北斗卫星通信技术在新疆山区水文气象监测中的应用

刘玲瑞 田万荣 林立 王新辉 赵泽珍

（新疆水文水资源局 新疆乌鲁木齐 830000)

1 概述

新疆地处内陆干旱区，气候干旱少雨，但局地暴雨频繁，时常酿成洪水灾害，为了使防汛信息能够更为广泛地为社会和各种专业技术人员服务，提高信息服务和应用的水平，我们开发了一套基于客户机/服务器结构的山区水文、气象站自动监测与遥测技术应用系统,该系统集成建设了阿克苏河流域4个遥测站点，和1处阿克苏水情分中心，由于阿克苏河流域地域广阔，河流均发源于山区，气候、地理状况使通讯条件受到限制,造成 GSM/GPRS网络时断时续,自动测报数据传输不畅，经过调研，决定采用北斗卫星来解决监测站到水情分中心的传输问题。它解决了水文、气象自动监测设备与北斗卫星和GSM无线通讯设备的硬件技术衔接和软件衔接问题，探索和提高了山区河流洪水监测技术水平，为今后遥测技术应用提供了宝贵的经验。

2 北斗卫星系统的工作原理

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS)，是继美国全球定位系统（GPS)和俄罗斯 GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能。

北斗卫星导航系统的工作过程是：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。

首先由中心控制系统向卫星一号和卫星二号同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控制系统。

北斗卫星系统具有短报文通信、精密授时、定位精度、系统容纳的最大用户数每小时 54万户等四大功能。截止2012年5月在轨卫星12颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于 20m，授时精度优于 100ns。北斗导航终端与GPS等卫星相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用。北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送 40～60个汉字的短报文信息，在水文气象站自动遥测中有重要的应用价值。

3 山区水文气象监测系统的总体结构

新疆山区水文气象监测系统包括新疆阿克苏河流域的一级支流库玛拉克河、托什干河流域以及台兰河流域。山地海拔2000m～7000m，整个流域东高西低，平均海拔高度3820m。该流域GSM/GPRS网络传输不畅，决定采用北斗卫星来实现监测站到水情分中心的传输。该流域的几个水文站主要监测项目有：水位、流量、降水。该系统是集计算机技术、通信技术及数据采集技术于一体的综合系统，遥测站利用遥测终端机（RTU)和信息采集装置对雨量、水位等数据进行实时采集、存储和传输控制后，利用北斗卫星通信终端及传输设备将数据传输到水情分中心，完成对水位、雨量和其它水文数据的采集和传输。信息流程严格按照国家防汛指挥系统建设要求，采用自下而上、分级处理这个流程实现水文信息的自动采集、传输、处理、服务等。

该系统由遥测站、数据传输部分、阿克苏水情中心站和水情信息查询软件等四个部分组成。阿克苏水情分中心与遥测站间均是星型结构。

3.1 遥测站

遥测站由信息采集装置、遥测终端机（RTU)、数据传输装置、遥测供电设备等四部分组成。阿克苏河流域一级支流库玛拉克河和台兰河上已建的四个遥测站中，前端气象采集设备是锦州阳光公司生产的设备，水文遥测终端机（RTU)均为新疆水文水资源局水文信息中心自行研制的XJSW-2010(RTU)，卫星接收机设备均为北京星地恒通信息科技有限公司生产的北斗一体式普通型用户机。见图1。

图1 遥测站示意图

3.2 遥测终端机（RTU)的介绍

遥测终端机 XJSW-2010（RTU)的硬件部分主要包括接口部分、处理和逻辑控制部分、存储器、人机对话部分、电源控制等五个部分。软件设计为全人机对话方式，以方便使用者操作。

XJSW-2010遥测终端机是以高性能微控制器为核心，具有众多传感器I/O接口和多个通信接口，集数据采集、显示、存储和转发等功能于一体的高性能遥测数字终端设备。有1个12位开关量接口用于格雷码水位数据采集；1个1位开关量接口用于雨量数据的采集；3个标准RS232接口可分别用于连接：超声波传感器、超短波电台、GSM或GPRS、卫星等通信模块、计算机通信，1个16位A/D接口用于模拟量传感器，如压力式传感器。通过计算机对仪器的参数和状态进行设置，对仪器的时间进行校正，读取仪器内的数据并通过配套软件分析水文数据。

XJSW-2010遥测终端机可以通过有线(PSTN、专线等)、无线（短波、超短波、微波)、GPRS/GSM移动通信网及卫星通信（海事卫星、全线通、北斗卫星)等通信组网方式，实现高效可靠的数据传输，完成数据采集、处理、存储以及传输等任务，并可实现系统的远程管理。

气象信息采集设备，采集存贮的结果是非16进制数据，而且没有站号，也没有信息采集的对应时间，要转换成卫星传输认可的可印刷 ASII码。

我们首先了解气象采集设备对采集的数据的编码分析和换算方法，利用 XJSW-2010(RTU)将采集的数据增加站号、增加采集信息的对应时间，并将采集的数据转换成ASCII码。按照《北斗用户机用户接口协议》的信息传输格式，生成的信息编码文本文件通过北斗卫星信道传输到阿克苏水情分中心。

3.3 北斗卫星通信终端

北斗一号/GPS双模一体式数传型用户机，由主机和连接线缆、安装支架组成。北斗卫星通信终端采用 C波段，该频段对雨衰非常小，约为0.2dB，恶劣天气（尤其是雨季)不会影响通信。利用北斗卫星接收机自动搜索较强信号，在阿克苏河流域C波段4波束信号较强，按设定的时间及时间间隔通过卫星向中心站传送数据。如：设置气象数据一般 30分钟发送一次，一般每次发送一组数据，一次卫星接收机开启5分钟，以便数据可靠接收。

图2 气象仪器通讯设置图

卫星平台耗电较大，我们配置了50W直流供电容量的电池和浮充电设备，注意太阳能板放在太阳可以直接照射的地方，这样可支持长期使用。

卫星通信组网就是在遥测站配置“数据采集平台”，将采集的数据信息发射到卫星，经卫星转发到地面网管中心，登记后再由网管中心将信息发到卫星，然后转发到地面接收平台。

4 数据的接收与处理

水情分中心负责数据的接收，阿克苏水情分中心由服务器、UPS供电部分、北斗卫星（或GPRS/GSM)通信接收终端等组成。通过安装在服务器的遥测应用软件系统对遥测站传输来的数据进行解码、纠错和合理性检测后存入实时雨水情数据库，最终通过共享方式提供给管理机构进行洪水预报和调度决策。

4.1 数据的接收

数据接收模块负责接收遥测站发送上传的数据文件,保存到“接收文件信息表”中，并启动数据入库模块。

运行遥测应用软件，如：“阿克苏气象通信.EXE ”，选择“遥测仪设置”菜单后，出现如图2显示界面。可以选择通讯方式。

4.2 信息的接收处理

水情分中心的数据监控软件进行了模块化编程，分为通信设备驱动软件模块、数据入库模块和信息查询模块。

（1)通信设备驱动模块

通信设备驱动模块包括 GSM/GPRS通信模块和北斗卫星通信驱动模块。通信设备驱动模块可实时接收测站传输来的原始数据（水位、流量、降水量等)，经过检纠错后形成顺序原始数据Log（日志)文件。日志文件的形式：

冠字 流水号 报文 发送时间 接收时间

（2)数据入库模块

数据入库模块具有数据录入转换入库功能，数据库的编辑维护功能，人工置数录入的数据转换成统一的数据格式。它负责把接收到的数据文件，根据信息的不同性质采用不同的方式对数据进行解码预处理，经过检错、分类、合理性判别等一系列处理后，分门别类解码入库，存入实时雨水情数据库中，根据表标识，修改相应的基本信息、实时信息，实现最终的数据同步功能。当数据写入数据库失败时，系统具备缓存能力。

（3)信息查询模块

信息查询模块采用C/S结构,用VB6.0编写程序，用Excel的表格功能设计显示界面。从《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》（SL323—2011)数据库中调出数据。其基本功能有：可以查询实时水雨情数据和历史水情数据，可以进行遥测站配置。主要完成以交互方式查看所存水情、雨情、系统运行状态和遥测站以及系统的特征参数等功能。

5 结束语

该系统通过一年多的实际运行，通信畅通率高于98%，而且所有测站的数据在几分钟内收齐，证明北斗卫星系统是最优的卫星数据传输系统。在新疆山区水文气象监测中采用北斗卫星通信，具有以下优势：

（1)该系统提高了我区山区水文气象实时监测的站点密度和覆盖面，提高了报汛的时效性，增加了洪水预报的有效预见期和预报精度，争取了防汛的主动性。

（2)促进水文气象生产模式的转变，通过山区水文气象监测系统，大大减少了人工作业量，从而可以使水文原来点多面广、分散的人力资源配置模式，改为相对集中的基地化管理模式，促进了水文生产模式的转变。

（3)在移动通信网络覆盖不到的地方，而超短波通信又需增加中继站的遥测站点采用卫星通信，是一种比较可行的办法。卫星传输建设快，通信电路开通迅速、简便，室外只有小天线，易避免冻害。

北斗卫星遥测等技术在新疆山区水文气象监测系统的应用，解决了高山寒区个别水文气象要素及冰雪等信息空缺问题，提高了山区河流洪水的监测技术水平，为进一步探索高寒山区应用遥测技术提供了宝贵的经验。

1.阮博，基于 GPRS/GSM 技术的水文遥测系统应用概述，水文，2007年，第4期.

2.潘娟等，水文数据在站存储及GPRS远程提取技术，水利水文自动化，2006年，第4期.

3.水文自动测报系统技术规范，SL61—2003.

4.刘玲瑞，塔里木河流域水文监测系统建设，水利信息化，增刊，2010年12月.

5.北斗卫星导航系统网站，中国卫星导航系统管理办公室，2012年12月27日.