基于北斗卫星的自动气象站数据通信系统

周 勇

（中国气象局发展研究中心，北京　100081）

1　引言

观测数据是气象预报和服务的基础。除观测设备自身性能外，站网布局对于预报和服务质量也有重要影响。实际工作中，气象观测站往往会受到环境条件限制，难以布设到预报服务所需的最佳位置，从而影响预报准确率或服务效果。通信条件是其中最重要的制约因素之一。在电信基础设施较差的山区、沙漠、海岛等处，问题尤为突出。目前，卫星通信是国内外解决边远、偏僻地区气象通信问题的主流方式，如：美国GOES卫星的数据收集系统（DCS）[1]、日本葵花卫星（Himawari）的数据收集平台（DCP）[2]、印度INSAT卫星的数据中继转发器系统（DRT）[3]、中国北斗卫星导航系统的短报文通信平台[4]等。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有快速定位、短报文通信和精密授时三大功能，广泛应用于交通、海洋、气象、水利和测绘等领域。应用北斗卫星承载气象数据通信业务已有多个成功案例，在站网结构、数据流程、编报格式、压缩编码、控制方式等方面也有了一定的经验积累[5-10]。

对于山区、沙漠、海岛等处的无人值守自动气象站，由于其环境条件特殊，采用北斗卫星通信时，需要在供电、编码、监控等方面进行特殊设计。依托国家高技术产业发展计划项目“基于北斗的气象监测应用示范工程”，设计的无人值守自动气象站北斗通信技术方案，已经在西藏珠峰、内蒙古朱日和、南沙群岛等地得到实施，数据传输完整率、正确率和传输时效均能满足业务需求。该方案解决的若干关键技术问题，也可以应用于海洋、水文、地震监测等更多领域。

2　系统总体结构

基于北斗的气象监测应用示范系统主要由远端站分系统和主站分系统两部分组成（图1）：

（1）远端站分系统，可分为采用固定式北斗通信终端（固定终端）的自动气象站和手持型北斗用户终端（手持终端）两种，将自动气象站观测数据/手持终端所采集的数据以及定位信息、通信信息和报警信息等通过北斗卫星上传；同时接收上级监管部门的数据和指令。

图1　“基于北斗的气象监测应用示范工程”系统总体结构图

（2）主站分系统，包括北斗卫星定位总站、中国卫星北斗综合信息服务平台和国家气象信息中心国内通信系统北斗数据接收系统。中国卫星北斗综合信息服务平台既可以通过北斗指挥型集团用户机直接接收远端站气象观测数据，也可以通过地面专线或互联网从北斗卫星定位总站获取原始报文，经数据解码、解压缩、报文合并后，按照中国气象局相关业务规范，生成标准的自动气象站数据文件，再通过地面专线（并以互联网作为备份通信方式）传送到国家气象信息中心国内通信系统北斗数据接收系统。

3　远端站数据流程

北斗卫星系统对短报文通信的报文长度和发报频次都有所限制，用于传输自动气象站数据时，一般需要先进行数据压缩、数据文件分包等技术处理，才能进行传输。远端站数据流程如图2所示。在自动气象站内部，气象传感器模拟信号经过模数转换（A/D转换）和加工处理，转换成数字信息，经数据压缩和数据拆分打包后，生成符合北斗卫星通信系统格式的报文，然后自动生成相应的控制指令（如：与主站的握手信息、数据发送控制指令等），通过RS-232接口发送给北斗卫星通信终端发送到主站；北斗通信终端接收主站发回的应答信息，并根据接收状态和信息内容，判定启动（或继续）数据传输，或是进入异常处理。

图2　远端站数据流程

北斗短报文通信采用串口非同步传送方式，传输速率4800～115200b/s，默认值为115200b/s，并可根据用户需求设置其他速率[11]。民用通信终端有机卡分离、机卡一体两种类型。通信报文长度和最小发报间隔由授权卡类型决定。常用民用非加密用户卡，每条短报文信息最大容量为44个汉字或157 个十六进制数，连续两份短报文的最短发送时间间隔是1分钟[12]。

数据压缩可分为有损压缩和无损压缩两类[13]。根据业务应用需求，自动气象站观测数据必须采用无损压缩。常用无损压缩技术有霍夫曼（Huffman）编码、算数编码、游程编码（RLE）、字典编码等。出于编码效率和稳定性方面的考虑，“基于北斗的气象监测应用示范工程”采用了定长字典编码方式，压缩字典如表1所示。

表1　基于北斗卫星的无人值守自动气象站数据压缩字典

该压缩算法利用了自动气象站观测数据有效字符数量有限的特点，利用数据压缩字典，把8bit 的ASCII码字符转换成为4bit编码，再将两个4bit 编码合成为一个8bit编码（即1Byte）。

数据压缩率=压缩后数据量/压缩前数据量×100%=压缩后单个字符占用字节数/压缩前单个字符占用字节数×100%=4/8×100%=50%。

该方式易实现、效率高、无误码扩散效应，且压缩后文件长度固定，便于后续处理。

4　太阳能供电子系统

建在山区、沙漠、海岛等处的无人值守自动气象站，常常难以从公共电力网络获得稳定可靠的电力供应，需要配套建设独立的自主供电系统。在阳光充足、较少遮挡的地方，一般以太阳能供电方式为首选。

4.1　系统结构

太阳能供电系统主要由太阳能电池板、蓄电池和充放电控制器等组成[14]，如图3所示。北斗通信终端可以和自动气象站共用一套太阳能供电系统，也可以分开设计。前者结构简单，部件和故障点比后者少，因此被“基于北斗的气象监测应用示范工程”所采用。

太阳能电池板的作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。蓄电池用于在夜间、持续阴雨天气等无日照或日照不足时段内，为负载提供电力供应。太阳能充放电控制器用于控制太阳能电池板对蓄电池充电，并监控负载的用电参数，具备稳压和限流功能，为自动气象站和北斗通信终端提供稳定可靠的电力供应。

图3　太阳能供电系统结构示意图

4.2　关键参数计算

4.2.1总耗电量

通常，北斗通信终端的功耗远高于自动气象站。以CAWS600六要素自动气象站为例，输入电压6V，工作电流32mA，工作功率约0.2W。而北斗通信终端的待机功率约4W，最大发射功率40W（低功耗型号）或100W以上（普通型号）。因此，决定太阳能电池板和蓄电池设计容量的主要是北斗通信终端。

以采用低功耗型北斗通信终端和CAWS600六要素自动气象站的无人值守自动气象站为例，按每5分钟传输1次数据，每次分2个数据包发送，每包数据发送时发射脉冲宽度为0.2秒计算，全天总耗电量估算方法为：

式中，Wd为全天总耗电量，以瓦时（Wh）为单位；P1为北斗通信终端待机功率；P2为自动气象站工作功率；P3为北斗通信终端发射功率；n为每小时上传数据的次数（n=60/5=12次/小时）；m为每次发送数据包个数（取m=2）；tp为发射脉冲宽度（tp=0.2秒）。计算可得全天总耗电量为102.08Wh，实际工作中，可以按照每日100Wh进行工程设计使用。

4.2.2蓄电池容量计算

按8天无充电状态下能保持正常运行计算，8天总耗电量≈100×8=800（Wh）。考虑长时间频繁充放电和低温对蓄电池放电性能的影响，取修正系数1.5（在北方高寒地区，因电池效率降低，应选择更高修正系数），使用12V电压蓄电池时，蓄电池总容量=800×1.5/12=100（Ah），即适合需选用12V 100Ah的蓄电池。

4.2.3太阳能电池板容量计算

影响太阳能电池板对蓄电池充电效率的因素较多，如：蓄电池组充电效率、日照强度、太阳能电池板安装方位和角度、表面尘污遮蔽或老化情况、太阳电池板组合损耗、控制器的转换效率等。理论计算比较繁琐，而且部分参数难于精准获取，所以在实际工作中，可以采用经验值进行估算，方法如下：

首先，通过查阅气候资料，获得建站地点在日照时数最少的月份内，每日平均的日照时间，并将此作为单日最短有效充电时间；然后，根据耗电量需求（参照上文计算值）及太阳能电池板充电效率（一般采用工业估值），计算出太阳能电池板容量需求；最后，根据市场常见产品的规格进行太阳能电池板选型（除非有特殊情况，应尽量采用工业化批量产品，以便于后期运维）。以某地为例，经查阅气候资料，可知该地在日照时数最少的月份内，每日平均的日照时间为3小时，以此作为正常日照条件下一天的最短有效充电时间，按全天总耗电量100Wh，每小时实际充电量为标称值的40%计算，若要实现单日充满电的能力，所需太阳能电池板容量=100/3/40%≈83（W）。参考市场产品规格，实际工作中，可以选择80W太阳能电池板。

5　海岛站特殊处理

海岛自动气象站是一种野外型、无市电、无人坚守的全自动气象站，系统要求具有很好稳定性、可靠性、兼容性和一致性，能够工作在高温、高湿、高腐蚀及高盐雾的恶劣环境中，并满足全自动无人值守运行的各项功能和性能要求。

与内陆自动气象站相比，建设基于北斗卫星通信的海岛型自动气象站，要进行几项特殊处理：一是按国家三防级别——IP65级，对所有元器件进行了三防处理，以提高系统的可靠性高，有效地延长设备的使用寿命，保证长期在海岛恶劣环境下连续稳定工作；二是采用低功耗设备，并采用双路太阳能供电，以提供稳定、可靠的电力供应；三是关键部件采用适度冗余设计，如：采用双温度传感器冗余配置，并可自动或远程遥控切换，以保证系统安全稳定长期工作；四是加强监控模块软硬件功能，使其能够发现和分析各类深层次问题，并实现远程监控和一般性故障的远程遥控处理；五是提高设计技术指标，如：器件和整系统工作温度范围-40℃至+60℃、抗阵风能力100m/s、平均无故障时间大于5，000小时等。

图4　基于北斗卫星的无人值守海岛自动气象站设备连接图

6　结束语

北斗卫星通信为解决山区、沙漠、海岛等特殊地点气象观测数据的传输问题提供了一套可行方案。国家高技术产业发展计划项目“基于北斗的气象监测应用示范工程”的顺利实施，为后期在气象观测领域推广使用北斗通信技术积累了技术和工程经验，起到了很好的示范作用。

本文所述技术方案已经投入实际应用，能够满足业务需求，达到了预期效果，但也存在一些不足之处。一是数据压缩编码的可扩展性差，虽能满足当前业务应用需求，但如果今后观测数据字符集扩充，就必须进行改进，采用更加灵活的数据压缩方式[15]。二是为了减少传输数据量，对于自动气象站报文中的区站号、经纬度、海拔高度等固定值，不进行传输，而是通过中国卫星北斗用户服务平台的系统配置参数表，建立北斗通信终端号与自动气象站参数间的对应关系，由用户服务平台完成重新编报工作，因此，如果更换某站点的北斗通信终端，就必须修改用户服务平台系统配置参数表。随着北斗通信能力的增强，上述问题也将得到改善。■

[1]GOES DCS System Capacity.[2018-01-22].http：//www.noaasis.noaa.gov/DCS/docs/System_Capacity.docx.

[2]Key technical speci fi cations of DCPs for Himawari-DCS.[2018-01-22].http：//www.jma.go.jp/jma/jma-eng/satellite/nmhs/dcp89.html.

[3]INSAT-3D，Advanced Weather Satellite，Completes Two Years in the Orbit.[2018-01-23].http：//www.isro.gov.in/insat-3d/insat-3d-advanced-weathersatellite-completes-two-years-orbit.

[4]北斗系统增强系统.[2018-01-28].http：//www.beidou.gov.cn/xt/zqxt/.

[5]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（01）：26-28+31.

[6]张勇，陈苏婷，张燕.基于北斗卫星的自动气象站数据传输管理系统[J].电子技术应用，2014，40（05）：21-23.

[7]贾胜辉.北斗卫星在气象数据传输方面的应用[A].中国科学技术协会学会、福建省人民政府编.见：经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会（第二卷），2010：6.

[8]姚作新.基于北斗卫星短信通信方式的无人值守自动气象站网[J].气象科技，2012，40（03）：340-344.

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[10]孔卫奇，杨志勇，马尚昌.基于北斗通信系统气象水文漂流浮标设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（19）：160-163.

[11]北斗一号用户机数据接口要求（2.1版）.2018-01-18].https：//wenku.baidu.com/view/8f24f83f04a1b0717ed5dd8f.html.

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