北斗卫星通信技术在水文测报数据传输中的应用能力分析

◆邱文博 田 政 李冠宇 王亚丁

(国家海洋技术中心 天津 300111)

0 引言

作为我国洪涝灾害的主要预防、发布和处理单位，水文监测站对我国居民生活安全、水利工程建设发展等方面具有重要意义。随着我国科学技术水平的发展，航空航天、卫星通信等高端技术越来越多地被应用到水文监测领域当中，通过更加精准、实时的定位辅助，为工作人员提供了有效的数据导向支持，大大提高了水文监测站的工作质量和工作效率。

1 北斗卫星通信概述

“北斗卫星”是我国自主研发的区域性、实时性卫星定位系统，多次在我国重大灾害事件期间的灾情报告、数据通信等环节发挥出巨大作用。具体来讲，北斗卫星定位通信系统由空间卫星、地面接受站、各类用户机端三个环节组成：

（1） 空间卫星通常为三颗，即一颗在轨备份卫星和两颗地球静止卫星，它们通过光束天线与地球上的基站、用户机端进行实时的数据连接，并根据具体工作要求快速定位任务目标所在的地理区域，将地面数据、导航情况等信息传送给机端用户和相关部门。

（2）北斗卫星定位通信系统地面接收站的总部设在北京，是介于空间卫星端与用户机端间的信息处理站。当机端用户在工作中遇到问题、或发生特殊数据需求时，地面接收站便会根据接收到的要求信号进行针对性的数据分析、处理并及时反馈出响应信号，为测报站工作人员的顺利工作保驾护航。

（3）用户机端也可称为移动端、定位端，按照用途可分为指挥型和普通型两种，是卫星数据的主要接受端口，用于处理和分析空间卫星端发送来的实时数据，继而为水文测报站工作人员的地面活动、工作方向提供数据支持。同时，用户极端还可根据工作人员的具体需求实时向地面基站传送相关信息，并以此获得地面站的有效反馈，继而解决测报工作中遇到的特殊问题。一般情况下，一台指挥用户机在接收到卫星定位相关数据后，可将信息实时传送到其他用户分机端，继而实现区域内人员信息的有效联结。

2 水文测报数据传输中北斗卫星通信技术的工作方式

北斗卫星通信技术在水文测报数据传输中的应用，是以数据报告作为其主要的工作方式，也可采用“一发多收”的方式，并需要充分利用北斗卫星在信道容量方面的优势，其工作原理如下：

2.1 点对点的固定数据传输

北斗卫星与用户终端之间的通信，是通过点对点的固定数据传输来完成的，该过程中需要借助地面站的转站。北斗卫星系统接收来自与水文测站终端发送的波段（频率为 L），然后对该波段进行处理，转化其频率（L→C），再由地面站接收该波段。在一次单项的数据传输之后，需要将C波长处理后发送给北斗卫星系统，再经处理后，转化其频率（C波→S波）。然后由北斗卫星系统将S波发送给水文测站终端。需要接收多种波束的信息码时，则将S波发送给指挥终端。水文测站终端的局限在于可发送信息码的波速数量（仅有 1个），而指挥终端则不会受到该方法的局限，需要根据水文测报数据传输的实际需要进行选择。

2.2 “一发多收”

主站终端与其他用户终端共同建立用户群，主站终端能够在用户终端的映射范围内，将各用户终端均采用相同统一波束，同时发送相同的信息，实现一发多收，并在确认（中心站）、定时自报以及核对（遥测站）后予以采纳处理，极大的提高了广播回执的效率，无需频繁进行传输。水文测报工作效率也会显著提升，更加完整有序的完成数据传输。

2.3 精确授时

由后端设备发送指令，经由北斗卫星水文测报站终端向卫星发送数据报告。该过程中，CDMAS是信道编码和调制的主要方式，根据水文测报的实际需要，收集所有站点的数据，充分利用了北斗卫星水文测报站信道容量大的优势。虽然当前的用户数量有限，尚未形成信道拥堵。但是随着北斗卫星通信技术在水文测报数据传输中的应用能力的日渐成熟，用户数量也将不断增加，北斗卫星通信技术在该方面的优势也将展现出来。北斗卫星通信技术在水文测报数据传输中的应用过程中，需要利用其精确授时功能，能够在 3～5s内完成北斗卫星地面站（发送）和用户中心站（接收）之间的信息传输，极大的提高了工作时效。

3 水文测报数据传输中北斗卫星通信技术应用能力分析

3.1 北斗卫星通信技术在数据传输效率方面的提高

随着科学技术的发展，水文测报技术也在不断的更新和进步，尤其是近几年来，我国自主研发水平不断提高，推动水文测报技术发展速度不断加快。在各种水文测报技术中，卫星通信技术的应用一直备受关注，相关研究受到了社会各界的广泛关注。由我国自主研发的北斗卫星通信系统相比于传统的海事卫星通信系统，在通信效率上得到显著提升。从传统海事卫星通信系统的运行数据来看，在通信时效方面，海事卫星通信系统完成一次信息运输所需要的时间在三分钟左右，数据传输效率低下，会对通信时效性产生严重影响。而使用北斗卫星通信技术后，完成一次信息传输仅仅需要 3～5s的时间，与海事卫星相比，通信效率得到显著提升，通信时效性出现本质性变化。

从通信通道方面来看，以10分钟内的传输数据为例进行比较，海事卫星采用TDMA通信通道，在10分钟内最多能够完成700个数据包的传输。使用北斗卫星通信技术后，由于该通信系统扩大了信道，在10分钟内可以完成1400多个数据包的传输，是海事卫星传输数量的两倍之多。而且在外接数据条件相同条件下，相比于海事卫星通信系统，北斗卫星通信系统在单位时间内的信息传输长度也明显提升。因此，北斗卫星通信系统逐渐代替了海事卫星在水温测报中的应用，目前已经有800多家水文测报单位均选择使用北斗通信系统，采用更先进的通信技术提高通信效率。

3.2 北斗卫星通信技术在自动化程度和系统效率方面的提高

水情测报是水文测报的重点工作之一，对数据准确性由较高要求，其测报结果将作为防汛防旱工作的主要依据。在北斗卫星通信技术的应用下，水情自动测报系统由地面中心站、管网中心站、水情数据中心站和雨量遥测站几部分组成。其中，水情测报站采用被动卫星通信通道，遥测站数量高达145个，可以实现对各个区域水情的全方位监测。该系统自动化程度高，人工操作较少，可以降低人工干扰，提高系统运行效率和数据测报的准确率。因此，被动卫星通信技术在水文测报工作中具有极高的应用价值，可以进一步提升水文测报的技术水平。

4 结束语

综上所述，北斗卫星通信技术开始在民用领域得到有效的应用，在水文测报当中基于数据报告的工作方式，充分利用其功能优势，构建完善的北斗卫星水文测报系统，其工作时效得到显著提升，其应用能力在水文测报的工作实践中得以充分验证。随着科技的发展，水文测报数据传输中的北斗卫星通信技术也将不断成熟和进步，其对于水文测报领域的发展有着积极的推动作用。

[1]徐明明.水文测报数据传输中的北斗卫星通信技术探讨[J].工业技术创新，2016.

[2]周亚平，谢峻，王吉星.卫星通信在高原水文测报系统中的应用[J].水利信息化，2010.