北斗衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用

1、北斗衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用目錄1.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介32.水利行業(yè)應(yīng)用需求42.1.水利工程測量42.2.水情監(jiān)測52.3.水利設(shè)備監(jiān)控63.短報文通信在水情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用63.1.短報文通信介紹73.1.1.通信方式73.1.2.通信優(yōu)點83.1.3.通信缺點83.2.應(yīng)用方案93.2.1.硬件配置93.2.2.服務(wù)提供93.2.3.通信保障93.2.4.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)103.3.實際應(yīng)用項目介紹10第 12 頁/共 12 頁1. 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星是一個提供全中國范圍內(nèi)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是中國自主開發(fā)的用于地面定位的衛(wèi)星系統(tǒng)，現(xiàn)在已發(fā)展成為可供民用定位和數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括

2、“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空間部分由兩顆靜止軌道衛(wèi)星和一顆備份星組成；北斗二代空間部分由5 顆靜止軌道衛(wèi)星、27 顆中地球軌道衛(wèi)星和3 顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)由三個主要部分組成：空間衛(wèi)星，地面站(LES)及分理平臺（河南北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺）和用戶終端。圖1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）空間衛(wèi)星：空間衛(wèi)星部分由23顆地球同步衛(wèi)星組成，負(fù)責(zé)執(zhí)行地面中心站與用戶終端之間的雙向無線電信號中繼任務(wù)。每顆衛(wèi)星的主要載荷是變頻轉(zhuǎn)發(fā)器，以及覆蓋定位通信區(qū)域點的全球波束或區(qū)域波束天線。每顆衛(wèi)星都有2個波束，定位在太平洋、印度洋二個區(qū)域。 兩顆工作衛(wèi)星的波束分別為1、2、3、4。一顆備用星的波束為

3、5、6。兩顆衛(wèi)星都可以覆蓋中國全境。覆蓋范圍：北緯555度，東經(jīng)70145度。系統(tǒng)組成如圖1所示。（2）地面站：終端與終端之間相互通信的中轉(zhuǎn)站。其功能是完成與衛(wèi)星之間上、下行數(shù)據(jù)的處理；對各類用戶發(fā)送的業(yè)務(wù)請求進(jìn)行響應(yīng)處理，完成全部用戶定位數(shù)據(jù)的處理工作和通信數(shù)據(jù)的交換工作，并把計算所得到的用戶位置和經(jīng)過交換的通信內(nèi)容，分別送給有關(guān)用戶；同時可對發(fā)送方用戶進(jìn)行通信回執(zhí)確認(rèn)。（3）用戶終端：衛(wèi)星終端分為普通型和指揮型終端兩種。民用終端由北斗衛(wèi)星收發(fā)主機、北斗衛(wèi)星全向收發(fā)天線、用戶操作控制單元、民用通信協(xié)議等軟硬件組成，能夠完成用戶終端與空間衛(wèi)星之間上、下行數(shù)據(jù)的處理；發(fā)送用戶業(yè)務(wù)請求，接收用戶數(shù)

4、據(jù)；具有通用的RS232C數(shù)據(jù)接口。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可以全天候時提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息，標(biāo)志著我國成為繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)和前蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)后，在世界上第三個建立了完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，該系統(tǒng)的建立對我國國民國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)將起到積極作用。2. 水利行業(yè)應(yīng)用需求2.1. 水利工程測量在水利工程勘測和設(shè)計中，經(jīng)常會遇到山嶺、江河、峽谷等自然環(huán)境的阻隔，傳統(tǒng)測量儀器很難找到合適的測量點，工作量也比較大，影響測量的精確度和工程進(jìn)度。北斗是完全由我國自行研制的定位系統(tǒng)，目前已經(jīng)廣泛運用到各項我國基礎(chǔ)工程各項測量和定位中，基于北斗定位的RTK（實時動態(tài)差分）測量相比較傳統(tǒng)觀

5、的水利工程測量而言，具有適用性強、操作簡易、測量精度高等優(yōu)點。在實際的運用上具有非常高的普及和推廣價值。圖2 北斗定位RTK測量圖示2.2. 水情監(jiān)測根據(jù)我國中小河流域山洪地質(zhì)災(zāi)害防治項目的需要建設(shè)了很多水文自動測報系統(tǒng)，采用現(xiàn)代數(shù)字化科技手段實現(xiàn)對中小河流域、湖泊、水庫等自然江河湖泊和水利工程的水文信息進(jìn)行實時采集、傳輸、處理和水情預(yù)報等工作。自動水文觀測站選址一般為偏遠(yuǎn)山區(qū)，常規(guī)通信（包括：移動通信、電信和衛(wèi)星通信）難以實現(xiàn)信號全覆蓋，通信專線的建設(shè)又存在成本高、維護(hù)費用貴等缺點。自動水文站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由一個水文監(jiān)控中心和若干個野外無人值守觀測站組成，數(shù)據(jù)傳輸方向為多個觀測站的氣象數(shù)據(jù)

6、向一個監(jiān)控中心傳輸?shù)摹岸帱c對一點”的通信模式，其傳輸方式有主動自報式和交互查詢式。主動自報式是指觀測站按照一定的協(xié)議機制主動將采集到的氣象數(shù)據(jù)上報至監(jiān)控中心，而交互查詢式則是以監(jiān)控中心為主動方，觀測站解析監(jiān)控中心的指令，并做出響應(yīng)。主動上報式應(yīng)用的場合要求一次通信成功率高，而交互查詢式則要求系統(tǒng)的通信資源相當(dāng)豐富，并且通信費用低廉。根據(jù)水文監(jiān)測對象的特點，正點上報、10分鐘雨量加報、水位加報等測報數(shù)據(jù)隨著觀測站的數(shù)量的增長和天氣情況的變化，成不規(guī)則增長方式，1分鐘內(nèi)可能會上報幾百條數(shù)據(jù)。對接收端的數(shù)據(jù)處理能力和通信鏈路有很高的要求。目前，通信成功率和通信費用是水文測報數(shù)據(jù)傳輸面臨的兩個主要問題

7、。北斗衛(wèi)星能夠解決這兩個問題。北斗衛(wèi)星通信信號覆蓋范圍廣、可靠性高。水文測站終端是在其后端設(shè)備的控制指令下發(fā)送數(shù)據(jù)報告的，它在收到后端設(shè)備的發(fā)送數(shù)據(jù)報告指令后，直接向衛(wèi)星發(fā)送信息，其信道編碼與調(diào)制方式為碼分多址即CDMA方式，利用冗余編碼方法使得入站數(shù)量達(dá)到200站/每秒，按照水利水文信息傳輸整點報的需求，以10分鐘收集全部站點數(shù)據(jù)計算此類用戶理論上可容納12萬測站用戶，所以其信道容量極大，可以不考慮信道擁擠問題。目前支持北斗衛(wèi)星通信的水文遙測設(shè)備RTU體積小功耗低、設(shè)備維護(hù)簡單和易于組網(wǎng)布設(shè)站點，硬件費用比較低。河南北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺提供民用北斗衛(wèi)星通信服務(wù)，用戶只需要注冊通信卡號，支付服

8、務(wù)年費等方式實現(xiàn)衛(wèi)星通信，服務(wù)費用較低。圖3 北斗衛(wèi)星水情監(jiān)測2.3. 水利設(shè)備監(jiān)控水利行業(yè)的發(fā)展越來越多的利用到信息技術(shù)，信息化設(shè)備投入日益增多。從雨量計到全要素氣象儀，到自動水文觀測站等等。由于水利工程自身的特點，這些信息化設(shè)備一般都安裝在野外，分布范圍廣，無人值守。人工巡檢工作量大、耗時，甚至有些地方很危險。水利設(shè)備監(jiān)控需要一種遠(yuǎn)程自動化的方式，不受地形、通信限制，可實時操作。北斗衛(wèi)星的“多點對一點”方式可以滿足這種需求。3. 北斗衛(wèi)星通信在水情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用從2002年起，我國就已經(jīng)開始進(jìn)行利用北斗衛(wèi)星傳輸水情信息的試驗研究，并陸續(xù)建設(shè)了多個北斗衛(wèi)星水文遙測系統(tǒng)，2006年已有8

9、00多個水文測站使用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，北斗衛(wèi)星短報文通信可以大規(guī)模的應(yīng)用于水文測報數(shù)據(jù)傳輸中。圖4 基于北斗衛(wèi)星短報文通信的水文測報數(shù)據(jù)傳輸3.1. 短報文通信介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能是：（1） 定位，快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導(dǎo)航信息（2） 通訊，用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信（3） 授時，中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，為定時用戶提供時延修正值水情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸主要是運用了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文

10、通信功能，北斗一代衛(wèi)星以及北斗二代衛(wèi)星中的靜止軌道衛(wèi)星均提供通信服務(wù)。3.1.1. 通信方式（1）點對點雙向通信北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有點對點雙向數(shù)據(jù)傳輸方式。它是以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，一次發(fā)送共有210個字節(jié)，一般用戶一次最多可發(fā)送110bytes信息。測站終端發(fā)送采用碼分多址直接擴(kuò)頻序列調(diào)制，擴(kuò)頻偽碼采用周期偽隨機序列，發(fā)送頻率為L波段，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段由地面站接收。測站型終端和指揮型終端的最大區(qū)別在于前者只能鎖定在一個波束上，而后者可以同時鎖定所有波束，發(fā)送信息時也是如此，前者每次只能在單波束上發(fā)送，后者則可以同時在所有波束上發(fā)送。在北斗衛(wèi)星通信點對點方式中，還有一種通播的方式。即在一個用戶群

11、（用戶系統(tǒng)）中，將一個作為主站（中心站）的終端設(shè)備號碼寫入本群中其它測站的終端設(shè)備的映像地址中，當(dāng)此中心站作通播方式發(fā)送時，則群中的所有使用同一波束的測站都能同時收到此信息。此功能可以用作系統(tǒng)的廣播回執(zhí)，即在系統(tǒng)的一次定時報后一定時間內(nèi)，將收到系統(tǒng)中的測站和未收到的測站的信息廣播出去，未收到自報信息的測站則再次發(fā)送信息，從而提高了系統(tǒng)的暢通率，同時也減少了系統(tǒng)中心站的發(fā)送次數(shù)。如果用戶系統(tǒng)的主站采用指揮型終端則回執(zhí)可一次在全部波束上發(fā)送，用戶系統(tǒng)的所有測站可以同時收到主站的回執(zhí)。（2）多點對一點通信與上面的通播方式有些類似，該通信方式主要采用了指揮機的通信特點。在指揮機上面安裝指揮卡，每個指揮

12、卡一般可以管轄200張子卡；其他終端上安裝子卡，并設(shè)定接收卡為指揮卡。這樣，這些終端都可以向該指揮機發(fā)送短報文信息。實現(xiàn)多點對一點的通信。在水文遙測站數(shù)據(jù)上報中就采用這種方式。3.1.2. 通信優(yōu)點北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、沒有通信盲區(qū)、信息加密傳輸安全。用戶終端機分為指揮型用戶機和通信型用戶機，指揮型用戶機可以監(jiān)收其所有下屬用戶機的通信數(shù)據(jù)，并可以向其任一下屬用戶機發(fā)送命令或與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。3.1.3. 通信缺點北斗衛(wèi)星短報文通信也有其局限的地方：（1） 單次通信容量有限，民用通信容量僅有100 字節(jié)左右（2） 通信頻度受控，民用通信頻度在1min 左右（3） 沒有通信回執(zhí)，可靠通信需要

13、采取相關(guān)輔助措施3.2. 應(yīng)用方案結(jié)合北斗衛(wèi)星通信的特點，水文測報數(shù)據(jù)傳輸采用短報文主動上報的方式，即“多點對一點”，各個水文測報站向統(tǒng)一的接收終端發(fā)送報文。北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺接收到報文后再轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指定的存儲位置，用戶通過監(jiān)控軟件，查詢顯示報文的接收、解析情況。3.2.1. 硬件配置各個水文觀測站均配備一臺北斗通信型用戶機和一臺編碼器，由各觀測站的風(fēng)光互補供電系統(tǒng)供電。工作時，設(shè)置為主動自報模式，前端編碼器負(fù)責(zé)將觀測站定時采集到的數(shù)字水情數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和加密，并轉(zhuǎn)換為北斗協(xié)議格式的通信申請信號，再傳至北斗通信型用戶機，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送到北斗分理服務(wù)平臺的指揮機。再由指揮機解密后轉(zhuǎn)發(fā)到用戶

14、指定的數(shù)據(jù)庫或其他存儲設(shè)備中。（1） 北斗通信型用戶機（2） 編碼器（3） 應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等3.2.2. 服務(wù)提供根據(jù)國家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)規(guī)定，河南北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺可以提供民用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。協(xié)助用戶注冊北斗通信卡號，提供指揮機接收/轉(zhuǎn)發(fā)通信，按照用戶需求定制開發(fā)一些北斗通信相關(guān)軟件（通信數(shù)據(jù)入庫軟件、監(jiān)控軟件）。（1） 用戶注冊（2） 通信轉(zhuǎn)發(fā)（3） 軟件定制3.2.3. 通信保障北斗衛(wèi)星短報文通信有優(yōu)點也有缺點。實際應(yīng)用過程中，需要增加通信保障，確保水文測報數(shù)據(jù)傳輸正常。（1） 報文協(xié)議水情數(shù)據(jù)上報過程中，按照約定的報文協(xié)議，使用ASCII碼格式輸出，減少字節(jié)數(shù)及亂碼情況。（2） 通

15、信頻率使用指揮型用戶機，1分鐘內(nèi)，1張指揮卡可以接收200個終端的報文上報。（3） 監(jiān)控日志開發(fā)報文接收日志、報文解析日志、軟件運行過程的文件日志，通過監(jiān)控平臺及后臺日志，能夠看到整個通信過程的運行情況。另外，提供觀測站設(shè)備運行情況監(jiān)控，能夠遠(yuǎn)程查看到設(shè)備的正常、異常情況。3.2.4. 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖5 北斗衛(wèi)星水文測報數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3.3. 實際應(yīng)用項目介紹2015年10月，在河南省水利廳北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，通過水文遙測終端和北斗指揮機，采用短報文通信方式，實現(xiàn)1臺指揮機接收轉(zhuǎn)發(fā)100多個遙測終端的水文測報數(shù)據(jù)傳輸功能。在河南北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺中，遙測設(shè)備卡號與北斗指揮機卡號綁定，通過北斗衛(wèi)星，實現(xiàn)遙測設(shè)備向北斗指揮機發(fā)送雨水情報文。北斗指揮機接收到所轄的遙測設(shè)備發(fā)送的報文后，通過水利廳IP+端口公網(wǎng)傳輸方式，將接收到的原始報文推送到水利廳北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫中。本系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：Ø 遙測終端RTU報文發(fā)送軟件Ø 北斗衛(wèi)星報文接收/轉(zhuǎn)發(fā)軟件