气象观测数据传输的影响因素定性分析

高健

摘 要：气象观测数据的传输质量直接影响到了整个气象观测系统的实时性与准确性，因而成为了该领域内研究的重点内容。本文根据工作实践，对数据传输过程中可能对通信质量造成影响的各种潜在因素进行了逐一的分析，从大气环境方面、电磁干扰方面、电缆感应电动势方面以及地线影响等各个层面进行了综合探讨与细致的研究，并在此基础上对设备安装及维护保养工作提出了一些合理化建议，对保障气象观测数据传输质量起到了积极的促进作用。

关键词：气象观测设备；数据传输；信号质量；影响因素

随着气象观测业务的发展和自动化观测设备的大量使用，数据传输与信号通信环节的维护工作重要性不断提高，也给地面气象观测设备保障人员带来了更高的技术挑战。本文结合实际工作经验，对气象数据传输的影响因素进行定性分析，深入研究这些因素对通信信号的影响模式，以及如何进行避免和改善，现总结如下。

1 运行环境的信号干扰影响

1.1 大气环境变化影响分析

在气象观测设备当中，大量使用了GPRS技术作为无线通信的核心技术，该技术是基于GSM的无线分组交换技术，由此可以看出，气象数据的传输大部分是依赖电磁波作为载体的，这就势必会受到大气环境的影响。从信号学理论方面分析，由于目前使用的电磁波波长远远超过了气体分析直径，因此可将后者忽略不计，把气体分子对信号的影响作用近似的等价于电磁波和球形粒子的相互作用。从实际应用方面分析，大气折射、大气闪烁、电离层闪烁和法拉第旋转等自然现象都会对气象信号传输构成负面影响，形成信号的衰减和起伏；另一方面，也必须考虑到大气湍流的运动对一系列大气环境参数构成的影响，从而间接影响到气象数据的传输质量，使得信号噪声增大，数据包的误码率上升。

1.2 电磁干扰影响分析

电磁干扰往往由有源设备发出，并随功率的提升而增大，这类干扰对电磁波信号的影响相当大，是干扰电缆信号并降低信号完好性重点因素。在GPRS信号传输过程中，电磁干扰的作用模式往往是通过空间将其信号耦合（干扰）到另一个信号网络，从而对该网络内的信号构成严重的影响，导致其失真。干扰信号的辐射传输特点使得其以球状发散的方式从源头向四周扩散，影响效果随着距离的增加而逐渐减弱。

1.3 环境干扰源的分析与解决

在设备安装和维护过程中，针对环境因素的干扰问题，一方面可针对网络传输设备中的物理层模块进行优化与改进，例如强化其差错控制机制，使得设备对偶发的传输异常具有自检定和自排查功能；另一方面也可通过高层协议来添加相关的数据异常解决功能，如在应用层设置差错控制机制，对丢失、出错、失序的数据包进行重传，对重复的数据包也能够可靠的检查并丢弃；针对电磁干扰，可首先考虑设定科学合理的设备间距，以及各个设备的运行功率，前者可使得设备远离干扰源，并将干扰的影响降到最低，而后者则从源头上减少干扰信号的功率，缩减其影响范围。

2 气象观测设备间的信号干扰影响

2.1 电缆感应电动势的影响

为了确保通信质量，地面站观测设备间往往采取各种有线连接方式，借助通信电缆来实现整个系统的网络化。各个采集器和传感器所连接的通信电缆均需要埋设在地下井平行布设，而电源线路也在其中。根据电磁理论，电缆回路的磁场瞬值变化对通信线产生感生电动势，该电动势会驱使电子流动，形成感应电流，会对通信线路中的信号造成程度不等的影响。数字信号的抗干扰能力较强，识别性能较好，因此受到此干扰时，基本不会影响到接收端的采样精度，而当线路中为模拟信号（如传感器与采集器防雷板时间）时，则会受到较强的干扰影响，甚至破坏信号波形状态，大大提高了接收端的采样误差，从而导致数据传输误码率和丢包率的上升。

2.2 地线造成的电磁干扰影响

众所周知，地线中存在阻抗，而正是这一因素导致了在传输信号的过程中，地线上会产生电压，从而会产生地线环路电流，形成地环路干扰。另一方面，当两个电路连接在同一根地线上时，还会形成所谓的公共阻抗干扰，即耦合现象。而在长时间的台建工作中发现，多数传感器设备均贯通地线，形成多个电路共享同一根地线的情况，这会导致地线环路干扰极大的影响模拟信号的传输；此外，若采集器和电源系统同时贯通地线，则地线往往呈现较大的阻抗，这会导致原本抗干扰能力较强的数字信号的传输同样受到公共阻抗耦合问题的影响。下图中给出了地线环路电流干扰模型，图中两个接地的电路均受到了地线阻抗的影响，地线中有电流经过时，就会产生电压。尤其当地线附近有大功率设备开启运转时，这一电流强度也会明显提高，带来强烈的干扰，且由于电路的不平衡性，各条线路中的电流强度均存在差异，而由此也会产生差模电压，最终也对数据信号的传输构成了负面干扰。

2.3 设备间干扰影响的分析与解决

从误差机制方面分析，数字信号传输距离较近，且带宽相对较低，因此可使用多种机制的差错解决方案。如采取多次采样信号，并使用加权平均方法对样本集进行分析。虽然单次采样仍然会出现各种测量误差，且因为干扰因素的不同而呈现出不规则和无法预测的特征，但总体上看，样本群体依旧会服从统计规律，通过对测量数据的统计处理，能在理论上消除对测量结果的影响。

结合建站实际情况，解决地环路干扰的方法有切断地环路、增加地环路的阻抗、使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。从硬件配置环节进行分析，可采取以下策略。首先可以考虑为传感器节点设备添加干扰滤波器，该器件的感应部分是一个高频截止元件，其他部分则使用电容来分路或分流有害的高频噪声，通过这种方法可以很好的将高频噪声与敏感电路相隔离，使得其无法进入到敏感电路中并对其发出的信号造成负面影响。电磁干扰滤波器正是通过这种模式显著降低或衰减了干扰信号，可靠的保护了通信质量。

3 结语

气象观测数据的传输问题涉及的环节较多，又与多种不同类型的观测设备的运行特点相关联。近年来，虽然气象观测工作的自动化水平不断提高，很大程度上减轻了地面气象人员的工作负荷，但各种维护保养工作的压力却逐渐提高，而确保气象观测数据准确性和完备性的必要条件之一就是可靠的数据通信。以往的检修维护工作对设备本身的问题较为重视，但往往忽视了周围环境对信号传输造成影像。结合实际工作经验，本文认为在气象观测设备的安装及运维工作过程中，应当针对无线传输的干扰影响，尽可能的控制和减少区域站运行环境的干扰因素，并积极与其他部门保持沟通，如当地环保部门和移动供应商等，共同保障气象观测数据的正常通信。

参考文献：

[1]江海荣.空间环境对卫星传输的影响[J].邯郸学院学报，2007，13（7）：83.84.

[2]侯江生，邹哲馨，段利军，等.浅谈信号干扰对区域自动气象站的数据传输影响[J].气象研究与应用，2014，35（1）：85.87.

[3]何宏.电磁兼容与电磁干扰[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4]徐新艳.数字电子技术及其应用[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5]李黄.自动气象站实用手册[M].北京：气象出版社，2007：15.48.

[6]張远洪，罗晓松，赵大清，等.浅析移动通信网络升级对区域自动气象站GPRS通信的影响[J].贵州气象，2017，41（1）：74.77.

[7]赵隆香.区域自动气象站维护与保障管理探讨[J].青海农林科技，2016（1）：55.57.