氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩囟ㄐ苑治?/h1>
2019-10-21 10:16:35高健
科技風(fēng) 2019年3期 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸影響因素
高健
摘 要：氣象觀測數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量直接影響到了整個氣象觀測系統(tǒng)的實時性與準(zhǔn)確性，因而成為了該領(lǐng)域內(nèi)研究的重點內(nèi)容。本文根據(jù)工作實踐，對數(shù)據(jù)傳輸過程中可能對通信質(zhì)量造成影響的各種潛在因素進(jìn)行了逐一的分析，從大氣環(huán)境方面、電磁干擾方面、電纜感應(yīng)電動勢方面以及地線影響等各個層面進(jìn)行了綜合探討與細(xì)致的研究，并在此基礎(chǔ)上對設(shè)備安裝及維護(hù)保養(yǎng)工作提出了一些合理化建議，對保障氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量起到了積極的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞：氣象觀測設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸；信號質(zhì)量；影響因素
隨著氣象觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展和自動化觀測設(shè)備的大量使用，數(shù)據(jù)傳輸與信號通信環(huán)節(jié)的維護(hù)工作重要性不斷提高，也給地面氣象觀測設(shè)備保障人員帶來了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行定性分析，深入研究這些因素對通信信號的影響模式，以及如何進(jìn)行避免和改善，現(xiàn)總結(jié)如下。
1 運行環(huán)境的信號干擾影響
1.1 大氣環(huán)境變化影響分析
在氣象觀測設(shè)備當(dāng)中，大量使用了GPRS技術(shù)作為無線通信的核心技術(shù)，該技術(shù)是基于GSM的無線分組交換技術(shù)，由此可以看出，氣象數(shù)據(jù)的傳輸大部分是依賴電磁波作為載體的，這就勢必會受到大氣環(huán)境的影響。從信號學(xué)理論方面分析，由于目前使用的電磁波波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣體分析直徑，因此可將后者忽略不計，把氣體分子對信號的影響作用近似的等價于電磁波和球形粒子的相互作用。從實際應(yīng)用方面分析，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和法拉第旋轉(zhuǎn)等自然現(xiàn)象都會對氣象信號傳輸構(gòu)成負(fù)面影響，形成信號的衰減和起伏；另一方面，也必須考慮到大氣湍流的運動對一系列大氣環(huán)境參數(shù)構(gòu)成的影響，從而間接影響到氣象數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，使得信號噪聲增大，數(shù)據(jù)包的誤碼率上升。
1.2 電磁干擾影響分析
電磁干擾往往由有源設(shè)備發(fā)出，并隨功率的提升而增大，這類干擾對電磁波信號的影響相當(dāng)大，是干擾電纜信號并降低信號完好性重點因素。在GPRS信號傳輸過程中，電磁干擾的作用模式往往是通過空間將其信號耦合（干擾）到另一個信號網(wǎng)絡(luò)，從而對該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號構(gòu)成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致其失真。干擾信號的輻射傳輸特點使得其以球狀發(fā)散的方式從源頭向四周擴(kuò)散，影響效果隨著距離的增加而逐漸減弱。
1.3 環(huán)境干擾源的分析與解決
在設(shè)備安裝和維護(hù)過程中，針對環(huán)境因素的干擾問題，一方面可針對網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備中的物理層模塊進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，例如強(qiáng)化其差錯控制機(jī)制，使得設(shè)備對偶發(fā)的傳輸異常具有自檢定和自排查功能；另一方面也可通過高層協(xié)議來添加相關(guān)的數(shù)據(jù)異常解決功能，如在應(yīng)用層設(shè)置差錯控制機(jī)制，對丟失、出錯、失序的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，對重復(fù)的數(shù)據(jù)包也能夠可靠的檢查并丟棄；針對電磁干擾，可首先考慮設(shè)定科學(xué)合理的設(shè)備間距，以及各個設(shè)備的運行功率，前者可使得設(shè)備遠(yuǎn)離干擾源，并將干擾的影響降到最低，而后者則從源頭上減少干擾信號的功率，縮減其影響范圍。
2 氣象觀測設(shè)備間的信號干擾影響
2.1 電纜感應(yīng)電動勢的影響
為了確保通信質(zhì)量，地面站觀測設(shè)備間往往采取各種有線連接方式，借助通信電纜來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。各個采集器和傳感器所連接的通信電纜均需要埋設(shè)在地下井平行布設(shè)，而電源線路也在其中。根據(jù)電磁理論，電纜回路的磁場瞬值變化對通信線產(chǎn)生感生電動勢，該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流，會對通信線路中的信號造成程度不等的影響。數(shù)字信號的抗干擾能力較強(qiáng)，識別性能較好，因此受到此干擾時，基本不會影響到接收端的采樣精度，而當(dāng)線路中為模擬信號（如傳感器與采集器防雷板時間）時，則會受到較強(qiáng)的干擾影響，甚至破壞信號波形狀態(tài)，大大提高了接收端的采樣誤差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和丟包率的上升。
2.2 地線造成的電磁干擾影響
眾所周知，地線中存在阻抗，而正是這一因素導(dǎo)致了在傳輸信號的過程中，地線上會產(chǎn)生電壓，從而會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。另一方面，當(dāng)兩個電路連接在同一根地線上時，還會形成所謂的公共阻抗干擾，即耦合現(xiàn)象。而在長時間的臺建工作中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傳感器設(shè)備均貫通地線，形成多個電路共享同一根地線的情況，這會導(dǎo)致地線環(huán)路干擾極大的影響模擬信號的傳輸；此外，若采集器和電源系統(tǒng)同時貫通地線，則地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗，這會導(dǎo)致原本抗干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字信號的傳輸同樣受到公共阻抗耦合問題的影響。下圖中給出了地線環(huán)路電流干擾模型，圖中兩個接地的電路均受到了地線阻抗的影響，地線中有電流經(jīng)過時，就會產(chǎn)生電壓。尤其當(dāng)?shù)鼐€附近有大功率設(shè)備開啟運轉(zhuǎn)時，這一電流強(qiáng)度也會明顯提高，帶來強(qiáng)烈的干擾，且由于電路的不平衡性，各條線路中的電流強(qiáng)度均存在差異，而由此也會產(chǎn)生差模電壓，最終也對數(shù)據(jù)信號的傳輸構(gòu)成了負(fù)面干擾。
2.3 設(shè)備間干擾影響的分析與解決
從誤差機(jī)制方面分析，數(shù)字信號傳輸距離較近，且?guī)捪鄬^低，因此可使用多種機(jī)制的差錯解決方案。如采取多次采樣信號，并使用加權(quán)平均方法對樣本集進(jìn)行分析。雖然單次采樣仍然會出現(xiàn)各種測量誤差，且因為干擾因素的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)則和無法預(yù)測的特征，但總體上看，樣本群體依舊會服從統(tǒng)計規(guī)律，通過對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，能在理論上消除對測量結(jié)果的影響。
結(jié)合建站實際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點接地，徹底消除公共阻抗。從硬件配置環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，可采取以下策略。首先可以考慮為傳感器節(jié)點設(shè)備添加干擾濾波器，該器件的感應(yīng)部分是一個高頻截止元件，其他部分則使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，通過這種方法可以很好的將高頻噪聲與敏感電路相隔離，使得其無法進(jìn)入到敏感電路中并對其發(fā)出的信號造成負(fù)面影響。電磁干擾濾波器正是通過這種模式顯著降低或衰減了干擾信號，可靠的保護(hù)了通信質(zhì)量。
3 結(jié)語
氣象觀測數(shù)據(jù)的傳輸問題涉及的環(huán)節(jié)較多，又與多種不同類型的觀測設(shè)備的運行特點相關(guān)聯(lián)。近年來，雖然氣象觀測工作的自動化水平不斷提高，很大程度上減輕了地面氣象人員的工作負(fù)荷，但各種維護(hù)保養(yǎng)工作的壓力卻逐漸提高，而確保氣象觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性的必要條件之一就是可靠的數(shù)據(jù)通信。以往的檢修維護(hù)工作對設(shè)備本身的問題較為重視，但往往忽視了周圍環(huán)境對信號傳輸造成影像。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，本文認(rèn)為在氣象觀測設(shè)備的安裝及運維工作過程中，應(yīng)當(dāng)針對無線傳輸?shù)母蓴_影響，盡可能的控制和減少區(qū)域站運行環(huán)境的干擾因素，并積極與其他部門保持溝通，如當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門和移動供應(yīng)商等，共同保障氣象觀測數(shù)據(jù)的正常通信。
參考文獻(xiàn)：
[1]江海榮.空間環(huán)境對衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊慬J].邯鄲學(xué)院學(xué)報，2007，13（7）：83.84.
[2]侯江生，鄒哲馨，段利軍，等.淺談信號干擾對區(qū)域自動氣象站的數(shù)據(jù)傳輸影響[J].氣象研究與應(yīng)用，2014，35（1）：85.87.
[3]何宏.電磁兼容與電磁干擾[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.
[4]徐新艷.數(shù)字電子技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.
[5]李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007：15.48.
[6]張遠(yuǎn)洪，羅曉松，趙大清，等.淺析移動通信網(wǎng)絡(luò)升級對區(qū)域自動氣象站GPRS通信的影響[J].貴州氣象，2017，41（1）：74.77.
[7]趙隆香.區(qū)域自動氣象站維護(hù)與保障管理探討[J].青海農(nóng)林科技，2016（1）：55.57.
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關(guān)鍵詞：氣象觀測設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸；信號質(zhì)量；影響因素
隨著氣象觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展和自動化觀測設(shè)備的大量使用，數(shù)據(jù)傳輸與信號通信環(huán)節(jié)的維護(hù)工作重要性不斷提高，也給地面氣象觀測設(shè)備保障人員帶來了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懸蛩剡M(jìn)行定性分析，深入研究這些因素對通信信號的影響模式，以及如何進(jìn)行避免和改善，現(xiàn)總結(jié)如下。
1 運行環(huán)境的信號干擾影響
1.1 大氣環(huán)境變化影響分析
在氣象觀測設(shè)備當(dāng)中，大量使用了GPRS技術(shù)作為無線通信的核心技術(shù)，該技術(shù)是基于GSM的無線分組交換技術(shù)，由此可以看出，氣象數(shù)據(jù)的傳輸大部分是依賴電磁波作為載體的，這就勢必會受到大氣環(huán)境的影響。從信號學(xué)理論方面分析，由于目前使用的電磁波波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣體分析直徑，因此可將后者忽略不計，把氣體分子對信號的影響作用近似的等價于電磁波和球形粒子的相互作用。從實際應(yīng)用方面分析，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和法拉第旋轉(zhuǎn)等自然現(xiàn)象都會對氣象信號傳輸構(gòu)成負(fù)面影響，形成信號的衰減和起伏；另一方面，也必須考慮到大氣湍流的運動對一系列大氣環(huán)境參數(shù)構(gòu)成的影響，從而間接影響到氣象數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，使得信號噪聲增大，數(shù)據(jù)包的誤碼率上升。
1.2 電磁干擾影響分析
電磁干擾往往由有源設(shè)備發(fā)出，并隨功率的提升而增大，這類干擾對電磁波信號的影響相當(dāng)大，是干擾電纜信號并降低信號完好性重點因素。在GPRS信號傳輸過程中，電磁干擾的作用模式往往是通過空間將其信號耦合（干擾）到另一個信號網(wǎng)絡(luò)，從而對該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信號構(gòu)成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致其失真。干擾信號的輻射傳輸特點使得其以球狀發(fā)散的方式從源頭向四周擴(kuò)散，影響效果隨著距離的增加而逐漸減弱。
1.3 環(huán)境干擾源的分析與解決
在設(shè)備安裝和維護(hù)過程中，針對環(huán)境因素的干擾問題，一方面可針對網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備中的物理層模塊進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，例如強(qiáng)化其差錯控制機(jī)制，使得設(shè)備對偶發(fā)的傳輸異常具有自檢定和自排查功能；另一方面也可通過高層協(xié)議來添加相關(guān)的數(shù)據(jù)異常解決功能，如在應(yīng)用層設(shè)置差錯控制機(jī)制，對丟失、出錯、失序的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重傳，對重復(fù)的數(shù)據(jù)包也能夠可靠的檢查并丟棄；針對電磁干擾，可首先考慮設(shè)定科學(xué)合理的設(shè)備間距，以及各個設(shè)備的運行功率，前者可使得設(shè)備遠(yuǎn)離干擾源，并將干擾的影響降到最低，而后者則從源頭上減少干擾信號的功率，縮減其影響范圍。
2 氣象觀測設(shè)備間的信號干擾影響
2.1 電纜感應(yīng)電動勢的影響
為了確保通信質(zhì)量，地面站觀測設(shè)備間往往采取各種有線連接方式，借助通信電纜來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。各個采集器和傳感器所連接的通信電纜均需要埋設(shè)在地下井平行布設(shè)，而電源線路也在其中。根據(jù)電磁理論，電纜回路的磁場瞬值變化對通信線產(chǎn)生感生電動勢，該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應(yīng)電流，會對通信線路中的信號造成程度不等的影響。數(shù)字信號的抗干擾能力較強(qiáng)，識別性能較好，因此受到此干擾時，基本不會影響到接收端的采樣精度，而當(dāng)線路中為模擬信號（如傳感器與采集器防雷板時間）時，則會受到較強(qiáng)的干擾影響，甚至破壞信號波形狀態(tài)，大大提高了接收端的采樣誤差，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和丟包率的上升。
2.2 地線造成的電磁干擾影響
眾所周知，地線中存在阻抗，而正是這一因素導(dǎo)致了在傳輸信號的過程中，地線上會產(chǎn)生電壓，從而會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。另一方面，當(dāng)兩個電路連接在同一根地線上時，還會形成所謂的公共阻抗干擾，即耦合現(xiàn)象。而在長時間的臺建工作中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)傳感器設(shè)備均貫通地線，形成多個電路共享同一根地線的情況，這會導(dǎo)致地線環(huán)路干擾極大的影響模擬信號的傳輸；此外，若采集器和電源系統(tǒng)同時貫通地線，則地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗，這會導(dǎo)致原本抗干擾能力較強(qiáng)的數(shù)字信號的傳輸同樣受到公共阻抗耦合問題的影響。下圖中給出了地線環(huán)路電流干擾模型，圖中兩個接地的電路均受到了地線阻抗的影響，地線中有電流經(jīng)過時，就會產(chǎn)生電壓。尤其當(dāng)?shù)鼐€附近有大功率設(shè)備開啟運轉(zhuǎn)時，這一電流強(qiáng)度也會明顯提高，帶來強(qiáng)烈的干擾，且由于電路的不平衡性，各條線路中的電流強(qiáng)度均存在差異，而由此也會產(chǎn)生差模電壓，最終也對數(shù)據(jù)信號的傳輸構(gòu)成了負(fù)面干擾。
2.3 設(shè)備間干擾影響的分析與解決
從誤差機(jī)制方面分析，數(shù)字信號傳輸距離較近，且?guī)捪鄬^低，因此可使用多種機(jī)制的差錯解決方案。如采取多次采樣信號，并使用加權(quán)平均方法對樣本集進(jìn)行分析。雖然單次采樣仍然會出現(xiàn)各種測量誤差，且因為干擾因素的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)則和無法預(yù)測的特征，但總體上看，樣本群體依舊會服從統(tǒng)計規(guī)律，通過對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，能在理論上消除對測量結(jié)果的影響。
結(jié)合建站實際情況，解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點接地，徹底消除公共阻抗。從硬件配置環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，可采取以下策略。首先可以考慮為傳感器節(jié)點設(shè)備添加干擾濾波器，該器件的感應(yīng)部分是一個高頻截止元件，其他部分則使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，通過這種方法可以很好的將高頻噪聲與敏感電路相隔離，使得其無法進(jìn)入到敏感電路中并對其發(fā)出的信號造成負(fù)面影響。電磁干擾濾波器正是通過這種模式顯著降低或衰減了干擾信號，可靠的保護(hù)了通信質(zhì)量。
3 結(jié)語
氣象觀測數(shù)據(jù)的傳輸問題涉及的環(huán)節(jié)較多，又與多種不同類型的觀測設(shè)備的運行特點相關(guān)聯(lián)。近年來，雖然氣象觀測工作的自動化水平不斷提高，很大程度上減輕了地面氣象人員的工作負(fù)荷，但各種維護(hù)保養(yǎng)工作的壓力卻逐漸提高，而確保氣象觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性的必要條件之一就是可靠的數(shù)據(jù)通信。以往的檢修維護(hù)工作對設(shè)備本身的問題較為重視，但往往忽視了周圍環(huán)境對信號傳輸造成影像。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，本文認(rèn)為在氣象觀測設(shè)備的安裝及運維工作過程中，應(yīng)當(dāng)針對無線傳輸?shù)母蓴_影響，盡可能的控制和減少區(qū)域站運行環(huán)境的干擾因素，并積極與其他部門保持溝通，如當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門和移動供應(yīng)商等，共同保障氣象觀測數(shù)據(jù)的正常通信。
參考文獻(xiàn)：
[1]江海榮.空間環(huán)境對衛(wèi)星傳輸?shù)挠绊慬J].邯鄲學(xué)院學(xué)報，2007，13（7）：83.84.
[2]侯江生，鄒哲馨，段利軍，等.淺談信號干擾對區(qū)域自動氣象站的數(shù)據(jù)傳輸影響[J].氣象研究與應(yīng)用，2014，35（1）：85.87.
[3]何宏.電磁兼容與電磁干擾[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.
[4]徐新艷.數(shù)字電子技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.
[5]李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007：15.48.
[6]張遠(yuǎn)洪，羅曉松，趙大清，等.淺析移動通信網(wǎng)絡(luò)升級對區(qū)域自動氣象站GPRS通信的影響[J].貴州氣象，2017，41（1）：74.77.
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