组成，数据传输方向为多个观测站的气象数据向一个监控中心传输的“多点对一点”的通信模式，其传输方式有主动自报式和交互查询式。主动自报式是指观测站按照一定的协议机制主动将采集到的气象数据上报至监控中心，而交互查询式则是以监控中心为主动方，观测站解析监控中心的指令，并做出响应。主动上报式应用的场合要求一次通信成功率高，而交互查询式则要求系统的通信资源相当丰富，并且通信费用低廉。结合北斗卫星通信的特点，本文采用以主动上报式为主，辅助以交互查询功能实现气象数据的有效传输。

（1）系统硬件架构

本系统是针对发端——野外气象站采集设备与收端——监控中心显控软件间通信链路设计的，目的是将各野外气象观测站已经数字化的气象数据通过北斗卫星系统安全有效、及时准确的传至气象监控中心。该系统的硬件架构如图2所示。

>> 图2 传输系统架构

系统给各野外观测站均配备一台北斗通信型用户机和一台编码器，由各观测站的风光互补供电系统供电；监控中心配备一台北斗指挥型用户机和一台解码器，通过适配器取电于监控中心市电。编、解码器内部硬件电路相同，各配有一个微处理器，由其完成数据的协议转换与命令的识别与响应，通过烧制不同程序分别实现编解码功能。各模块间的有线互联端子间采用RS232电平串口连接。工作于主动自报式模式时，前端编码器负责将观测站定时采集到的数字气象数据进行编码和加密，并转换为北斗协议格式的通信申请信号，再传至北斗通信型用户机，通过北斗卫星系统发送到监控中心指挥机，指挥机解析广播信息，将通信信号送到解码器进行处理，数据在终端解码器得到解码解密还原为原始气象数据，并在显控软件上得到显示。用户也可以通过监控中心的显控软件查询与设置各观测站气象设备的状态或发送数据丢失重发指令。

（2）系统控制软件设计

传输协议的设计要充分考虑到气象通信需求与北斗卫星通信的特点间的关系。单包数据量及其通信频度是最重要的两个指标项，气象设备传输的数据量随着气象要素的增加而增大，一般七要素气象站的单包数据量已是北斗民用通信容量的3～4倍，但是其传输频度要求不高，一般为整小时点上报或正十分钟上报，综合考虑以上要求，基于北斗卫星通信的气象数据传输采用分帧传输是不错的选择。然而，北斗民用通信协议中并没有丢失重发机制，且数据丢失后北斗卫星系统没有回执信息，基于此，我们在系统传输协议的设计时还要增加数据校验和丢帧重发功能。以上功能均有编、解码器来完成，在编码器与解码器数据通信中增加了一层内部协议，保证数据的可靠传输，实现系统可控运行。

三、应用

1 .示范项目背景

随着社会和国民经济的高速发展，人们对气象问题、气象灾害的认识将越来越高，对因气象而产生的灾害的控制要求也越来越高，这样就迫切需要更准确地了解和掌握本地的气象特性和气象规律。近年来，因气象所造成损失的绝对值越来越大；另一方面，气象环境的问题也越来越突出，例如2008年的南方雪灾、冻雨问题，2010年南方特大旱情问题。由于气象灾害每年都有发生，并且气象灾害问题在一些地区将会越来越严重。许多监控和数据采集系统的通信方式采用了超短波，但由于超短波通信的特点，高山等恶劣地势阻挡必须增加中继站，多级中继使得设备投资、土建投资和运行维护费用增加，同时可靠性也降低了。随着北斗系统在民用领域的应用推广，借助北斗系统所提供的通信平台，利用北斗终端机的双向短信息传递功能，可以很好地解决气象监测数据的通信问题。

在此背景下，国家基于北斗卫星通信的高山气象站示范工程应运而生。由安徽省气象局、北京华云公司（提供气象传感设备）、安徽四创电子股份有限公司（提供北斗数据传输设备）协力合作在金寨县建成了安徽首个高山自动气象站。

2 .应用效果

高山气象站示范工程由两个野外高山站和一个中心主控站组成。两个发端均位于天堂寨风景区海拔1700多米的高山上，收端位于金寨县气象局，是一种简化的“多点对一点”模式。

图3 给出了高山观测站发端北斗通信型用户机的实物图。

七要素自动气象站在大别山主峰安装调试成功，并正式投入运行，系统工作至今性能稳定。这是中国气象局在安徽建立的第一个基于北斗卫星通信的高山自动气象观测站，可对气温、气压、降水、湿度、风向、风速、地温等气象要素实现自动观测，系统采用风光互补供电，测试数据采用北斗卫星通信传输，可实现远程实时监控。由于观测站位于大别山主峰，又地处江淮分水岭，该站点已成为重要的天气指标站，同时为天堂寨风景区晋升为国家5A级风景区，提供了必要的气象服务保障，应用效益显著。

>> 图3 高山观测站北斗通信型用户机

3. 应用推广

基于北斗卫星通信的自动气象站示范工程在金寨县天堂寨建设完成至今运行健康，工程成果卓著。该应用已经相继在福建泉州、天津蓟县以及新疆建设兵团驻地等地方得到推广，为当地的气象数据传输提供了可靠保障。

四、结束语

本文采用北斗卫星通信实现了“多点对一点”的自动气象站数据传输系统的设计。链路中增加了编解码控制器，实现了对数据传输的系统以主动自报传输方式为主，节约了通信资源，节约了通信费用，采用数据分帧传输，解决了数据流量大于信道传输速率的矛盾，同时系统带有查询设置、数据丢失重发功能，使得数据传输更可靠。本系统设计方法不仅能够很好的将北斗卫星通信系统应用于气象数据的传输，也可用于地质灾害监测、水文预报、危化品运输、智能交通、电力监控、海洋渔业等众多领域。