北斗衛(wèi)星通信在省級氣象數(shù)據(jù)收集中的應用

張繼光　羅林艷　高爐東

摘要 簡要介紹了北斗信息保障傳輸系統(tǒng)的架構和工作原理，詳細說明了省級北斗收集平臺的部署及北斗傳輸終端的安裝過程，為北斗衛(wèi)星通信在省級氣象數(shù)據(jù)收集中的應用提供了示例。北斗信息保障傳輸系統(tǒng)在湖南運行正常，利用北斗衛(wèi)星的雙向短報文通信功能實現(xiàn)了山洪監(jiān)測自動氣象站全天候傳輸數(shù)據(jù)，解決了湖南部分偏遠地區(qū)氣象數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定問題。

關鍵詞 北斗衛(wèi)星；氣象數(shù)據(jù)；傳輸；應用

中圖分類號 S163 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）11-186-02

我國是世界上自然災害多發(fā)的國家之一，隨著氣候變化和經(jīng)濟的快速發(fā)展，氣象災害造成的損失日益明顯。湖南省大規(guī)模建設區(qū)域自動氣象站，監(jiān)測雨量、氣溫等氣象要素，為氣象預報與預警提供依據(jù)。特別是在一些偏遠山區(qū)，因山洪引發(fā)的地質(zhì)災害極易造成人員傷亡，需布設山洪監(jiān)測自動氣象站（以下簡稱山洪自動站）。然而，偏遠山區(qū)往往是GPRS/CDMA 通信信號的盲區(qū)，一些地方雖有GPRS/CDMA 通信信號，其信號也容易受到天氣等因素的影響，出現(xiàn)通信時斷時續(xù)的現(xiàn)象。北斗衛(wèi)星通信以其在雙向短報文通信中的獨特優(yōu)勢，可為山洪自動站全天候傳輸數(shù)據(jù)提供保障，解決偏遠地區(qū)氣象數(shù)據(jù)傳輸問題[1]。筆者在此簡要介紹了北斗信息保障傳輸系統(tǒng)的架構和工作原理，詳細說明了省級北斗收集平臺的部署及北斗傳輸終端的安裝過程和方法。

1 “北斗”系統(tǒng)的功能

“北斗”系統(tǒng)是我國自行研制，具有完全自主知識產(chǎn)權的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端三部分組成，具有雙向通信、快速定位和精密授時三大功能[2]。覆蓋范圍包括了中國全境及亞洲大部分地區(qū)，具體為5°～55°N、70°～145°E。該系統(tǒng)具有定位精度高、可全天候使用、通信快捷[3]等特點。

1.1 數(shù)據(jù)通信

“北斗”系統(tǒng)具有短報文收發(fā)功能，用戶可通過衛(wèi)星實現(xiàn)報文通信。每次通信數(shù)據(jù)數(shù)量為98 個ASCII 碼，服務頻度為1 min。北斗衛(wèi)星通信不受地形條件和環(huán)境氣候的影響。該功能可用于解決人口稀少的農(nóng)村、牧區(qū)、邊遠山區(qū)、海域以及現(xiàn)有有線、無線通信網(wǎng)所不能覆蓋的地區(qū)短報文通信，以及災難事故時的應急通訊。

1.2 快速定位

“北斗”系統(tǒng)能夠提供全天候、高精度、大范圍快速定位功能。其定位數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，采用差分定位技術，定位精度達10 m以內(nèi)。這些功能可用于人、交通工具及設備的精確定位和導航，可用于資源勘察、大地測量以及災害預報監(jiān)測等方面。

1.3 精密授時

“北斗”系統(tǒng)可提供單向無源100 ns、雙向有源20 ns的授時精度，可實現(xiàn)全天候、高精度、大范圍、高可靠的UTC 時間播發(fā)。

2 北斗信息保障傳輸系統(tǒng)的架構

通過山洪地質(zhì)災害防治氣象保障工程2011年（一期）信息保障傳輸系統(tǒng)項目，湖南已建設1套省級北斗收集平臺和10套北斗傳輸終端，利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的短報文通信功能，建立一套覆蓋多個地市的北斗信息保障傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)測站和省級數(shù)據(jù)中心之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。北斗信息保障傳輸系統(tǒng)主要應用于地面常規(guī)無線通信網(wǎng)絡無法覆蓋或常規(guī)通信鏈路易受自然災害破壞的山洪地質(zhì)災害防治重點區(qū)域，通過北斗衛(wèi)星搭建山洪自動站數(shù)據(jù)傳輸通道，為偏遠地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的收集提供通信保障。北斗信息保障傳輸系統(tǒng)的結構如圖1所示。

3 省級北斗收集平臺的部署

省級北斗收集平臺的部署包括平臺軟件部署和北斗指揮機安裝。北斗指揮機作為北斗終端與省級平臺間的通信樞紐，將收到的北斗終端上傳的自動站數(shù)據(jù)傳輸給省級北斗收集平臺，將省級北斗收集平臺的控制指令傳輸給北斗終端和山洪自動站；省級北斗收集平臺將收到的數(shù)據(jù)進行解析、處理和保存。

3.1 北斗收集平臺軟件部署

省級利用一臺曙光服務器（4核CPU，主頻2.4 GHz，內(nèi)存16 G，硬盤300 G），安裝SUSE linux 11 Server 64bit版本的操作系統(tǒng)。在服務器上安裝javaSE6.0、tomcat6、mysql數(shù)據(jù)庫，配置本地串口動態(tài)鏈接庫，同時設置mysql與tomcat 6為自啟動，其中mysql數(shù)據(jù)庫中保存了接收到的山洪自動站數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的相關配置信息。北斗信息保障傳輸系統(tǒng)可視化操作平臺包括用戶管理、小站管理、監(jiān)控與統(tǒng)計、日志管理、系統(tǒng)設置和北斗監(jiān)控功能。安裝了北斗終端的山洪自動站需要在小站管理中添加該站的信息，包括小站名稱、區(qū)站號、類別、北斗終端卡號、通播地址、經(jīng)緯度、廠商、型號等，同時選擇生成Z文件的類型，小站名稱、區(qū)站號、北斗終端卡號、通播地址均不能重復。省級北斗收集平臺軟件安裝完成后，可實現(xiàn)對山洪自動站和北斗終端的控制、觀測數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的收集以及系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，具備使用北斗衛(wèi)星傳輸觀測數(shù)據(jù)、生成Z文件、直觀展示觀測數(shù)據(jù)的功能。

3.2 北斗指揮機的安裝

在省級需安裝北斗指揮機，北斗指揮機分為主機和天線兩部分，主機和天線之間使用射頻線連接，北斗指揮機主機與軟件平臺服務器通過串口線連接。北斗指揮機天線放置于辦公樓樓頂，天線安裝前需準備好支架和固定支架的水泥墩，水泥墩采用浮放方式，可根據(jù)天線的信號情況進行位置調(diào)整。每臺北斗指揮機有唯一的卡號，用于通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸。

4 北斗傳輸終端的安裝

北斗傳輸終端的安裝包括北斗終端、太陽能電池板、蓄電池及配套支架的安裝。太陽能電池板和蓄電池負責為北斗傳輸終端供電，北斗終端通過串口線連接山洪自動站采集器，并將山洪自動站數(shù)據(jù)實時傳輸至省級北斗指揮機。北斗傳輸終端安裝前，需準備好北斗終端設備的支架等配套設施、固定支架的水泥墩底座或其他固定物。北斗終端有一個唯一的卡號，用于通信協(xié)議。以株洲市茶陵縣舲舫鄉(xiāng)中洲村站為例，自動站型號為天津天儀DWSZ-B。此次建設能與北斗終端匹配的自動站型號包括中國華云HY321、天津天儀DWSZB、江蘇無錫WUSHRG、長春DYYZII等。在北斗傳輸終端的布局上，選取了站址偏遠、移動信號不穩(wěn)定的山洪自動站。北斗傳輸終端能夠接收來自省級收集平臺發(fā)送的指令，實現(xiàn)遠程對山洪自動站的管理、控制和查詢。

5 北斗方式氣象數(shù)據(jù)傳輸流程

建立北斗信息保障傳輸系統(tǒng)后，湖南省部分山洪自動站已通過北斗衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。山洪自動站數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星從臺站傳輸至省級后，為了與其他數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務對接，對數(shù)據(jù)從省級北斗收集平臺到本省新一代通信系統(tǒng)進行了FTP設置。進入新一代通信系統(tǒng)后，再利用氣象寬帶網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至國家氣象信息中心。同時，考慮到湖南省的數(shù)據(jù)共享與應用，通過FTP設置將數(shù)據(jù)從北斗收集平臺推送至湖南省數(shù)據(jù)共享平臺，供各業(yè)務單位和各業(yè)務系統(tǒng)使用。從系統(tǒng)建成以來的情況看，湖南省北斗信息保障傳輸系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)完整接收率為100%，能夠保障偏遠地區(qū)氣象數(shù)據(jù)的及時傳輸。

6 小結

該研究簡要介紹了北斗信息保障傳輸系統(tǒng)的架構和工作原理，詳細說明了省級北斗收集平臺的部署及北斗傳輸終端的安裝過程和方法，為北斗衛(wèi)星通信在省級氣象數(shù)據(jù)收集中的應用提供了示例。北斗信息保障傳輸系統(tǒng)在湖南運行正常，利用北斗衛(wèi)星的雙向短報文通信功能，實現(xiàn)了山洪監(jiān)測自動氣象站通過北斗衛(wèi)星鏈路全天候傳輸數(shù)據(jù)，解決了湖南部分偏遠地區(qū)氣象數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題。通過北斗衛(wèi)星傳輸氣象數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、實時性強，可為省級收集偏遠地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)提供支撐保障。

參考文獻

[1]

汪波，劉麗彬.“北斗一號衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)”在氣象自動站中的應用[J].海峽科學，2010（7）：53-54.

[2] 成方林，馮林強，張翼飛.“北斗”導航系統(tǒng)在海洋水文、氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].海洋技術，2004，23（3）：70-73.

[3] 北京星地恒通信息科技有限公司.基于“北斗一號”衛(wèi)星系統(tǒng)的山洪災害監(jiān)測預警解決方案及應用案例”[J].中國防汛抗旱，2011，21（5）：84-85.

責任編輯 黃小燕 責任校對 李巖