北斗卫星通信在超标准洪水监测中的应用分析

江澜宏 ，崔金鹏 ，毕增锋

（1. 江西省景德镇市水文局，江西 景德镇 333000；2. 北京金水燕禹科技有限公司，北京 100089）

0 引言

景德镇属丘陵地带，坐落于黄山、怀玉山余脉与鄱阳湖平原过渡地带，昌江流域中下游，是典型的江南红壤丘陵区。昌江流域多年平均年降水量为1 849.7 mm，自东部山区向西部滨湖递减，以德兴怀玉山为暴雨中心，多年平均年降水量可达 1 900.0 mm以上，东部降水量一般在 1 800.0 mm 以上，西部滨湖降水量约为 1 500.0 mm。昌江流域洪水由暴雨形成，每年 4—6 月为雨季，暴雨集中，极易发生中小河流超标准洪水。

景德镇水文局现有水文站 17 处、水位站 22 处、雨量站 114 处，水情遥测系统的数据传输方式大部分为依托于公共通信网络的 GPRS 和自建的超短波2 种通信方式，基本满足了现有雨水情数据传输的需求。由于 GPRS 通信系统依托于公共通信网络，系统的稳定性受限于通信公司的运维保障工作，实际运用中存在以下一些不足：1）在极端雨情天气下，存在停电导致公共通信网络停止服务等问题，从而影响雨水情信息的及时传输；2）由于部分中小河流监测站点站址在公共通信网络覆盖的范围边缘及以外，移动信号的不稳定极大影响了雨水情数据的收集工作。另外超短波通信系统存在技术老旧、受天气影响较大、维护困难、传输数据带宽较小等因素，也逐步不能满足水文发展的需要[1]。

北斗卫星通信具有覆盖范围广、无通信盲区、信息加密传输安全等特点，只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，任何 2 点之间都可以进行通信，不易受陆地灾害的影响[2]。为此针对北斗卫星短报文通信具有的独立性、可靠性，受其他因素影响小的特点，以景德镇中小河流水情遥测系统中的北斗卫星通信作为研究对象，基于 2020 年 7 月 8 日昌江流域超标准洪水应用实例进行分析，研究北斗卫星短报文通信在超标准洪水的情况下，是否能够及时、有效地传输雨水情信息，是否可作为 GPRS 通信的补充，满足水文站点特殊雨水情通信的要求[3]。

1 北斗卫星通信系统的应用分析

2020 年 7 月 7—8 日，昌江流域遭遇大暴雨，流域平均降水量超过 300 mm，2 个站点降水量超过500 mm，31 个站点降水量超过 400 mm，其中蛟潭站水位超历史最高水位。景德镇市水文局昌江水文巡测中心下辖的 11 个水文站点中，超历史水位的站点超过 1/3，其中荷塘水文站累积降雨达 110.5 mm。以此次超历史洪水过程为分析对象，将荷塘水文站GPRS 和北斗卫星 2 种通信信道传输的数据进行对比，对基于北斗卫星通信系统的短报文报汛进行本地适用性分析。

1.1 工作原理介绍

由于北斗卫星通信系统具有点对点双向数据传输功能，因此本遥测系统采用北斗卫星通信系统进行雨水情数据传输。北斗卫星通信系统通信方式是数据报告方式，以数据包的形式传输，1 次发送210 个字节，但对于一般民用通信 1 次最多只可发送 100 个字节信息。测站终端发送采用码分多址直接扩频序列调制，扩频伪码采用周期伪随机序列，发送频率属于 L 波段频率，通过卫星转换为 C 波段由地面站接收，经民用中心站处理后发送到北斗卫星，再经北斗卫星转换为 S 波段发送到测站或指挥终端，完成 1 次点对点的通信。反向发送过程亦然[4]。

1.2 方案设计

1.2.1 总体架构

基于北斗卫星通信的遥测系统终端采用 YCZ-2A-101 遥测终端机，北斗卫星设备采用 SN2P111YX北斗数传型用户机，值守软件为水情遥测管理平台，北斗卫星短报文传输采用透传点对点传输模式，水文遥测系统结构图如图 1 所示。

图1 基于北斗卫星通信的水文遥测系统结构图

1.2.2 报文长度

遥测系统采用的通信报文为 68 字节报文格式，采取报文透传发送的方式，报文长度满足北斗卫星短报文规定的 100 字节以内的要求。按照 SL 651—2014《水文监测数据通信规约》制定的江西省水文统一接收数据报文格式要求，也可满足 M2 格式下的上行报文长度。

1.3 数据分析

1.3.1 畅通率分析

以荷塘水文站北斗卫星终端在 5 月 2 日—8 月13 日中有效天数 75 d 的畅通率进行计算。可按照SL 61—2015《水文自动测报系统技术规范》[5]中对于数据畅通率要求进行考核，即：畅通率考核统计是指在运行考核期内，中心站实际收到遥测站定时自报或召测正确数据的次数，与中心站应收到遥测站定时自报或召测数据的次数之比。随机自报的数据只做参考，不做统计考核。每天统计数据的时段为 08：00 至次日 08：00。

荷塘水文站在考核期间应到整点报文 1 800 条，实到整点报文 1 731 条，到报率为 96.17%，畅通率符合 SL 61—2015《水文自动测报系统技术规范》中系统数据收集的月平均畅通率应不低于 95% 的要求。荷塘水文站 2020 年 7 月 1—30 日 GPRS 和北斗卫星 2 种信道传输的雨量数据对比如图 2 所示。通过图 2 中 GPRS 和北斗卫星 2 种信道传输的雨量数据对比，可以看出北斗卫星数据通信到报率和准确性都是比较高的，基本满足水文遥测系统数据通信的要求。

图2 荷塘水文站 2 种信道传输的雨量数据对比

1.3.2 雨衰分析

由于卫星通信技术传输的电波信号需要在北斗系统地面段主控站和轨道卫星之间进行传播，所以电波信号必须穿过包围在地球表面的大气层。电波在大气层中传输时，会受到大气层中大量的离子和自由电子的能量反射和吸收，并且在天气状况发生变化时各种形式的大气微粒或者分子的影响下，电波信号在传输过程中会不断地被吸收和反射、散射、折射等，造成电波信号的能量损耗[6]。

在不同降雨量级的天气状态下，以荷塘水文站为例，对 GPRS 与北斗卫星 2 种信道终端传输的雨量数据进行对比，具体对比如表 1 所示。从表中可以看出：在 10，20，30 及 30 mm/h 以上 4 种雨量级别天气状态下，北斗卫星通信均保持良好的通信效果。

表1 荷塘水文站 7 月 2—8 日 GPRS 和北斗卫星 2 种信道传输的雨量数据 mm

1.3.3 误差分析

荷塘水文站 7 月 2—22 日北斗卫星与 GPRS 2 种信道报送的雨量累计数基本保持一致（参见图 2）。将雨量数据细化到 5 min 雨量数据，荷塘水文站 7 月8 日暴雨过程 GPRS 和北斗卫星 2 种信道传输的雨量数据对比曲线如图 3 所示，可以发现存在雨量数据左右偏移误差。经过分析判断，因为北斗卫星和GPRS 2 种信道通信采用 2 台遥测终端发送数据，在现有条件下，遥测终端时间校时均精确到秒级，2 台遥测终端存在秒级时间差，从而导致某一时刻的降雨数据定义为上一个 5 min 数据和下一个 5 min 数据的偏差。同时，由于北斗卫星通信受天气及通信频度的影响，存在卫星通信延时的因素[7]。因此北斗卫星通信应用在水文遥测系统中时，需要特别强调应用北斗卫星自身定期校时功能，使水文遥测系统设备始终和水文中心服务器的时间保持一致。并且，在条件允许的情况下，水文中心北斗卫星终端尽量使用北斗指挥型卫星终端作为数据接收终端，水文中心指挥型卫星终端可以同时给多个遥测站数传型卫星终端发送数据回执和北斗卫星时间校时，避免降雨时刻定义的问题和通信频度的影响。

图3 荷塘水文站 7 月 8 日暴雨过程 GPRS 和北斗卫星2 种信道传输的雨量数据对比图

2 北斗卫星通信系统的经济效益分析

在应对 2020 年鄱阳湖流域超历史大洪水过程中，景德镇水文局运用北斗卫星通信进行雨量水位数据的传输，保证了水文预报工作的及时进行。

在昌江流域“7.8”超标准洪水过程中，在移动通信网络受灾中断后，北斗卫星通信系统作为备用信道累计报送雨水情实时报文数据 167 条，为防汛决策提供了强有力的信息保障。其中下游转移受灾群众 88 039 人，减少受灾人口 99 351 人，减淹耕地面积为 15 268 hm2，减灾经济效益达到 9.09 亿元，降低了景德镇地区的经济损失，取得了较好的社会和经济效益[8]。

3 结语

结合北斗卫星现场应用情况，总结实际运行中发现的问题及应对策略，可在一定程度上保障北斗卫星通信稳定性和畅通率。通过荷塘水文站 GPRS与北斗卫星 2 种信道传输的雨量数据对比分析，得出以下结论：

1）北斗卫星通信系统特有的短报文服务具有点对点无线发送数据功能，可在超标准洪水和网络中断的情况下有效、及时地传输雨水情信息。

2）通过数据分析，在 10，20，30 及 30 mm/h以上 4 种雨量级别天气状态下，北斗卫星通信系统均可稳定有效地进行数据传输。

3）在实验周期中，北斗卫星通信数据的通畅率达到 96.17%，基本满足水情预报工作。

4）北斗卫星短报文通信费用从原来的两三元/条，到现在的四五百元/a 且不限通信次数，大大降低了北斗卫星数据通信的费用。综上所述，北斗卫星短报文通信提高了在特殊天气下对于中小河流站点的雨水情数据的完整性、及时性、有效性，可作为水文遥测监测站点主备用信道通信方式普及推广。

根据在实际运行中发现的问题，提出以下几点注意事项：

1）由于北斗卫星天线功耗较大，遥测站点应适当考虑更换大容量蓄电池，保证长期供电的稳定性。

2）北斗卫星通信发射功率最低为 30 W，在12 V 供电条件下，应满足输出电流 3 A 的要求，同时要考虑大电流在供电线路上的损耗。

3）天线架设，应当适当考虑避雷措施。

4）北斗卫星通信作为主信道或单独信道通信时，应考虑使用北斗卫星校时功能。

5）在条件允许的情况下，水文数据中心北斗卫星接收终端应选用北斗指挥型应用终端作为数据接收终端。