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北斗系统在气象数据实时传输和质量控制中的应用
摘要:
    介绍利用北斗导航定位卫星系统的短报文通信功能,通过北斗卫星气象通信终端,实现自动气象站观测数据的实时传输和质量控制。通过补包重传,提高通信成功率,保证观测数据的完整性,并能实时监控采集器和通信终端的工作状态,实现状态信息的自动上传。
关键词 北斗卫星气象通信终端 实时传输 补包重传 压缩
 
引言:
    卫星导航系统相关技术目前已经被广泛应用到大气、海洋和空间的气象探测和应用领域,在高空气象探测、水汽和电离层监测,海洋气象探测,气象信息传输等领域得到广泛应用,在天气预报、减灾防灾、气候变化应对中发挥了重大应用[1-2]。北斗系统作为我国自主研制的导航系统,有着“报文通信”,“快速定位”,“精确授时”三大功能,尤其是报文通信,是其它导航定位系统不具备的。自动气象站以高效、连续、迅速的优点已占据了气象观测业务的主导业务,为气象服务提供了大量的实时资料[3-4]。但是,在现有的信息网络中,存在广阔无人区的气象信息采集及发送能力不足的问题。利用北斗卫星系统的报文通信功能,建立无人区自动气象站,通过北斗卫星气象通信终端,能及时、准确的实现气象观测数据的上传。

1、北斗短报文通信介绍

    北斗短报文通信,每次服务只能完成120个汉字(军用)或者60个汉字(民用)长度的电文通信,超出最大电文长度的电文信息传输时,在发送端将电文进行拆包(每包长度为最大电文长度)分多次发送,接收端待收全一条完整的电文信息后,再将接收到的电文信息进行拼包然后集中显示。这是目前大报文传输的普遍做法。而多要素的自动气象站,气象数据往往超过60个汉字的长度,需要拆成几包发送。
目前北斗的信道传输质量是10-5,也就是说平均传输105个比特可能产生1个错误。一般北斗电文最长为1680Bit,假设平均长度为1000bit,那么,每个包出现错误的概率就是10-2,即1%,成功的概率是99%。如果1条预警信息需要发送N个包,N个包全部成功,即整个预警信息发送成功的概率是(1-1%)N,失败的概率是1-(1-1%)N,信息越长,N越大,失败的概率越大,成功的概率越小。对于小的报文,点对点传输,99%的单包传输成功率也许很高,但对于信息长度较长,自动气象站数量成千上万,这个标准有些低。假设一条气象信息需要拆成5个包,以单包99%的成功率计算,预警信息的传输成功率是95.1%。因此,在用北斗进行气象信息传输时,一定要在成功率上下功夫。单包99%的成功率是系统的固有性能,是没有办法突破的,我们要在信息的重传和纠错上下功夫。

2、北斗气象终端

    北斗卫星气象通信终端安装在无人区的自动气象站内,自动收集气象站采集的气象数据,转换协议后,按规定周期地把数据利用北斗报文通信链路同步传输到省级气象中心和北斗运营平台内。整机功能框图如图1所示。以ARM处理单元为核心,管理、监控着整机的运行。
图1 北斗气象通信终端

3、工作原理

    气象采集器将采集的数据通过标准协议接口单元(RS232或RS485)发送到北斗卫星气象终端,终端对该数据进行二次协议封装和北斗通信协议封装,发送到北斗基带模块。根据IC卡所具有的通信等级、通信频度,进行发送频度控制和电文长度控制。实现自动拆包、补包重传、透明传输功能。利用气象设备间歇工作特点,采用多级休眠设计,降低功耗,非常适合太阳能供电。
(1)气象数据自动拆包处理
北斗卫星气象终端核心处理单元模块,采用FIQ(快速中断)接收采集器气象数据,保证数据传输的实时性。进行数据分析,并采用压缩算法进行数据压缩。如果压缩后数据量减少,按照北斗短报文通信要求的数据长度进行数据拆包,添加协议包头,按照通信频度进行数据发送。否则,取消数据压缩,直接进行拆包发送。处理流程见图2:
(2)缺失数据的补包重传
数据接收端(服务器端)对接收的气象数据进行统计,发现错误数据或者缺失数据,发送相应的补包命令。北斗卫星气象终端接收到北斗指令,进行数据解析,判断如果是补包指令,提取指令信息中的包号、帧号,在缓存中查找数据,并重发该包数据。
(3)监控工作状态
    控制模块对电源功能进行监控,对欠压、过压、过流、多路电压值、断电时间及时长进行记录,通过状态信息传送到气象中心,同时可以远程检测和故障定位。

4、结束语

    北斗卫星气象通信终端,利用北斗导航系统的短报文通信功能,对非常规信息覆盖区域的自动气象站采集的气象数据进行实时传输和补包重传,保证了气象数据的完整性,提高了数据质量。随着“北斗二号”卫星导航系统的逐步建成,北斗系统将在气象领域获得广泛应用。
 
 
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