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(jiǎn)介32.水利行業(yè)應(yīng)用需求42.1.水利工程測(cè)量42.2.水情監(jiān)測(cè)52.3.水利設(shè)備監(jiān)控63.短報(bào)文通信在水情監(jiān)測(cè)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第 12 頁(yè)/共 12 頁(yè)1. 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡(jiǎn)介北斗衛(wèi)星是一個(gè)提供全中國(guó)范圍內(nèi)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它是中國(guó)自主開(kāi)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(gè)主要部分組成：空間衛(wèi)星，地面站(LES)及分理平臺(tái)（河南北斗衛(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(wú)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

3、5、6。兩顆衛(wèi)星都可以覆蓋中國(guó)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(duì)各類用戶發(fā)送的業(yè)務(wù)請(qǐng)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(guò)交換的通信內(nèi)容，分別送給有關(guān)用戶；同時(shí)可對(duì)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(qǐng)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(shí)提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)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(guó)家，該系統(tǒng)的建立對(duì)我國(guó)國(guó)民國(guó)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(cè)量在水利工程勘測(cè)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(cè)量?jī)x器很難找到合適的測(cè)量點(diǎn)，工作量也比較大，影響測(cè)量的精確度和工程進(jìn)度。北斗是完全由我國(guó)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(guó)基礎(chǔ)工程各項(xiàng)測(cè)量和定位中，基于北斗定位的RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分）測(cè)量相比較傳統(tǒng)觀

5、的水利工程測(cè)量而言，具有適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)易、測(cè)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(cè)量圖示2.2. 水情監(jiān)測(cè)根據(jù)我國(guó)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(cè)報(bào)系統(tǒng)，采用現(xiàn)代數(shù)字化科技手段實(shí)現(xiàn)對(duì)中小河流域、湖泊、水庫(kù)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(cè)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(wú)人值守觀測(cè)站組成，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)槎鄠€(gè)觀測(cè)站的氣象數(shù)據(jù)

6、向一個(gè)監(jiān)控中心傳輸?shù)摹岸帱c(diǎn)對(duì)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)對(duì)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(cè)報(bào)數(shù)據(jù)隨著觀測(cè)站的數(shù)量的增長(zhǎng)和天氣情況的變化，成不規(guī)則增長(zhǎng)方式，1分鐘內(nèi)可能會(huì)上報(bào)幾百條數(shù)據(jù)。對(duì)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(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸面臨的兩個(gè)主要問(wèn)題

7、。北斗衛(wèi)星能夠解決這兩個(gè)問(wèn)題。北斗衛(wèi)星通信信號(hào)覆蓋范圍廣、可靠性高。水文測(cè)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(wàn)測(cè)站用戶，所以其信道容量極大，可以不考慮信道擁擠問(wèn)題。目前支持北斗衛(wèi)星通信的水文遙測(cè)設(shè)備RTU體積小功耗低、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單和易于組網(wǎng)布設(shè)站點(diǎn)，硬件費(fèi)用比較低。河南北斗衛(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(cè)通信卡號(hào)，支付服

8、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(cè)2.3. 水利設(shè)備監(jiān)控水利行業(yè)的發(fā)展越來(lái)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(cè)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(wú)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(duì)一點(diǎn)”方式可以滿足這種需求。3. 北斗衛(wèi)星通信在水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用從2002年起，我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)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(cè)系統(tǒng)，2006年已有8

9、00多個(gè)水文測(cè)站使用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸3.1. 短報(bào)文通信介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航是我國(guó)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(jiǎn)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：（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(shí)現(xiàn)雙向簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信（3） 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(cè)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

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(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有點(diǎn)對(duì)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(cè)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(zhǎng)波段，通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段由地面站接收。測(cè)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(duì)點(diǎn)方式中，還有一種通播的方式。即在一個(gè)用戶群

11、（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(cè)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(cè)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(cè)站和未收到的測(cè)站的信息廣播出去，未收到自報(bào)信息的測(cè)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(cè)站可以同時(shí)收到主站的回執(zhí)。（2）多點(diǎn)對(duì)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

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(jī)發(fā)送短報(bào)文信息。實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)的通信。在水文遙測(cè)站數(shù)據(jù)上報(bào)中就采用這種方式。3.1.2. 通信優(yōu)點(diǎn)北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、沒(méi)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。3.1.3. 通信缺點(diǎn)北斗衛(wèi)星短報(bào)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?jī)H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(méi)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(diǎn)，水文測(cè)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(duì)一點(diǎn)”，各個(gè)水文測(cè)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(guò)監(jiān)控軟件，查詢顯示報(bào)文的接收、解析情況。3.2.1. 硬件配置各個(gè)水文觀測(cè)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(cè)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(cè)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(qǐng)信號(hào)，再傳至北斗通信型用戶機(jī)，通過(guò)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

14、指定的數(shù)據(jù)庫(kù)或其他存儲(chǔ)設(shè)備中。（1） 北斗通信型用戶機(jī)（2） 編碼器（3） 應(yīng)用/數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等3.2.2. 服務(wù)提供根據(jù)國(guó)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(tái)可以提供民用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。協(xié)助用戶注冊(cè)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(kāi)發(fā)一些北斗通信相關(guān)軟件（通信數(shù)據(jù)入庫(kù)軟件、監(jiān)控軟件）。（1） 用戶注冊(cè)（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(bào)文通信有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要增加通信保障，確保水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸正常。（1） 報(bào)文協(xié)議水情數(shù)據(jù)上報(bào)過(guò)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。（2） 通

15、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)。（3） 監(jiān)控日志開(kāi)發(fā)報(bào)文接收日志、報(bào)文解析日志、軟件運(yùn)行過(guò)程的文件日志，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)及后臺(tái)日志，能夠看到整個(gè)通信過(guò)程的運(yùn)行情況。另外，提供觀測(cè)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。3.2.4. 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖5 北斗衛(wèi)星水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)3.3. 實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)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(guò)水文遙測(cè)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(cè)終端的水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸功能。在河南北斗衛(wèi)星分理服務(wù)平臺(tái)中，遙測(cè)設(shè)備卡號(hào)與北斗指揮機(jī)卡號(hào)綁定，通過(guò)北斗衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)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(cè)設(shè)備發(fā)送的報(bào)文后，通過(guò)水利廳IP+端口公網(wǎng)傳輸方式，將接收到的原始報(bào)文推送到水利廳北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)中。本系統(tǒng)主要由五部分構(gòu)成：Ø 遙測(cè)終端RTU報(bào)文發(fā)送軟件Ø 北斗衛(wèi)星報(bào)文接收/轉(zhuǎn)發(fā)軟件