北斗卫星通信在水文测报数据传输中的应用

1北斗卫星通信在水文测报数据传输中的应用刘尧成华小军韩友平摘要：从2002年起，我国就已经开始进行利用北斗卫星传输水情信息的试验研究，并陆续建设了多个北斗卫星水文遥测系统，到2006年已有800多个水文测站使用北斗卫星系统。介绍了北斗卫星系统、通信工作方式、通信技术指标、北斗卫星通信水情自动测报系统的组成，以及目前国内北斗卫星在水文遥测系统中的应用情况。金沙江梯级水电站水文自动测报系统进行了简要介绍。关键词：北斗卫星，CDMA，水文自动测报，回执1、北斗卫星系统简介北斗卫星是一个提供全中国范围内的卫星定位系统。它是中国自主开发的用于地面定位的第一代卫星系统，现在已发展成为可供民用定位和数据通信的系统。北斗卫星系统由三个主要部分组成：空间卫星，地面站(LES)及民用控制中心（神州天鸿控制中心）和用户终端。（1）空间卫星：空间卫星部分由2～3颗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。每颗卫星都有2个波束，定位在太平洋、印度洋二个区域。两颗工作卫星的波束分别为1、2、3、4。一颗备用星的波束为5、6。两颗卫星都可以覆盖中国全境。覆盖范围：北纬5～55度，东经70～145度。系统组成如图1所示。（2）地面站：终端与终端之间相互通信的中转站。地面站设在北京，通过神州天鸿中心站系统为民用定位与通信提供服务。其功能是完成与卫星之间上、下行数据的处理；对各类用户发送的业务请求进行响应处理，完成全部用户定位数据的处理工作和通信数据的交换工作，并把计算所得到的用户位置和经过交换的通信内容，分别送给有关用户；同时可对发送方用户进行通信回执确认；此外神州天鸿网管中心还负责用户的注册、管理和业务开通。2（3）定点（移动）终端：卫星终端分为普通型和指挥型终端两种。民用客户终端由北斗卫星收发主机、北斗卫星全向收发天线、用户操作控制单元、民用通信协议等软硬件组成，能够完成用户终端与空间卫星之间上、下行数据的处理；发送用户业务请求，接收用户数据；具有通用的RS232C数据接口。按照北斗卫星系统制订的技术标准生产移动终端的厂商已有多家，这些厂商生产的设备经过入网认可后，便可把产品销售给用户，目前一般用户都是在系统的服务商神州天鸿公司直接购置卫星终端设备，并在该系统管理中心办理用户入网手续，获得用户使用卡后投入使用。2.北斗卫星通信的工作方式北斗卫星系统具有点对点双向数据传输方式。它是数据报告方式，以数据包的形式传输，一次发送共有210个字节，一般用户一次最多可发送110bytes信息。测站终端发送采用码分多址直接扩频序列调制，扩频伪码采用周期伪随机序列，发送频率为L波段，通过卫星转换为C波段由地面站接收，由神州天鸿民用中心站处理后发到卫星，再经卫星转换为S波段由测站终端或指挥型终端接收，完成一3次点对点的通信。反向发送过程亦然。测站型终端和指挥型终端的最大区别在于前者只能锁定在一个波束上，而后者可以同时锁定所有波束，发送信息时也是如此，前者每次只能在单波束上发送，后者则可以同时在所有波束上发送。在北斗卫星通信点对点方式中，还有一种通播的方式。即在一个用户群（用户系统）中，将一个作为主站（中心站）的终端设备号码写入本群中其它测站的终端设备的映像地址中，当此中心站作通播方式发送时，则群中的所有使用同一波束的测站都能同时收到此信息。此功能可以用作系统的广播回执，即在系统的一次定时报后一定时间内，将收到系统中的测站和未收到的测站的信息广播出去，未收到自报信息的测站则再次发送信息，从而提高了系统的畅通率，同时也减少了系统中心站的发送次数。如果用户系统的主站采用指挥型终端则回执可一次在全部波束上发送，用户系统的所有测站可以同时收到主站的回执。3.北斗卫星系统的信道容量北斗卫星测站终端是在其后端设备的控制指令下发送数据报告的，它在收到后端设备的发送数据报告指令后，直接向卫星发送信息，其信道编码与调制方式为码分多址即CDMA方式，利用冗余编码方法使得入站数量达到200站/每秒，按照水利水文信息传输整点报的需求，以10分钟收集全部站点数据计算此类用户理论上可容纳12万测站用户，所以其信道容量极大。目前此类用户数量仅为800个左右，可以不考虑信道拥挤问题。4.北斗卫星系统的信息传输速度北斗卫星的通信技术指标出站信道：信道速率为31.25kbps入站信道：信道速率为15.625kpbs系统误码率：1×10－7定位精度：10~100米通信能力：一次最大可发送200个字节授时精度：单向100ns，双向30ns响应时间：高1秒；中5秒；低10秒接续方式：卫星终端至终端、DDN、PSTN、GSM、Internet目前，通过北斗卫星的地面中心和神州天鸿民用服务中心站的服务系统，用4户从测站发送数据到用户中心站接收到数据一般只需3到5秒，最长时间为10秒，系统的时效很快。神州天鸿系统所提供的精确授时功能，可以为测站及中心站提供精确的时间信息，以保证整个测报系统的时钟同步。5．北斗卫星系统与海事卫星C系统用于水情自动测报系统传输的比较（1）卫星：两个卫星系统都有两颗星覆盖中国，但是海事卫星在太平洋上的卫星只能覆盖中国的东部地区，目前国内主要使用的是印度洋上的那颗。另外，使用海事卫星系统的用户系统的一个主站（中心站）的一台卫星终端设备只能接收通过同一颗卫星传输信息的测站，如系统内的测站需要使用两个卫星，用户中心站就需要两台卫星终端设备对应接收不同卫星转发的信息。而北斗卫星系统的用户可以任意使用两颗卫星的四个波束传输信息，中心站只需一台卫星终端设备。（2）通信信道：海事卫星C系统采用的是TDMA（时分多址），一帧8.64秒分28个时隙，按侦听随机抢发的方式发送，一般系统要求10分钟时间收齐全部测站信息，十分钟共有69个8.64秒，1944个时隙。按S-ALOHA信道最大利用率（0.368）计算，约可传输715个数据包。一般来说，一个TDMA信令信道，在10分钟内最多有效传输715个测站（每个测站一次发一包）的数据。目前海事卫星北京地面站已经扩充了一个信令信道，也就是说系统容量可以扩大一倍，在十分中内最多有效传输1431个测站的信息。但目前北京地面站约有800个测站运行。另外，北斗卫星系统对用户没有一颗星或波束的限制，中心站和系统内的测站可以使用不同的卫星和不同的波束，也就是说，只要测站或中心站能看到任何一颗北斗卫星就可以在一个系统内工作而不需要增加另外的通信终端。北斗卫星系统的通信容量也按系统总容量的30％（10分钟）考虑，可容纳4万个测站。而海事卫星的测站和中心站必须在同一颗卫星上通信，就是说，如果一个系统内的测站不能在同一颗卫星上发送数据，则必须使用两套卫星终端接收信息。（3）通信时效：海事卫星点对点通信，从发到接收传输一次信息约3到5分钟。北斗卫星点对点通信，从发到接收传输一次信息约3到5秒。（4）信息长度：海事卫星发送一次一包为8个字节，二包为20个字节，一般水5北斗卫星系统北斗卫星系统地面中心站水情数据接收中心站计算机网络水位、雨量遥测站神州天鸿网管中心遥测终端机遥测终端机遥测终端机遥测终端机雨量计雨量计水位计情信息每次需要二包，所以前面所说的通信容量还要减半。北斗卫星发送一次一般可有100个字节。6.北斗卫星系统在水情自动测报系统中的应用北斗卫星系统用于水情自动测报系统的组成由下图所示：系统的测站由传感器（包括雨量计、水位计等）、遥测终端、北斗卫星终端、电源等，由遥测终端作为核心，完成水情信息的采集、存储并控制北斗卫星终端完成信息的发送和指令的接收。现在已经使用北斗卫星系统传输水情信息的水情自动测报系统已有：大渡河瀑布沟电站水情自动测报系统、乌江彭水、银盘水情自动测报系统，广西西江水文自动测报系统、金沙江金安桥水电站水情自动测报系统、国家防汛抗旱指挥系统汉口分中心等等。已有近800个测站运行，系统的畅通率都保持在98％以上。可见北斗卫星系统在我国的水情自动测报系统运用存在广阔的前景。67.在金沙江下段梯级水电站水文自动测报系统的应用在金沙江下段梯级水电站水位自动测报系统中采用北斗卫星通信作为系统的主信道，系统共有145个遥测站，9个运行维护分中心站，三个分中心站，一个中心站。系统采用定时自报，增量加报，定时招测的工作体制。接收采用一发多收方式，即各运行维护分中心通过北斗卫星信道接收各自所辖遥测站的信息，同时各分中心和中心站同时接收系统全部遥测站的信息，对于定时自报由中心站发送通播信息确认，各遥测站收到通播确认信息后，核对本站是否需要重发，作出相应处理。系统的招测采用测站发送信息后等待中心站的招测指令，有指令信息则作出响应，没有则按固有流程运行。参考文献：《卫星通信系统》吕海寰蔡剑铭甘仲民陈九治王明忠编著人民邮电出版社1988年5月作者简介：刘尧成，男，中国三峡开发总公司金沙江开发有限责任公司筹建处，高级工程师，四川省成都市610000华小军，男，中国三峡开发总公司金沙江开发有限责任公司筹建处，工程师，四川省成都市610000