基于北斗衛(wèi)星通信自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 范曉東 孟憲偉 王世臣

1 引言

自動氣象站按照通信方式可以分為兩類[1]，即有線遙測自動站和無線遙測自動站。其中無線遙測可以通過GSM、GPRS、CDMA和衛(wèi)星移動通信等方式實現(xiàn)。表1對各種無線通信方式的性能進行了比較。據(jù)表1可知，在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)，選擇GSM/GPRS/CDMA中的任意一種都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，建設(shè)成本較低、功耗低，但易受地面通信環(huán)境限制，在通信條件惡劣或是沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，以上方式都會失效。而北斗衛(wèi)星通信則沒有該劣勢，布點方便，但通信帶寬有限。氣象信息直接服務(wù)于到國計民生，其安全性和實時性要求很高，在實際建設(shè)時其優(yōu)先級高于成本投入因素。綜合考慮，無盲區(qū)的北斗衛(wèi)星通信自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸是一種不錯的選擇。氣象信息數(shù)據(jù)量隨著氣象要素的增多而增加，甚至超過民用北斗單次傳輸最大字節(jié)數(shù)，是方案設(shè)計要要點。本文給出了一種北斗衛(wèi)星通信自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，很好的解決了如上問題，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。

表1 幾種無線通信方式的比較[2]

2 北斗衛(wèi)星通信

2.1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡稱北斗系統(tǒng)( 英文簡稱BDS)分為北斗一號、北斗二號和北斗三號三個建設(shè)發(fā)展階段。北斗二號基本空間星座由5 顆 GEO 衛(wèi)星、5 顆 IGSO 衛(wèi)星和 4顆 MEO 衛(wèi)星組成，并視情部署在軌備份衛(wèi)星。北斗三號基本空間星座由 3 顆 GEO 衛(wèi)星、3 顆 IGSO衛(wèi)星和 24顆 MEO 衛(wèi)星組成，并視情部署在軌備份衛(wèi)星[3]。我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)目前已經(jīng)發(fā)展到第三代，2018年2月12日，我國成功發(fā)射第二十八、二十九顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星[4]，北斗三號工程正在加速組網(wǎng)中。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)有三部分組成：空間段的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端[5]。用戶終端為各種型號北斗用戶機（如通信型用戶機、指揮型用戶機等）。如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)框圖

北斗衛(wèi)星通信的基本過程描述如下[5]：

首先，用戶終端發(fā)送方將包含收信方SIM卡號和通信內(nèi)容的通信申請信號編碼、調(diào)制后發(fā)送；

其次，北斗衛(wèi)星接收并轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心站；

然后，地面中心站收到轉(zhuǎn)發(fā)，識別其是否為已授權(quán)用戶，并將已授權(quán)用戶的通信內(nèi)容加入其廣播的出站電文中，經(jīng)衛(wèi)星向用戶轉(zhuǎn)發(fā)；

最后，用戶終端收信方接收出站信號，解調(diào)、解碼還原通信內(nèi)容，完成一次通信。

2.2 北斗衛(wèi)星通信特點

北斗衛(wèi)星通信具有信號覆蓋范圍廣無通信盲區(qū)，信息加密傳輸安全等特點。用戶終端機為北斗各類型用戶機，如指揮型用戶機、通信型用戶機等，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)，并可以向其下屬用戶機發(fā)送命令以及與其進行數(shù)據(jù)通信。但北斗短報文通信也有其功能局限性[1][5]：

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1分鐘左右；

沒有通信回執(zhí)，可靠通信需要采取相關(guān)輔助措施。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由氣象監(jiān)控中心和野外無人值守觀測站組成。其傳輸方式有自主上報式和查詢式[5]。自主上報式是指觀測站按照一定的協(xié)議機制采取主動上報的方式，將采集到的氣象數(shù)據(jù)上報至監(jiān)控中心；查詢式是指監(jiān)控中心采取主動，向觀測站發(fā)送查詢指令，觀測站接收并解析監(jiān)控中心的指令，再報傳數(shù)據(jù)。自主上報式要求單次通信成功率高，查詢式則要求系統(tǒng)的通信資源豐富?？紤]北斗衛(wèi)星通信的特點，本文采用自主上報為主查詢?yōu)檩o的方式，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3.1 硬件設(shè)計

本方案自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

野外觀測站各配備一臺北斗通信型用戶機、一臺編碼器，由風(fēng)光互補供電系統(tǒng)供電；監(jiān)控中心配備一臺北斗指揮型用戶機、一臺解碼器，通過適配器取市電。編、解碼器采用相同的硬件方案設(shè)計，配有一個低功耗微處理器，由其完成數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與命令的識別與響應(yīng)，通過燒制不同程序分別實現(xiàn)編解碼功能，編、解碼器與北斗用戶機間采用串口連接。工作于自主上報模式時，編碼器將自動氣象儀定時采集上傳的氣象數(shù)據(jù)進行編碼和加密，轉(zhuǎn)換為北斗協(xié)議格式數(shù)據(jù)后，傳至北斗通信型用戶機，然后通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送至監(jiān)控中心指揮機，指揮機解析并將信號發(fā)送到解碼器進行處理，解碼器解碼、解密，還原為原始氣象數(shù)據(jù)，并通過串口傳送到終端系統(tǒng)，在顯控軟件上得到處理和顯示。用戶可以通過監(jiān)控中心的顯控軟件查詢與設(shè)置各野外觀測站氣象設(shè)備的狀態(tài)或發(fā)送數(shù)據(jù)丟失重發(fā)指令。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 傳輸協(xié)議設(shè)計

傳輸協(xié)議的設(shè)計充分考慮氣象通信需求與北斗衛(wèi)星通信的特點間的關(guān)系。單幀數(shù)據(jù)量、通信頻度是最重要的兩個指標。氣象設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量隨著氣象傳感器采集的氣象要素的增加而增大，一般7要素氣象站的單幀數(shù)據(jù)量已是北斗民用通信容量的3到4倍，采用整點（小時）上報或正十分鐘上報，綜合考慮以上要求，本傳輸協(xié)議的方案設(shè)計基本思想是采用分包傳輸。由于北斗民用通信協(xié)議中并沒有丟包重發(fā)機制，且數(shù)據(jù)丟失后北斗衛(wèi)星系統(tǒng)沒有回執(zhí)信息，增加數(shù)據(jù)校驗和丟幀重發(fā)功能將是方案必選。以上功能均有編、解碼器來完成。編、解碼器數(shù)據(jù)通信協(xié)議基本格式如表2所示，該協(xié)議支持變長數(shù)據(jù)傳輸，通過識別分包號，可判斷是否丟包，和選擇是否需要補發(fā)包，從而有效保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

表2 協(xié)議格式

數(shù)據(jù)采用ASCII碼傳輸，協(xié)議格式說明：

幀頭：幀識別碼，2字節(jié)，不與北斗協(xié)議中的關(guān)鍵字相同；

指令標識符：指令識別碼，4字節(jié)，氣象數(shù)據(jù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和查詢設(shè)置指令信息等均具有唯一的指令識別碼；

觀測站標識符：觀測站識別碼，2字節(jié)，各個野外觀測站均具有唯一的觀測站識別碼；

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)碼，N字節(jié)，由包運算符和有效數(shù)據(jù)兩部分組成，包運算符占兩字節(jié)，高字節(jié)為總包數(shù)，低字節(jié)為分包號；有效數(shù)據(jù)占余下N-2個字節(jié)；

校驗段：校驗碼，1字節(jié)，校驗和，從幀頭到校驗段（包括幀頭，不包括校驗段）逐字節(jié)異或校驗。

3.2.2 軟件算法流程

編碼器與解碼器中的微處理器軟件算法流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 編碼器程序流程圖

編碼器程序流程中的氣象儀是否故障判斷時標N1要依據(jù)氣象數(shù)據(jù)傳輸頻度選擇恰當(dāng)值，氣象數(shù)據(jù)分包后的等待發(fā)送間隔時標N2要根據(jù)所配北斗通信型用戶機的最大通信頻度選擇恰當(dāng)值，氣象數(shù)據(jù)與設(shè)備狀態(tài)信息的本地存儲深度需綜合考慮數(shù)據(jù)重發(fā)前向級數(shù)（即重發(fā)前第幾個正點數(shù)據(jù)）與編碼器板上存儲空間。解碼器程序流程中的通信鏈路是否故障判斷時標T要結(jié)合N1與N2以及觀測點個數(shù)選擇恰當(dāng)值。

圖4 解碼器程序流程圖

3.2.3 功耗控制

本系統(tǒng)建設(shè)包括野外觀測站和監(jiān)控中心，監(jiān)控中心設(shè)備電源均來源于市電，而野外觀測站眾多，且系統(tǒng)電源由風(fēng)光互補發(fā)電提供，功耗控制主要考慮野外站點設(shè)備，可有效降低對電源系統(tǒng)的配置要求，降低成本，具有實際經(jīng)濟價值。野外站點通信系統(tǒng)涉及到的設(shè)備主要有北斗通信型用戶機和編碼器，它們是本方案功耗控制的重點。主要從以下三個方面進行設(shè)計。

器件選型：

編、解碼器以及北斗用戶機的控制器選用低功耗處理器；

工作模式：

各設(shè)備的處理器采用休眠模式與正常模式切換工作，在無數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，工作于低功耗模式；

供電模式：

編碼器（毫瓦級）采用長供方式，北斗通信型用戶機（瓦級）采用分時供電方式，氣象數(shù)據(jù)一般采用定時上報方式傳輸數(shù)據(jù)，且傳輸時間間隔較長，北斗通信型用戶機無需連續(xù)工作，系統(tǒng)電源可在下次傳輸數(shù)據(jù)時刻到來前T1秒給用戶機供電，待用戶機可通信狀態(tài)，并在所有數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束T2秒后，關(guān)斷用戶機電源。

4 應(yīng)用

本文源于國家《基于北斗衛(wèi)星通信的高山氣象站示范工程》項目。由安徽省氣象局、安徽四創(chuàng)電子股份有限公司協(xié)力合作，在金寨縣建成高山自動氣象站，該項目發(fā)端位于天堂寨海拔1700多米的高山上，收端位于金寨縣氣象局。

圖5 高山觀測站北斗通信型用戶機

圖5給出了高山觀測站發(fā)端北斗通信型用戶機以及編碼器連接的實物圖，監(jiān)控中心的監(jiān)控顯示界面如圖6所示，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)工作正常。

圖6 監(jiān)控中心顯示界面

5 結(jié)束語

本文采用北斗衛(wèi)星通信實現(xiàn)自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其中編、解碼器創(chuàng)新性設(shè)計將數(shù)據(jù)分包傳輸，有效解決了氣象數(shù)據(jù)流量與北斗信道傳輸速率的矛盾，同時系統(tǒng)帶有查詢設(shè)置、數(shù)據(jù)丟失重發(fā)功能，使得數(shù)據(jù)傳輸更可靠，功耗控制設(shè)計可有效降低野外觀測站電源的容量要求，降低了成本。本系統(tǒng)設(shè)計方法不僅能夠很好的將北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)的傳輸，也可用于地質(zhì)災(zāi)害檢測、水文預(yù)報、危化品運輸、智能交通、電力監(jiān)控、海洋漁業(yè)等眾多領(lǐng)域。

[1]朱永輝等.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)傳輸與控制技術(shù)研究[J].CSNC2010第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會.

[2]劉春明,張少剛 等.極端環(huán)境下自動氣象站數(shù)據(jù)遠程傳輸方案設(shè)計[J].氣象科技,2009,8,37(4),P469-471；

[3]《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件》公開服務(wù)信號B3I(1.0版)[Z].中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室,2018,2:1-2.

[4]北斗衛(wèi)星發(fā)射一覽表[Z].http://www.beidou.gov.cn/xt/fsgl/,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)官方網(wǎng)站.

[5]孟憲偉,范曉東.北斗衛(wèi)星通信在自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2014,37(2):32-34.