水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在水情遙測中的應(yīng)用分析

黃 涵 ，蔡松波

（1.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315000；2.浙江瑞林信息科技有限公司，浙江 寧波 315000）

1 問題的提出

我國部分偏遠(yuǎn)地區(qū)公網(wǎng)覆蓋率低，水文數(shù)據(jù)通信屬于薄弱環(huán)節(jié)，不利于防汛減災(zāi)工作的開展。水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)時(shí)代先進(jìn)技術(shù)而建立，應(yīng)用于水情遙測中，能擴(kuò)大公網(wǎng)通信范圍，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)通信問題，有助于拓展水文數(shù)據(jù)采集范圍，從而在控制水文通信平臺建設(shè)成本的基礎(chǔ)上提升水情遙測工作效率，確保該地區(qū)水文信息資源利用的可靠性[1]。

2 水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在水情遙測中的應(yīng)用

2.1 水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和衛(wèi)星通信地球站，其中衛(wèi)星通信地球站又分為衛(wèi)星主站、衛(wèi)星小站2類。水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)見圖1。

圖1 水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)圖

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水情遙測的工作主要包括監(jiān)測水體流量、降雨量、水位編號，實(shí)時(shí)傳輸水文信息數(shù)據(jù)及水文視頻圖像，解決各類突發(fā)性問題。水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其水情信息采集站會利用自動(dòng)化監(jiān)測終端，與地面互聯(lián)網(wǎng)平臺建立連接，系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星鏈路將采集的信息發(fā)送到各衛(wèi)星站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水文自動(dòng)測報(bào)終端和信道的切換。在此期間，系統(tǒng)可利用短報(bào)文協(xié)議、采集站IP傳輸水文數(shù)據(jù)，地面水文遙測終端獲取信息，對應(yīng)處理水文遙測業(yè)務(wù)。同時(shí)，水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)利用自動(dòng)化技術(shù)、北斗衛(wèi)星通信模式，使系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)終端建立連接，增強(qiáng)偏遠(yuǎn)地區(qū)水文信息通訊能力，在水情遙測中具有在線接收水文數(shù)據(jù)、處理應(yīng)急視頻通信業(yè)務(wù)、自動(dòng)測報(bào)水文條件等功能，對提升偏遠(yuǎn)地區(qū)水情遙測工作效率意義重大。

2.2 應(yīng)用價(jià)值

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)，其數(shù)據(jù)通信模式為“北斗衛(wèi)星”，系統(tǒng)地形適應(yīng)能力較強(qiáng)、通信信道穩(wěn)定、整體數(shù)據(jù)傳輸效率質(zhì)量高，可滿足水情遙測工作的多元化需求[2]。某地區(qū)所設(shè)計(jì)的北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能有效處理該地區(qū)傳統(tǒng)衛(wèi)星測報(bào)系統(tǒng)的不足，自動(dòng)適應(yīng)水雨情測報(bào)要求，并發(fā)處理多個(gè)移動(dòng)終端的通信業(yè)務(wù)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中的硬件設(shè)施具有低功耗、高可靠性、易于維護(hù)、抗雨衰等特點(diǎn)。相關(guān)人員可在該系統(tǒng)的支撐下，適應(yīng)區(qū)域內(nèi)水文信息大容量傳輸?shù)囊?，高效率完成水情遙測工作。并且在滿足水文遙測數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上，通過靈活控制系統(tǒng)L/S/C工作頻段，控制系統(tǒng)設(shè)備能耗、噪音，優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊，為偏遠(yuǎn)地區(qū)防洪決策、水文測報(bào)方案的制定提供有效數(shù)據(jù)支撐[3]。除去北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)外，水情遙測領(lǐng)域中常用的水利通信系統(tǒng)為GPS水利通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)所用的信號為雙頻信號，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)則為三頻信號，二者報(bào)文服務(wù)差異明顯，北斗衛(wèi)星可在處理緊急事務(wù)時(shí)同時(shí)顯示被測、測試點(diǎn)的位置。另外，GPS所用的衛(wèi)星數(shù)量為21顆工作衛(wèi)星，3顆備用星；北斗衛(wèi)星通信的衛(wèi)星數(shù)量為32顆，所用衛(wèi)星為地球靜止軌道、同步軌道衛(wèi)星。

2.3 具體應(yīng)用

2.3.1 建立水文數(shù)據(jù)傳輸通道

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，可在北斗衛(wèi)星網(wǎng)管、北斗衛(wèi)星通信模式的作用下形成完整的水文數(shù)據(jù)傳輸通道。該通道在系統(tǒng)采集水情遙測數(shù)據(jù)后自動(dòng)備份，使水文自動(dòng)測報(bào)終端、衛(wèi)星小站下載該數(shù)據(jù)，建立水文數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)接收、水情數(shù)據(jù)監(jiān)測等數(shù)據(jù)庫，形成可實(shí)時(shí)監(jiān)測偏遠(yuǎn)地區(qū)水文數(shù)據(jù)的控制中心。傳輸水文數(shù)據(jù)時(shí)，在北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收端口解壓、分析處理水文數(shù)據(jù)庫，利用TCP/IP、PING、ARP、SMTP等通信協(xié)議，與公網(wǎng)建立連接，并將水情數(shù)據(jù)傳輸至地面水情遙測中心，使相關(guān)工作人員按照所傳輸?shù)乃臄?shù)據(jù)，執(zhí)行對應(yīng)的應(yīng)急任務(wù)[4]。

2.3.2 設(shè)計(jì)水情遙測信息資源庫

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心功能在于采集水文數(shù)據(jù)。在水情遙測工作中，該系統(tǒng)可在網(wǎng)狀混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的支撐下，采集水文數(shù)據(jù)、分類處理水情信息，同時(shí)在“星型+網(wǎng)狀”混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，使系統(tǒng)具有發(fā)送水文遙測應(yīng)急視頻、圖像的功能。且系統(tǒng)可同步應(yīng)用2個(gè)及以上的射頻，裝設(shè)網(wǎng)管設(shè)備，使水情遙測業(yè)務(wù)能夠在系統(tǒng)管理中統(tǒng)一進(jìn)行。與此同時(shí)，水利衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)管設(shè)備運(yùn)行中，可產(chǎn)生出境載波，相關(guān)人員根據(jù)C波段、Ku波段中射頻的區(qū)分，使衛(wèi)星小站聯(lián)網(wǎng)后自動(dòng)連接水文數(shù)據(jù)通信信道，接收、回傳水文信息。水文遙測工作人員集中分析水情實(shí)測情況，其采集、傳輸水文圖像、視頻、數(shù)據(jù)資源的基本流程如下：

首先，利用北斗衛(wèi)星小站的智能傳感器，實(shí)時(shí)獲取水位模擬量、降雨量，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至水文遙測儀器內(nèi)。該儀器在轉(zhuǎn)換、解碼水位信號后將其轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲。

其次，系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置發(fā)送門限，水文遙測儀器在數(shù)據(jù)解析完畢后，自動(dòng)開啟衛(wèi)星小站電源，評估站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)[5]。若衛(wèi)星站滿足圖像視頻數(shù)據(jù)傳輸要求，則可通過北斗衛(wèi)星通信鏈路呼叫地面水情遙測中心站，與其建立水文數(shù)據(jù)通信通道。同時(shí)將數(shù)據(jù)包傳輸至中心站遙測終端，確認(rèn)中心站接收水文數(shù)據(jù)后將鏈路拆除。

最后，水情遙測中心站遠(yuǎn)程采集水文信息數(shù)據(jù)后，將其存儲在系統(tǒng)對應(yīng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并按照偏遠(yuǎn)地區(qū)水情遙測工作要求，調(diào)用對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源。某地區(qū)在應(yīng)用水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)，因遙測點(diǎn)均處于偏遠(yuǎn)區(qū)域，所以在綜合測試后建立北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，將衛(wèi)星地面中心站作為水情遙測的主要通信信道。系統(tǒng)運(yùn)行期間，該區(qū)域的水情遙測數(shù)據(jù)可自動(dòng)采集、傳輸，在洪水、大風(fēng)等環(huán)境中系統(tǒng)均能夠可靠工作，穩(wěn)定傳輸水文視頻圖像數(shù)據(jù)，確保水文遙測中數(shù)據(jù)資源采集的完整性。

2.3.3 總結(jié)水情遙測工作需求

偏遠(yuǎn)地區(qū)在開展水情遙測工作時(shí)，需要應(yīng)用水利通信技術(shù)，建立具有多元化功能的水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)，從而滿足水情遙測基本要求。其一，水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在具體應(yīng)用時(shí)，可提高水文數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)、圖像視頻資源的規(guī)?；杉蛡鬏?。同時(shí)可弱化雨衰對傳統(tǒng)水文數(shù)據(jù)傳輸通信機(jī)制的影響，靈活運(yùn)用C波段、Ku波段網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，擴(kuò)大通信鏈路容量[6]。甚至可在水情遙測過程中，主動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)，適應(yīng)自編碼通信信道的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)律。其二，該系統(tǒng)具有功能多元化特點(diǎn)，可解決水情遙測中的多種問題。比如北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)可自由采集視頻、語音、圖片數(shù)據(jù)，且在和終端網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后，連續(xù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)64~4 Mbps帶寬，建立標(biāo)準(zhǔn)化水利衛(wèi)星小站，處理偏遠(yuǎn)地區(qū)水文數(shù)據(jù)傳輸問題。其三，水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)可通過布設(shè)衛(wèi)星小站，利用視頻通信帶寬，為水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、應(yīng)急通信提供技術(shù)保障。其四，為保障水情遙測工作效率，在確立DVB-S2通信模式后，改變衛(wèi)星頻譜，增強(qiáng)衛(wèi)星小站數(shù)據(jù)傳輸功能，提升系統(tǒng)內(nèi)水文數(shù)據(jù)資源的可用度。其五，水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員可在TCP/IP協(xié)議的作用下，拓展水情遙測專網(wǎng)覆蓋范圍，使其與地面其他網(wǎng)絡(luò)平臺互聯(lián)互通。

2.3.4 建立防汛通信機(jī)制

水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)在水情遙測工作中的應(yīng)用，同樣體現(xiàn)在防汛通信機(jī)制中。該系統(tǒng)可在處理水文視頻圖像的前提下，為偏遠(yuǎn)地區(qū)建立水情報(bào)訊傳輸通道，并聯(lián)水情遙測中心、水文報(bào)訊站點(diǎn)，提升水利衛(wèi)星系統(tǒng)維護(hù)能力[7]。讓各級報(bào)汛站與北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行VOIP電話、視頻互動(dòng)，加強(qiáng)該地區(qū)各水文遙測點(diǎn)的業(yè)務(wù)聯(lián)系，保障區(qū)域內(nèi)水文防汛安全，進(jìn)一步強(qiáng)化偏遠(yuǎn)地區(qū)水庫資源調(diào)用、水文數(shù)據(jù)監(jiān)測力度。某地區(qū)在水文汛期風(fēng)險(xiǎn)防控作業(yè)中，采集水情遙測信息時(shí)，應(yīng)用水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)，獲取水情遙測衛(wèi)星小站、公網(wǎng)信道內(nèi)的水文數(shù)據(jù)，及時(shí)處理該時(shí)期常規(guī)水利通信通道異常報(bào)訊問題，凸顯水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值。

不僅如此，基于水利通信技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其受地形條件、外部環(huán)境的約束較小，數(shù)據(jù)通信信道較為穩(wěn)定，可在地理位置偏遠(yuǎn)、面積大、公網(wǎng)覆蓋率低的地方建立系統(tǒng)化防汛通信機(jī)制，設(shè)置更為可靠的水文報(bào)訊測站。相關(guān)人員在系統(tǒng)運(yùn)行中開展水情遙測工作時(shí)，可強(qiáng)化水情遙測通訊站數(shù)據(jù)通信保障、運(yùn)行維護(hù)能力，智能解決雨水、水文數(shù)據(jù)測報(bào)問題，遠(yuǎn)程監(jiān)控重點(diǎn)河段、湖泊、水庫的水文情況。

比如在水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中，增設(shè)防汛通信、系統(tǒng)智能維護(hù)功能，可提升偏遠(yuǎn)地區(qū)雨水?dāng)?shù)據(jù)采集量，并且在暴雨災(zāi)害、洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生后，利用北斗衛(wèi)星通信優(yōu)勢，預(yù)防因自然環(huán)境造成的數(shù)據(jù)傳輸中斷問題。同時(shí)可在水文遙測過程中，實(shí)時(shí)傳輸視頻、圖片等各類遙測數(shù)據(jù)，確保遙測站內(nèi)水文數(shù)據(jù)的完整性，從而在防汛通信機(jī)制運(yùn)行中，為相關(guān)部門提供更為詳細(xì)、準(zhǔn)確的水情數(shù)據(jù)信息，確保該部門防汛決策的科學(xué)性、有效性，減少水文災(zāi)害損失，防控水情遙測數(shù)據(jù)傳輸中的通信風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員可根據(jù)偏遠(yuǎn)地區(qū)衛(wèi)星小站分布特點(diǎn)，優(yōu)化衛(wèi)星小站通信設(shè)置，繼而利用更為合理衛(wèi)星小站通信結(jié)構(gòu)，預(yù)防信號衰減、控制系統(tǒng)故障通信反饋線長度，增強(qiáng)偏遠(yuǎn)地區(qū)水利通信維護(hù)功能。通過將ISite軟件安裝至偏遠(yuǎn)地區(qū)衛(wèi)星小站主控中心，借助終端計(jì)算機(jī)提升系統(tǒng)運(yùn)維便捷性。在軟件支撐下，技術(shù)人員可采用高階維護(hù)技術(shù)，自動(dòng)測試衛(wèi)星小站運(yùn)行狀態(tài)、檢查衛(wèi)星小站射頻情況，且根據(jù)衛(wèi)星小站單載波工作模式、發(fā)射功率、信號強(qiáng)度等參數(shù)，遠(yuǎn)程維護(hù)偏遠(yuǎn)地區(qū)衛(wèi)星小站，確保水利衛(wèi)星遙測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3 結(jié) 語

在水情遙測工作開展中，為強(qiáng)化偏遠(yuǎn)地區(qū)防汛減災(zāi)能力，推進(jìn)水文監(jiān)測中的信息化建設(shè)，相關(guān)人員根據(jù)水情遙測特點(diǎn)，開發(fā)應(yīng)用水利衛(wèi)星通信系統(tǒng)，有效傳輸水文數(shù)據(jù)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)水情遙測中水文數(shù)據(jù)、視頻圖像傳輸問題，優(yōu)化該地區(qū)的水文通信信道。同時(shí)在北斗衛(wèi)星通行模式的滲透中，高效利用系統(tǒng)內(nèi)水文數(shù)據(jù)資源，建立更為完善的防汛通信機(jī)制。