基于北斗的气象自动观测系统数据编码设计

聂林波

(南海舰队海洋水文气象中心，广东 湛江 524001)

基于北斗的气象自动观测系统数据编码设计

聂林波

(南海舰队海洋水文气象中心，广东 湛江 524001)

针对气象自动观测网数据传输需要，提出了基于北斗卫星导航系统的气象自动观测数据编码设计方案。该方案采用北斗短报文通信功能传输帧数据，从而实现自动观测数据的传输。采用该方案使得指挥终端能实时接收自动站发送的观测数据。采用北斗卫星导航系统能实现观测站点的快速部署和观测数据的高效获取。

北斗卫星导航系统；气象自动观测；数据传输；编码

1 系统基本原理

北斗卫星导航系统具有双向短报文通信功能，最多一次可传输120个汉字，可以实现用户与用户、用户与地面控制中心之间通信[1]。基于北斗的气象自动观测系统利用了我国自主研发的北斗卫星导航系统，可以提供定位和短报文通信功能，实现气象观测系统监测数据传输。系统能在更广阔的地域进行环境监测，同时降低了观测站建设和维护成本，系统本身也更加稳定可靠。

2 数据传输原理

观测站在工作时将监测数据按照协议进行编码，再通过北斗通信模块将编码的数据发送到观测站监管中心指挥型北斗终端上，终端按照协议进行解码，还原监测数据。

观测站工作状态时监听北斗导航卫星传输的信息，按照协议解码获取指令，根据指令对相应的数据按协议编码，再通过北斗通信模块传输编码数据。观测站可将自身状态信息按照协议编码后经北斗通信模块发送给监管中心。监管中心指挥型北斗终端接收观测站经北斗导航卫星传输的数据，按照协议解码数据，提取观测站状态信息。整个系统的控制流程如图1所示。

图1 基于北斗导航系统的观测站数据传输流程

3 传输编码设计

环境监测系统由一个指挥终端和多个观测站通过北斗导航卫星系统互连而成。系统的每个终端按统一的数据格式编码数据并通过北斗卫星传输至指挥终端。一套功能完善的传输编码格式能确保系统可靠地实现数据传输功能。由于北斗采用短报文通信，因此用帧结构作为发送信息的最小单元[2]。

3.1 帧结构

一个帧包含站号、时间戳、总帧数、帧序号、本帧长度、数据段、奇偶校验码，如图2所示。

图2 帧格式

站号使用2 B，系统可容纳216-1个站点，使用FFFF向全部站点广播。时间戳使用12 B，记录数据的年、月、日、时、分、秒信息。当数据被拆分成多帧传输时，根据时间戳判断帧是否为同一数据的一部分。总帧数使用1 B，数据最多可拆分为28-1帧。本帧序号使用1 B。本帧长度使用1 B，其值为站号+时间戳+总帧数+本帧序号+本帧长度+数据段+奇偶校验码的总字节数。数据段最大可用220 B。奇偶校验码使用1 B，用于判断收到的数据是否有误。

3.2 指令和数据

数据段记录指令和数据。指令和记录通过第一个字节区分，00为指令，FF为数据。指令使用编码表示，定位、授时等指令都采用唯一编码。数据使用压缩编码，尽量减小数据长度。例如，对于浮点数，先乘一个10n(n≥10)转化为整数，减少数据所占字节。

3.3 出错处理

在收到一帧数据后，进行奇偶校验，发现错误，就发送反馈信息告知对方重发该数据帧，直至收到无错的数据。

图3 传输流程

3.4 传输流程

指挥中心与观测站之间数据与指令传输流程如图3所示。

3.5 延迟处理

北斗导航系统对每个用户终端的服务频度是有具体规定的。服务频度越高，数据传输越快。当传输的数据被分为多帧时，各帧发送的时间间隔是不同的，这就需要制定信息延迟处理机制，解决信息传输时间延迟数据的问题。缓冲区是解决这个问题的方法之一。指挥中心收到一帧数据时，存入缓冲区，当数据帧全部接收到后再将数据整合为完整的信息。

4 通信方式的选择

北斗卫星系统的基本通信功能是点对点双向数据传输，主要方式是数据报告，传输形式是数据包。主要工作方式是测站终端向北斗卫星发送信号，经北斗卫星转发，由地面中心站接收处理后，再送至北斗卫星，北斗卫星接收后将其转发送到指挥终端或者测站终端，点对点通信即顺利完成。此外，还有建立群广播通信。即在某个用户群中，将主站的终端设备号码写入其他终端设备的映像地址中，当此主站发送数据时，群中所有测站都能收到此信息。将此功能作为系统的广播回执，能有效减少中心站的发送次数，提高系统运行的通畅度，实现高效的信息群发功能。当要单独与某个观测站通信时，使用点对点方式；而当要与多个观测站通信时，使用广播方式。

5 结论

基于北斗的气象自动观测系统数据编码设计方案充分利用了北斗短报文通信功能，通过对数据按帧进行编码，实现了自动观测数据的有效传输。采用该方案使得指挥终端能实时接收自动站发送的观测数据。采用北斗卫星导航系统能实现观测站点的快速部署和观测数据的高效获取。一套完善的编码格式可使指挥终端迅速确定观测站位置信息，又可传递各种控制指令和观测站测量数据以及观测站自身状态数据，增强指挥终端对观测站的监管能力。

[1] 江彩英,黄永玉,谢丹,等.北斗卫星应急通信传输试点建设[J].气象科技,2013,41(5):857-860.

[2] 成方林,张翼飞,刘佳佳. 基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议[J]. 海洋技术. 2008，27(1)：26-28，31.

Design of meteorological observation system based on the Beidou satellite navigation system

Nie Linbo

(The Ocean Meteorological and Hydrological Center of South China Sea Fleet，Zhanjiang 524001, China)

Aiming at the transmission of automatic meteorological observation data, the coding scheme which based on the Beidou satellite navigation system was proposed. The system transmits observation data using the function of short message. The system can receive real time observation data. With the Beidou satellite navigation system, the goal of rapid development of observation station and efficient acquisition of observation data can be achieved.

Beidou satellite navigation system;meteorological observation;data transmission;coding

TP391.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.005

聂林波.基于北斗的气象自动观测系统数据编码设计[J].微型机与应用，2017,36(8)：15-15，18.

2016-10-19)

聂林波(1978-)，男，研究生，高级工程师，主要研究方向：计算机应用技术。

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