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基于北斗卫星的气象数据传输系统研究与应用
研发部:李 更
 
    摘要:本文介绍了一种基于北斗卫星进行自动气象站实时观测气象数据通信传输的应用实例。北斗卫星导航定位系统是由我国自主研制建立,具备通信功能、区域性有源定位的卫星导航定位系统,可以为中国和东南亚地区提供全天候、全天时的导航、通信、授时服务。应用北斗卫星导航系统的短报文通信进行气象数据传输可实现我国气象观测网的全区域无盲点覆盖,提供全天候、全天时的气象数据通信服务。
 
    关键词:北斗卫星,气象数据传输,自动气象站,气象观测网
 
1.引言
    由于我国幅员辽阔且高山河流纵横交错,同时也是泥石流、塌方、洪涝等气象地质灾害高发的地区,因此自动气象站作为国家地面气象观测网的补充,同时为了满足气象服务的需求,全国各地相继建成以不同气象要素为观测对象的区域自动气象观测站。基于北斗卫星短报文通信功能可以实现对气象观测数据的实时传输功能。北斗卫星信号覆盖范围广,受地形、气候因素影响小,可以解决全国范围广阔地域内大量建设气象观测点的难题[1]。北斗卫星通信信道具有全天候、全天时、实时性强等特点,满足气象观测的要求。北斗卫星导航定位系统的授时功能能够为气象观测网进行全网精准授时,保证了全网数据采集和数据传输的同步。北斗卫星导航定位系统的定位功能可以为便携式自动气象站提供小于1米的广域差分定位服务[2],可将实时气象数据采集和地理位置信息融合在一起。这样,可以为移动气象观测、应急气象保障和特殊气象灾害处置提供更加全面、准确、可靠地气象数据信息。目前,基于北斗卫星气象数据传输系统的省级区域自动气象网已经在四川、新疆和福建等地的气象部门的支持下完成了建设运行。全国山洪灾害防治和中小河流域治理两个项目中,北斗卫星气象数据传输系统也正在被推广应用。
 
2. 气象观测及数据传输应用现状调研
2.1  气象观测及数据传输应用的特点
    基于自动气象站的气象观测及数据传输系统具有以下特点:(1)气象数据采集区域广阔、观测点数量庞大。(2)气象数据实时性要求高。作为天气预报、灾害预警监测、水文测报等应用的原始数据,只有及时、准确地传送到指挥决策中心,才能真正发挥作用。(3)气象观测需要长时间、全天候进行,越是在恶劣的天气条件下,气象观测才越发重要。(4)单次气象数据量小,长时间累计数据量较大。自动气象站观测项目通常为气压、气温、相对湿度、风向、风速、雨量等基本气象要素,经扩充后还可观测其它气象要素的数据。(5)气象数据具有保密性要求。气象水文数据,是关系到国计民生、国家安全的重要信息。
 
2.2  气象数据通信传输方式简介
    目前,气象数据传输通常所采用的通信方式有超短波(VHF)、海事卫星C(Inmarsat)、公共交换电话网(PSTN)、GPRS和GSM/SMS短信等,它们各有其优缺点和应用的局限性。超短波(VHF)是一种地面可视通信,它具有通信质量好、设备简单、投资少、建设周期短等优点,适于平原地区短距离通信[3] [4]。但在高山地区和长距离数据传输时,需要增加信号中继站,投入增大且信号传输质量变差。海事卫星C(Inmarsat)是海陆空商用及遇险安全卫星移动通信服务的提供者。由于是卫星通信,所以适合长距离,高原、高山的复杂地形的广阔区域组网。公共交换电话网(PSTN)属于有线通信,它具有传输速率高、信号质量好且不存在同频干扰等优点,但有线传输同时也具有组网布线复杂、后期维护费用高昂、自然灾害防御能力差等缺点。GPRS和GSM/SMS短信是通过移动通信网络进行的传输,平均资费较低[5]。由于目前移动通信网络已经发展的比较成熟,且国内的网络覆盖率也达到较高的水平,因而这种通信方式具有信息传输速率快、可靠性高、响应时间短、通信资费相对低廉、网络覆盖面积广等诸多优点。但是,移动通信信号在高山地区、人烟稀少的地区覆盖率小,且移动通信基站一般需要电力网保证供电,如果遭遇暴雨、大风等天气影响,移动通信网络信号就有可能因电力供应中断而消失,这使得它抵御自然灾害的能力较差。

 
2.3  基于北斗卫星的气象数据传输应用
    北斗卫星导航定位系统的简短报文通信功能作为一种稳定可靠的卫星通信方式,已经被广泛应用于各种气象数据传输需求的领域,如多山地区无人值守自动气象站数据传输,长江水情自动测报系统,载人航天工程气象保障水文数据传输系统和海洋环境监测系统等诸多领域。特别是在2008年5.12汶川地震期间,地面通信系统遭到破坏中断的情况下,完成了对堰塞湖水位的实时监测,为应急减灾部门进行决策方案提供了重要的保障。
北斗短报文通信一次最多可传输120个汉字,服务频度最高可达1秒/次。应用北斗卫星通信信道传输气象数据具有以下优势:(1)北斗卫星信号覆盖区域广、受地形、气候因素影响小。作为我国自主研发的卫星导航系统,北斗卫星系统可以为东经70°~140°E、北纬5°~55°N的区域提供全天候的短报文通信服务[2],该区域已覆盖我国及周边的大部分地区,可解决偏远地区、高山丘陵地区、海岛等移动信号难以覆盖区域建站问题。北斗卫星信号上下行频段分别为L、S波段,可穿透平流层和对流层,雨衰影响小,可保证极端天气条件下通信。(2)信息传输实时性强。北斗系统定位总站可以同时处理200个用户的入站并发通信请求,实时气象数据可在秒~分钟级内到达信息监控指挥中心[6]。同时,随着北斗系统的快速发展,有源定位方式逐步被无源定位所取代,但短报文通信将作为北斗系统独有的特色被保留下来,北斗系统通信容量有待进一步扩大[7]。(3)可气象监测网提供统一时间基准和位置服务信息。北斗卫星导航定位系统双向差分授时精度可达20nS,单向授时可达100 nS的精度范围,保证了各个气象数据采集点的时间准确度,并为省市级或全国范围的气象监测网提供精准的统一时间基准。同时,北斗系统具有导航定位功能,能够向气象监测管理中心提供自动气象站或气象监测点的精准位置信息,特别适合移动自动气象站或气象监测点的应用。(4)北斗系统通信信道保密性强。气象数据为天气预报、自然灾害防治监测、农业生产、林业、交通、环境保护以及军事用途提供了重要的参考数据,是关系着国家安全的重要信息,具有一定保密性。北斗系统作为军民两用的导航定位系统,设计原则中就包含良好的安全保密性。(5)通信资费及后期维护费用低廉。北斗数据通信终端应用于气象数据传输属于民用用户,可申请民用用户IC卡,并根据服务频度选择包年服务。相比于海事卫星的通信资费,北斗用户应用服务年费比较低廉。北斗数据通信终端可采用模块化设计,可通过铅酸蓄电池和太阳能供电,体积小、功耗低、工作稳定可靠后期基本不需要维护。
 
3.北斗气象数据传输系统设计应用
3.1  北斗气象通信终端设计
    北斗气象通信终端应用于无人值守的自动气象站、便携自动气象站中,作为一种稳定可靠的主通信方式,或者备份通信方式。气象数据采集器将气象传感器采集的模拟气象数据进行数字量化,并按照气象数据格式输出给北斗气象通信终端或者其他通信模块。北斗气象通信终端可对气象数据进行压缩,并按照北斗协议进行数据协议转换,然后通过北斗卫星发送给中心指挥机。中心指挥机将接收到的含有气象数据的信息进行解压缩,恢复气象采集器输出的气象数据格式。然后,中心指挥机通过串口将数据送给中心站应用软件进行数据统计、加工处理后,提供给气象应用部门作为决策、指挥的数据参考依据。
图 1
    我公司目前研发的北斗气象通信终端是基于北斗卫星导航定位系统结合气象领域数据通信传输的实际应用特点而进行综合设计的。在产品设计之初,我们以“小型化、模块化、低功耗、高稳定性和环境适应性”为产品设计思想,并充分结合无人值守自动气象站和便携自动气象站的特点,进行产品设计规划和设计方案实施。北斗气象通信终端硬件设计方案方框图如下所示:
图 2
    北斗气象通信终端的工作模式包括:自主工作模式、参数配置模式、信息查询模式和静默睡眠模式。北斗气象通信终端开机上电后,默认工作在“自主工作模式”下,ARM处理器自主监听串口来自气象数据采集器的气象数据。 当串口接收到气象数据时,通信终端进入“自主工作模式”,ARM处理器将接收到的气象数据进行选择性数据压缩,并完成北斗协议转换,然后通过北斗卫星发送至指定的中心站指挥机。在“参数配置工作模式”下,国家或省市级气象观测控制中心可以由中心指挥机通过北斗卫星发送远程控制命令来配置北斗气象通信终端的工作参数,包括中心站卡号设置、低功耗休眠模式设置和自动气象站自主校时功能设置等。北斗气象通信终端在接收到已授权的中心站指挥机发送的信息查询命令后,进入到“信息查询模式”。在此模式下,气象中心站可以查询便携站的位置信息、自动气象站发送数据记录、自动气象站工作状态和北斗气象通信终端工作状态等信息状态。在自动气象站数据传输时间间隔较长,需要进入低功耗节能模式时,可以将通信终端配置成“静默睡眠模式”。在此模式下,通信终端可以通过本地串口唤醒或者定时唤醒等方式,进入到正常工作模式中。
北斗气象通信终端的主要功能包括:气象数据发送处理、位置信息报告、北斗授时和状态信息报告等功能。气象数据发送处理功能就是将自动气象站数据采集器的数据进行数据压缩、拆分包,并按照北斗协议进行转换,然后通过北斗卫星进行发送通信。省级区域气象控制中心可以通过北斗气象通信终端定位功能获得自动气象站实时位置信息。北斗气象通信终端的授时功能可以为国家或省市级气象观测网提供精准的授时服务,保证气象观测网的时间同步和气象数据采集的时间准确度。
 
3.2  基于北斗运营服务平台的气象数据传输系统构想
    北斗卫星导航定位系统作为四大全球卫星导航定位系统之一,已经被国家确定为十二五期间重点发展的国家级重大科技项目。我国卫星导航产业规模预计在2015年将达到1500亿,2020年将突破4000亿,即将成为推动国民经济发展重要经济支柱[8]。随着北斗卫星导航定位系统的快速发展和深入推广应用,基于北斗运营服务平台的气象数据传输系统迎来来了良好的发展契机[9]
    基于北斗运营服务平台的气象数据传输系统包括,基于北斗卫星的无人值守自动气象站和便携站的气象数据通信、北斗探空系统和北斗气象预警信息发布系统组成。无人值守自动气象站和便携式自动气象站组成了全国或省市级的地面气象观测系统,北斗探空系统作为高空环境的气象数据观测的方式。这样,通过将地面气象观测和高空气象观测融合在一起,就可以组成全国范围的全面立体的气象观测系统[10]。气象预报决策部门通过北斗气象预警信息发布系统将天气预警信息进行实时播报。
图 3
 
3.结论
    基于北斗卫星的报文通信为气象数据传输提供了一种有效的途径,同时可以很好地解决草原、高山、丘陵等偏远地区的信号覆盖问题。本文提出了一种北斗气象通信终端的设计实现方案,并针对基于北斗卫星运营服务平台而构建的国家级或省市级气象观测应用服务网进行了探索研究。伴随着北斗卫星导航定位系统的快速发展,它在气象领域的应用也将会有更加广阔的发展前景。
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