胡長(zhǎng)元

（青海省氣象信息中心，青海 西寧 810001）

0 引 言

在氣象監(jiān)測(cè)的整個(gè)區(qū)域中，自動(dòng)氣象站占據(jù)著舉足輕重的位置且承擔(dān)著重大任務(wù)。其需要處理監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并及時(shí)反饋給監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心了解到相關(guān)數(shù)據(jù)后完成匯總及整理工作。在傳輸?shù)恼麄€(gè)階段里，數(shù)據(jù)通信質(zhì)量是重中之重，對(duì)大部分氣象業(yè)務(wù)的整體水平具有較大影響。依據(jù)通信方式的差異性，可將現(xiàn)階段的氣象數(shù)據(jù)通信模式分為有線遙測(cè)和無線遙測(cè)兩種。其中，無線遙測(cè)可通過CDMA、GSM、GPRS及衛(wèi)星移動(dòng)通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。前3種技術(shù)不會(huì)花費(fèi)過多成本，也不會(huì)產(chǎn)生較大功耗，但容易被外界環(huán)境影響，在環(huán)境條件十分惡劣的情況下，將直接影響通信，造成傳輸中斷等不良狀況。而北斗通信系統(tǒng)不會(huì)被外界條件所干擾，可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，并始終呈現(xiàn)正常狀態(tài)。其自身雖具有靈活性特點(diǎn)，但不可避免存在一定的缺點(diǎn)，如帶寬較小，很難滿足氣象數(shù)據(jù)傳輸需求。因此，需要制定與北斗系統(tǒng)相一致的短報(bào)文通信協(xié)議[1]。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位是全球4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，分為北斗一代和北斗二代兩個(gè)發(fā)展階段。在2000年10月31日和12月21日我國成功發(fā)射兩顆北斗一號(hào)，之后在2003年5月25日成功發(fā)射第三顆。通過結(jié)合3顆北斗一號(hào)的相關(guān)信息，構(gòu)成了具有通信功能和區(qū)域性有源定位的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為東南亞和中國提供多方面的服務(wù)。在2012年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)大面積覆蓋亞太領(lǐng)域，并且在2020年實(shí)現(xiàn)30余顆北斗衛(wèi)星全球組網(wǎng)，形成具有高精度的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備短信息通信功能[2]。北斗二代信號(hào)覆蓋諸多領(lǐng)域，如太平洋水域、日本海、島嶼、南沙群島、臺(tái)灣、沿海地區(qū)以及大陸等，其主要具有3種功能。

1.1 定位導(dǎo)航功能

北斗終端機(jī)可以快速實(shí)現(xiàn)范圍廣、高精度且全天候地定位，主要運(yùn)用在設(shè)備和交通工具的導(dǎo)航與精準(zhǔn)定位，同時(shí)也能應(yīng)用在災(zāi)害的預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)、勘探以及測(cè)量等其他領(lǐng)域[3]。

1.2 精密授時(shí)

北斗終端具有精密授時(shí)功能，具備20 ns的雙向精度和100 ns的單向精度，能夠?qū)崿F(xiàn)一天24 h傳播。而且具有可靠性高、范圍廣以及精度高等多種特點(diǎn)，同時(shí)還為電力領(lǐng)域和通信領(lǐng)域提供了高密度的同步時(shí)間[4]。

1.3 短報(bào)文通信

北斗衛(wèi)星能達(dá)到報(bào)文通信的要求，不被如環(huán)境變化因素和地理?xiàng)l件因素等多種因素影響。將北斗衛(wèi)星應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)，不僅能實(shí)現(xiàn)警情和災(zāi)情應(yīng)急通信，還能在多方面實(shí)現(xiàn)報(bào)文通信。北斗短報(bào)文通信一次最少能傳輸60個(gè)漢字，最多能傳輸120個(gè)漢字，而且服務(wù)頻度最高時(shí)可達(dá)到一秒一次。此外，其具有一定的穩(wěn)定性，迄今為止，已不斷應(yīng)用在多種氣象數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，如探空、水文觀測(cè)以及氣象觀測(cè)等。在前些年汶川地震時(shí)，地面信號(hào)斷開，在此形勢(shì)下，利用北斗衛(wèi)星對(duì)堰塞湖水位進(jìn)行有效檢測(cè)，不僅為相關(guān)部門提供了保障，還為減災(zāi)部門科學(xué)救災(zāi)提供了通信服務(wù)[5-6]。

2 自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)及方式

2.1 氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)及傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)及傳輸具備以下5種特點(diǎn)。第一，為收集較大區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)應(yīng)具備較多的觀測(cè)點(diǎn)。第二，氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較低。氣象數(shù)據(jù)也是原始數(shù)據(jù)，能精確且及時(shí)地傳輸?shù)较嚓P(guān)管理中心，并在多種領(lǐng)域發(fā)揮作用，如探空、水文、災(zāi)害預(yù)警以及天氣預(yù)報(bào)等[7]。第三，氣象觀測(cè)穩(wěn)定性要求較高。氣象數(shù)據(jù)在較差的環(huán)境下尤為重要，要求其一天24 h都保持穩(wěn)定運(yùn)行。第四，數(shù)據(jù)量小而多。自動(dòng)氣象站觀測(cè)項(xiàng)目主要包括雨量、相對(duì)濕度、氣溫、氣壓、風(fēng)速以及風(fēng)向等，對(duì)此拓展之后，還能觀測(cè)到底紋等其他氣象要素，采集頻率非?？欤?～10 min就能采集較多的數(shù)據(jù)[8]。第五，氣象數(shù)據(jù)保密性要求較高。由于氣象水文數(shù)據(jù)涉及到多種領(lǐng)域，如國家安全和國計(jì)民生等，因此在傳輸時(shí)應(yīng)進(jìn)行加密[9]。

2.2 自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)階段，氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞街饕谐滩ǎ╒HF）、海事衛(wèi)星C（Inmarsat）公共交換電話網(wǎng)（PSTN）、GPRS以及SMS/GSM短信等。其中，超短波（VHF）是地面可視通信，主要用于平原地區(qū)的短距離通信，優(yōu)點(diǎn)是通信質(zhì)量好、穩(wěn)定性高、受季節(jié)和晝夜變化的影響小、投資少以及建設(shè)方便等。主要缺點(diǎn)是容易被地形所干擾，在叢林地帶、山岳以及各個(gè)建筑物的作用下，電波將會(huì)受到不同程度的影響。由于受到多種阻礙，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)通信中斷的不良狀況，因此需要建設(shè)中繼站，從而增加了建設(shè)成本。海事衛(wèi)星C（Inmarsat）是衛(wèi)星通信，在兩方面的應(yīng)用較為廣泛，一是海陸空商用，二是安全衛(wèi)星移動(dòng)通信。其優(yōu)點(diǎn)是易于快速實(shí)現(xiàn)大范圍完全覆蓋且抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是經(jīng)驗(yàn)成本較高[10]。公共交換電話網(wǎng)（PSTN）是有線通信，優(yōu)點(diǎn)是通信費(fèi)用低、覆蓋區(qū)域廣以及易于使用等。缺點(diǎn)是需要布線、抗災(zāi)能力低、維護(hù)費(fèi)用高、線路質(zhì)量差以及傳輸速率低等。GPRS和SMS/GSM短信是通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸，費(fèi)用較低。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟[11]。目前已經(jīng)覆蓋了絕大部分區(qū)域，通信資費(fèi)也在逐年降低，且具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單、通信資費(fèi)低以及覆蓋面積廣等優(yōu)點(diǎn)。但其自身也具有覆蓋范圍不夠廣泛等弊端。此外，如果該區(qū)域信號(hào)條件較差，那么信號(hào)將無法保持穩(wěn)定狀態(tài)，且基站需要供電，因此一旦受惡劣天氣影響，電力供應(yīng)有可能中斷，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)也會(huì)中斷[12]。

3 北斗通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)身處野外環(huán)境中的自動(dòng)氣象站配備了編碼器和北斗通信型用戶機(jī)各一臺(tái)，同時(shí)也配備了適宜的自動(dòng)氣象儀。此外，電源供給中所選用的供電模式為太陽能供電。在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的幫助下，野外大部分氣象站均可完成數(shù)據(jù)傳輸。為了準(zhǔn)確了解野外氣象站傳回的數(shù)據(jù)包，需在監(jiān)控中心配備一臺(tái)解碼器和魚臺(tái)北斗指揮型用戶機(jī)。本系統(tǒng)的核心單元為解碼器和編碼器，主要任務(wù)是識(shí)別和解析，并做好數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。同時(shí)在解碼器和編碼器中配置具有較低功耗的ARM處理器芯片。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

在執(zhí)行相關(guān)功能指令的階段里，相關(guān)代碼燒寫發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用。此外，在連接編碼器、解碼器以及北斗用戶機(jī)的過程中，選用具有較高標(biāo)準(zhǔn)化程度的串口，為信號(hào)傳輸提供良好保障。在自主上報(bào)的工作模式中，編碼器先對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理和轉(zhuǎn)換，使其成為北斗協(xié)議格式數(shù)據(jù)，然后傳至北斗通信型用戶機(jī)，并在北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作用下傳送到監(jiān)控中心指揮機(jī)，之后由指揮機(jī)對(duì)信號(hào)解析處理后反饋至解碼器，做出相應(yīng)的處理后成為最初的氣象數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過串口到達(dá)終端系統(tǒng)，即可完成本次傳輸任務(wù)。此外，在監(jiān)控中心的幫助下，用戶可及時(shí)了解到野外觀測(cè)站氣象設(shè)備的不同狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)重傳指令的發(fā)送[13]。

3.2 傳輸協(xié)議與算法流程設(shè)計(jì)

在本方案的傳輸協(xié)議中，不僅將北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)作為主要依據(jù)，還將氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為參考重點(diǎn)，從通信頻度和數(shù)據(jù)包容量方面對(duì)二者之間的不同之處進(jìn)行處理。氣象設(shè)備采集的數(shù)據(jù)規(guī)模較大，通常情況下，在7要素的自動(dòng)氣象站中出現(xiàn)的單個(gè)數(shù)據(jù)包規(guī)模遠(yuǎn)超過北斗通信容量，可以達(dá)到后者的3～4倍。北斗系統(tǒng)的通信頻度往往會(huì)設(shè)置成兩種，一種是每隔10 min完成1次發(fā)送，另一種是每隔1 h完成1次發(fā)送。在數(shù)據(jù)包分片的幫助下，完成北斗系統(tǒng)的建立。在北斗系統(tǒng)中，極高的通信頻度具有顯著作用，可將原本的數(shù)據(jù)分成為多個(gè)部分，使傳輸階段更加便利。由于北斗民用通信協(xié)議中不存在丟包重發(fā)機(jī)制，并且當(dāng)數(shù)據(jù)丟失后，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)不會(huì)受到較大程度的干擾且沒有回執(zhí)信息，因此一定要在協(xié)議中添加丟失重傳機(jī)制，并融入對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。此外，本方案選用的是ASCII碼傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)字段長(zhǎng)度具有靈活性的特點(diǎn)，可依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變，且運(yùn)算符中涵蓋了分片編號(hào)，有助于監(jiān)控中心的準(zhǔn)確判斷，及時(shí)依據(jù)分片編號(hào)判斷是否發(fā)生丟失[14]。

4 成功應(yīng)用案例

目前，我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用北斗二號(hào)。隨著北斗二號(hào)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文通信功能不斷創(chuàng)新和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。我國目前存在以下兩種類似的典型案例。第一種，國土資源部地質(zhì)自然災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)利用北斗通信型用戶終端，可使得各省監(jiān)控中心和北京中心均可接收到觀測(cè)點(diǎn)的裂縫及位移等觀測(cè)量，并在后端完成數(shù)據(jù)分析和處理等。第二種，海島氣象數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)利用北斗通信型用戶終端，使監(jiān)控中心接收到觀測(cè)點(diǎn)的溫度、風(fēng)速以及氣壓等數(shù)據(jù)，并在后端完成數(shù)據(jù)分析和處理[15]。

5 結(jié) 論

通過深入分析北斗系統(tǒng)的短信息數(shù)據(jù)傳輸功能，提出對(duì)北斗二號(hào)用戶終端的利用方式，從而通過氣象觀測(cè)完成數(shù)據(jù)傳輸。目前，相關(guān)實(shí)際案例已經(jīng)證實(shí)了此種傳輸方式具有可行性。