基于卫星通信的水文遥测通信系统

陈钊正 ，陈福春 ，巩怀永 ，彭 英

（1. 江西省高速公路联网管理中心，江西 南昌 330003；2. 江西省水文局，江西 南昌 330002；3. 北京金水燕禹科技有限公司，北京 100089）

卫星通信是解决偏远及公网覆盖能力不足地区信息传输和应急抢险机动通信的主要手段，也是地面通信网的重要补充和备份通信手段。卫星应用关系到国家利益和安全，为世界各国所重视，欧美发达国家和地区逐渐加大在卫星领域的投入；我国自 20 世纪 70 年代以来，也在卫星领域取得了很多突破。目前，我国卫星通信业务已覆盖了公安、交通、气象、证券、海关、远程教育等 100 多个领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。

为提高防御水患的能力，满足水利新业务的需求，更替改造了 1994 年水利部建设的卫星通信系统。目前新一代卫星通信主站已改造完成，采用了27.2 MHz 卫星频段，相较于原有系统，系统性能和适应性得到了较大程度的提升，卫星通信小站的建设和运行维护成本得到了大范围的降低，针对防汛测报、应急响应抢险、传感遥测图像数据等实时性强和敏感度高的水文防汛信息进行传输和保障，在通信保障、应急处理、信息管理等方面起到了重要的支撑作用[1]。

江西省水文监测系统建设具有分布分散，组网困难，常规通信手段稳定性不高，通信质量不强等难点，为提高江西省抗灾救灾能力和信息化水平，必须构建组网方便、通信质量高的通信方式。鉴于新一代卫星通信的优势，江西省洪水易发区构建了一套基于水利部新一代的宽带卫星通信主站平台的通信系统[2]。

1 卫星通信主站平台

水利部新一代的宽带卫星通信主站平台支持灵活的网络拓扑结构系统[3]，基于标准的 IP 协议平台，实现 IP 技术与卫星通信技术的深层融合[4]。与传统的支持 IP 协议的卫星系统相比，实现了速率的优化；在抗雨衰方面采取 22.2 MHz Ku 波段和5 MHz C 波段相结合，共同组网构建 DVB-S2 网络，采用 Ku 和 C 射频单元及天线同时上传。卫星通信系统组网如图 1 所示，主站、分中心小站、便携式小站等均通过卫星进行连接和通信。

卫星主站网络模块如图 2 所示，网络拓扑结构采用星型结构，通过卫星链路向各类小站提供广播、水文专网和公网等数据的访问发布服务。卫星通信系统按照功能主要分为遥测站、中心站及卫星小站 3 类，由于功能定位不同，3 种小站的主要配置也不同。

图1 系统组网示意图

图2 卫星主站网络结构示意图

2 遥测站

江西省水文监测系统遥测站采用太阳能能源模式，根据对不同通信方式的遥测水位站、雨量站供电系统的估算，本系统水位站将配置 65 A•h/12 V 容量的蓄电池和功率 40 W 的太阳能板及充电控制器；雨量站将配置 38 A•h /12 V 容量的蓄电池和功率为30 W 的太阳能板及充电控制器。构建基于卫星通信的雨量遥测通信传输站点，采用基于卫星 + GPRS的混合通信模式，在站内设置相关管理局域系统，对采集的相关数据进行处理后，根据当时通信的实时环境选择采用卫星模式还是 GPRS 模式进行数据的实时传输；根据各水位和雨量站点水情信息传输的距离、路由、自然地理条件、起止地点的通信条件，按基本要求选择相适应的通信方式[5]。遥测站示意图如图 3 所示。

图3 遥测站示意图

水情自动测报系统常用的数据传输通信方式有卫星，超短波，PSTN，GSM，GPRS 等方式，通信方式的分析及比较如下：

1）卫星通信。卫星通信具有覆盖面积大、组网灵活、可靠性高、维护简单、建设周期短等优点；但卫星通信终端设备价格较高，系统运行费用相对于超短波和公用通信网而言较高，因而受到投资额度的限制。

2）超短波通信（VHF）。超短波通信是水文自动测报系统应用最广泛、成功的一种通信方式。它的传输质量介于短波和微波通讯之间，既克服了微波通信的局限性，又比短波通信的质量稳定、可靠；缺点是通信距离较近，受地形影响较大，遇高山或其他障碍物阻挡，通信困难易中断。

3）公共交换电话网（PSTN）。PSTN 具有适用范围广，传输速率高，没有无线通信中常有的同频干扰问题等优点，且采用 PSTN 组网无论是设备造价还是运行经费都明显低于其它无线信道组建的专网。

由于 PSTN 通信采用电路交换方式，在建立通信连接过程中需花费一定的时间。在电路的响应速度上，若采用专用的调制解调器，一般 1 个报汛站的数据通信在 3～6 s 内即可完成；若采用通用的调制解调器，通信链路的建立大约需要 40 s。当所建系统容量较大时，时效慢的问题较为突出，可通过在数据接收中心站安装多条同号电话线和配置专用 Modem 予以解决。PSTN 属有线通信信道，由电话线构成的引雷，极易造成设备因雷击而毁坏，因此在建设防雷地网的同时需配置相应的避雷设备。

由图5的仿真结果可以看出，改进后的子空间跟踪算法比PASTd算法引起的信号子空间估计误差要小，在信噪比小于8 dB时，该误差幅度较为明显。同样的，由图6的仿真结果可以看出，改进后的子空间跟踪算法比PASTd算法引起的噪声子空间估计误差要小，在信噪比小于8 dB时，该误差幅度较为明显。

4）GSM 短消息。GSM 无线数据传输技术是数据和移动 2 种通信技术的有机结合，GSM 无线数据业务使得人们不受空间、地域的限制，可随时随地获取所需信息。在我国已经建成覆盖全国的 GSM数字蜂窝移动通信网，并提供话音、短信和数据业务。随着 GSM 通讯协议专用模块的推出，GSM 的各项业务已不仅仅应用于手机通信领域，也应用于其它领域的通信需求。专用模块具有易于开发的通讯接口和协议，这为短消息业务应用于水情测报系统的开发工作创造了很好的条件。虽然短消息业务（SMS）一次最多只能传输 140 个字节信息，但用于水情数据的实时传输完全可以满足要求。

5）GPRS。GPRS 是在现有 GSM 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。GPRS 采用与 GSM 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则及 TDMA 帧结构，这种新的分组数据信道与当前电路交换的话音业务信道极其相似。GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的、频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，可为水情数据的传输提供更为可靠和快速的通信网络。目前 GPRS 可按流量或运营商提供的套餐标准进行计费。

由于洪水易发区常伴随发生地质灾害，PSTN 通信方式在洪水期可能失效，因此本项目采用无线通信方式，以 GSM/GPRS 信道作为水情遥测主信道，目前改建的 61 处水文、水位站及 7 个分中心站采用水利部新一代的宽带卫星通信主站平台作为备用信道，在 GSM/GPRS 地面设施设备受到意外灾害和损毁时，采用卫星通信系统保障防汛水文测报数据的实时通信传输。

3 中心站

中心站为水情（分）中心的计算机网络，提供网络设备、供电设备、防雷设施及配套土建，可直接利用现有资源。根据水雨情信息的传输方式和充分利用现有资源不重复建设的原则，确定在水情分中心配备接收设备，各个分中心、省中心均配备接收处理计算机；省中心配置图形工作站、数据库与信息发布服务器；中心站均配置有 UPS 电源，不再为卫星接收设备配置蓄电池，只需配置 AC220－DC24 交流稳压电源即可；中心站通信值守软件可以通过 RJ45 口以 TCP/IP 或 UDP 方式接收卫星数据，因此不再配置串口转换器。中心站架构示意图如图 4所示。

图4 中心站架构示意图

4 卫星小站

水利部新一代通信系统中，Ku 波段使用 1.2 m天线，C 波段需使用 2.4 m 天线，C 波段卫星小站及配套设备比 Ku 波段的贵 50% 左右，因此选择 Ku 波段小站可降低系统造价，减少工程量，降低系统维护难度。

水利部 idirect 卫星现有测试环境均基于 Ku 波段，经测试基本满足遥测系统使用要求，而 C 波段通信情况则没有一手数据。

Ku 波段雨衰问题，可以通过暴雨间隙或雨后及时补报来弥补。特殊情况下，还可以通过卫星 IP 电话进行人工报汛。

4.1 卫星小站基本功能

选择的卫星小站及配套设备应具备数传、上网、通话功能；如个别站点需要增加电视功能，则应配置卫星电视接收机 1 套，但只能接收亚洲 5 号卫星上的节目（只有少数高清台，且有的为加密节目，国内节目基本没有）。

4.2 卫星小站安装要求

卫星小站要求严格按照相关规定进行安装，安装模式如图 5 所示（图中尺寸单位为 mm），具体安装要求如下：

图5 卫星小站地基平面安装示意图

1）5 m×5 m 范围内无障碍物，正南、东西 45°，仰角 ≥10º 范围内无遮挡；

2）需 4 个 500 mm×500 mm×300 mm 水泥墩和钢架。

5 结语

据分析，卫星通信网络规模越大，使用效果越好，效益就越明显[6]。根据江西省水文监测系统建设工作的实践，卫星通信主要具有以下优势：

1）应急抢险机动通信。在水利应急机动通信系统建设中，可充分利用水利卫星通信网建设应急移动指挥车，并适量配备便携卫星通信设备。

2）“两小”通信预警。地处偏远的中小河流、水库治理工作，可因地制宜采用水利卫星通信进行通信预警和信息测报系统建设。

3）水雨情信息采集。地处偏僻的水雨情监测站，可利用水利卫星通信进行报汛，同时，水利卫星通信也是水文测站信息传输合适的备用通道，特别是遇特大暴雨洪水，公用通信网络遭损毁导致通信中断时，可采用卫星信道及时将水情信息发送至水情中心，并可通过卫星电话与各级防汛指挥部门联系。

4）数据、图像广播。充分利用卫星通信广播功能的优势，推动水雨情数据分发、浏览和接入，远程教育及电视会议广播等业务。

5）异地会商和视频监控。可利用水利卫星通信，适当发展偏远地区水利单位的异地视频会商和重要防洪地点视频监控系统。

目前水利卫星通信系统中 GPS 与北斗卫星还没有实现双模双工的工作模式，现有卫星通信与原有测报系统还没有完美的结合；下一步应致力于构建一套融合原有测报、卫星通信、GPS、北斗卫星的系统平台，进一步扩大视频监控的功能、范围和作用。

[1]张建刚，祝明. 水利卫星通信对星指向数据计算及应用[J]. 水利信息化，2013 (3): 34-37.

[2]陈福春，周俊峰，欧阳任娉. 江西省水文基础设施建设“十二五”规划[J]. 江西水利科技，2011 (6): 24-25.

[3]陈福春，邓凌毅， 周俊锋.《江西河湖大典》评析[J]. 江西水利科技，2011 (12): 13-16.

[4]陈福春，张颖. 江西水文站网现状与发展分析[J]. 江西水利科技，2011 (6): 3-8.

[5]关兴中，陈福春，罗嗣林. 江西省水情中心建设设计[J].水资源研究，2005 (3): 21-22.

[6]丁军，高广利，张为. 水利卫星通信系统存在问题域需求[J]. 卫星与网络，2010 (1): 12-14.