北斗衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用

..北斗衛(wèi)星通信在水利行業(yè)中的應(yīng)用目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1.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(bào)文通信在水情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用63.1.短報(bào)文通信介紹73.1.1.通信方式73.1.2.通信優(yōu)點(diǎn)83.1.3.通信缺點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目介紹10..北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星是一個(gè)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"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(gè)主要部分組成：空間衛(wèi)星,地面站<LES>及分理平臺(tái)〔XX北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺(tái)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2～3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(hào)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(diǎn)的全球波束或區(qū)域波束天線。每顆衛(wèi)星都有2個(gè)波束,定位在太平洋、印度洋二個(gè)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5、6。兩顆衛(wèi)星都可以覆蓋中國全境。覆蓋范圍：北緯5～55度,東經(jīng)70～145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(jì)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(shí)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(jī)、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)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(shí)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(gè)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。水利行業(yè)應(yīng)用需求水利工程測量在水利工程勘測和設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)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(diǎn),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(yùn)用到各項(xiàng)我國基礎(chǔ)工程各項(xiàng)測量和定位中,基于北斗定位的RTK〔實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測量相比較傳統(tǒng)觀的水利工程測量而言,具有適用性強(qiáng)、操作簡易、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際的運(yùn)用上具有非常高的普及和推廣價(jià)值。圖2北斗定位RTK測量圖示水情監(jiān)測根據(jù)我國中小河流域山洪地質(zhì)災(zāi)害防治項(xiàng)目的需要建設(shè)了很多水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng),采用現(xiàn)代數(shù)字化科技手段實(shí)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(shí)時(shí)采集、傳輸、處理和水情預(yù)報(bào)等工作。自動(dòng)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(dòng)通信、電信和衛(wèi)星通信難以實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋,通信專線的建設(shè)又存在成本高、維護(hù)費(fèi)用貴等缺點(diǎn)。自動(dòng)水文站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由一個(gè)水文監(jiān)控中心和若干個(gè)野外無人值守觀測站組成,數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)槎鄠€(gè)觀測站的氣象數(shù)據(jù)向一個(gè)監(jiān)控中心傳輸?shù)?多點(diǎn)對一點(diǎn)"的通信模式,其傳輸方式有主動(dòng)自報(bào)式和交互查詢式。主動(dòng)自報(bào)式是指觀測站按照一定的協(xié)議機(jī)制主動(dòng)將采集到的氣象數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)控中心,而交互查詢式則是以監(jiān)控中心為主動(dòng)方,觀測站解析監(jiān)控中心的指令,并做出響應(yīng)。主動(dòng)上報(bào)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(fèi)用低廉。根據(jù)水文監(jiān)測對象的特點(diǎn),正點(diǎn)上報(bào)、10分鐘雨量加報(bào)、水位加報(bào)等測報(bào)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(huì)上報(bào)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(fèi)用是水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸面臨的兩個(gè)主要問題。北斗衛(wèi)星能夠解決這兩個(gè)問題。北斗衛(wèi)星通信信號(hào)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(bào)告的,它在收到后端設(shè)備的發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)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(diǎn)報(bào)的需求,以10分鐘收集全部站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)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(diǎn),硬件費(fèi)用比較低。XX北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺(tái)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(hào),支付服務(wù)年費(fèi)等方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信,服務(wù)費(fèi)用較低。圖3北斗衛(wèi)星水情監(jiān)測水利設(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(jì)到全要素氣象儀,到自動(dòng)水文觀測站等等。由于水利工程自身的特點(diǎn),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(shí),甚至有些地方很危險(xiǎn)。水利設(shè)備監(jiān)控需要一種遠(yuǎn)程自動(dòng)化的方式,不受地形、通信限制,可實(shí)時(shí)操作。北斗衛(wèi)星的"多點(diǎn)對一點(diǎn)"方式可以滿足這種需求。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20XX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(yàn)研究,并陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)北斗衛(wèi)星水文遙測系統(tǒng),20XX已有800多個(gè)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(bào)文通信可以大規(guī)模的應(yīng)用于水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中。圖4基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信的水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸短報(bào)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(bào)文通信和授時(shí)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：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)航信息通訊,用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實(shí)現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報(bào)文通信授時(shí),中心控制系統(tǒng)定時(shí)播發(fā)授時(shí)信息,為定時(shí)用戶提供時(shí)延修正值水情監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸主要是運(yùn)用了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能,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)。通信方式〔1點(diǎn)對點(diǎn)雙向通信北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有點(diǎn)對點(diǎn)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(gè)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(jī)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(gè)波束上,而后者可以同時(shí)鎖定所有波束,發(fā)送信息時(shí)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(shí)在所有波束上發(fā)送。在北斗衛(wèi)星通信點(diǎn)對點(diǎn)方式中,還有一種通播的方式。即在一個(gè)用戶群〔用戶系統(tǒng)中,將一個(gè)作為主站〔中心站的終端設(shè)備號(hào)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(shí),則群中的所有使用同一波束的測站都能同時(shí)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(shí)報(bào)后一定時(shí)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(bào)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(shí)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(shí)收到主站的回執(zhí)?！?多點(diǎn)對一點(diǎn)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(jī)的通信特點(diǎn)。在指揮機(jī)上面安裝指揮卡,每個(gè)指揮卡一般可以管轄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(jī)發(fā)送短報(bào)文信息。實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對一點(diǎn)的通信。在水文遙測站數(shù)據(jù)上報(bào)中就采用這種方式。通信優(yōu)點(diǎn)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(jī)分為指揮型用戶機(jī)和通信型用戶機(jī),指揮型用戶機(jī)可以監(jiān)收其所有下屬用戶機(jī)的通信數(shù)據(jù),并可以向其任一下屬用戶機(jī)發(fā)送命令或與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通信缺點(diǎn)北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信也有其局限的地方：單次通信容量有限,民用通信容量僅有100字節(jié)左右通信頻度受控,民用通信頻度在1min左右沒有通信回執(zhí),可靠通信需要采取相關(guān)輔助措施應(yīng)用方案結(jié)合北斗衛(wèi)星通信的特點(diǎn),水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸采用短報(bào)文主動(dòng)上報(bào)的方式,即"多點(diǎn)對一點(diǎn)",各個(gè)水文測報(bào)站向統(tǒng)一的接收終端發(fā)送報(bào)文。北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺(tái)接收到報(bào)文后再轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指定的存儲(chǔ)位置,用戶通過監(jiān)控軟件,查詢顯示報(bào)文的接收、解析情況。硬件配置各個(gè)水文觀測站均配備一臺(tái)北斗通信型用戶機(jī)和一臺(tái)編碼器,由各觀測站的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)供電。工作時(shí),設(shè)置為主動(dòng)自報(bào)模式,前端編碼器負(fù)責(zé)將觀測站定時(shí)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(hào),再傳至北斗通信型用戶機(jī),通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送到北斗分理服務(wù)平臺(tái)的指揮機(jī)。再由指揮機(jī)解密后轉(zhuǎn)發(fā)到用戶指定的數(shù)據(jù)庫或其他存儲(chǔ)設(shè)備中。北斗通信型用戶機(jī)編碼器應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等服務(wù)提供根據(jù)國家北斗衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)規(guī)定,XX北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺(tái)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(hào),提供指揮機(jī)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。用戶注冊通信轉(zhuǎn)發(fā)軟件定制通信保障北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用過程中,需要增加通信保障,確保水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸正常。報(bào)文協(xié)議水情數(shù)據(jù)上報(bào)過程中,按照約定的報(bào)文協(xié)議,使用ASCII碼格式輸出,減少字節(jié)數(shù)及亂碼情況。通信頻率使用指揮型用戶機(jī),1分鐘內(nèi),1張指揮卡可以接收200個(gè)終端的報(bào)文上報(bào)。監(jiān)控日志開發(fā)報(bào)文接收日志、報(bào)文解析日志、軟件運(yùn)行過程的文件日志,通過監(jiān)控平臺(tái)及后臺(tái)日志,能夠看到整個(gè)通信過程的運(yùn)行情況。另外,提供觀測站設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)控,能夠遠(yuǎn)程查看到設(shè)備的正常、異常情況。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖5北斗衛(wèi)星水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目介紹2015年10月,在XX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(jī),采用短報(bào)文通信方式,實(shí)現(xiàn)1臺(tái)指揮機(jī)接收轉(zhuǎn)發(fā)100多個(gè)遙測終端的水文測報(bào)數(shù)據(jù)傳輸功能。在XX北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺(tái)中,遙測設(shè)備卡號(hào)與北斗指揮機(jī)卡號(hào)綁定,通過北斗衛(wèi)星,實(shí)現(xiàn)遙測設(shè)備向北斗指揮機(jī)發(fā)送雨水情報(bào)文。北斗指揮機(jī)接收到所轄的遙測設(shè)備發(fā)送的報(bào)文后,通過水利廳IP+端口公網(wǎng)傳輸