水利卫星通信在水文遥测领域的运用分析

李柏夙

（天津农学院，天津 300380）

虽然21世纪以来，我国互联网技术有很大的进步，并且和社会各个行业相融合，但不可否认的是，在一些偏僻地区公网覆盖率提升缓慢，水文数据通信是极为薄弱的一环，很难为防汛减灾工作开展提供可靠的数据支持。将卫星通信技术用在水文遥测领域，能显著拓展水文信息的收集范畴，在有效控制水文通信平台实际建造成本的基础上，显著提升了水文遥测工作效率以及相应地区水文数据资源的利用效率。

1 卫星通信系统的构成

1.1 空间卫星

该部分主要由2～3颗地球同步卫星构成，职责主要是体现在结合用户终端设备和地面发射站方面上，进而顺畅、精准地传输两者之间的无线电信号，确保两者关系的规范性。为卫星统一装设变频转发仪、波束天线等设施，在卫星通信实践中波束天线发挥着巨大作用。

1.2 主站平台

水利设计研发的新一代宽带卫星通信主站平台对网络拓扑系统的使用工程起到良好的支撑作用，以标准化的IP协议平台为基础促进IP技术和卫星通信两者的深度融合。与常规支持IP协议的卫星系统比较明显优化了运行速率；在抗雨衰方面运用22.2 MHz Ku、5 MHz C两个不同波段，构建了DVB-S2网络，在Ku与C射频单元及天线设施的协助下实现了相关数据同时上传。卫星通信系统组网见图1，主站、分中心级便携式小站等都以卫星为载体实现互相连接与通信[1]。

图1 系统组网图示

1.3 用户终端

在宏观层面上，可以把用户终端细分成指挥型和普通型两大类型。民用客户终端主要由操控单元、卫星收发主机、通信协议及卫星全向收发天线四大部分构成。功能主要集中在通信协议体系和用户终端之间的上下行数据方面；具有通用型的RS232C数据接口；处置用户业务，传送其请求，接收用户上传的信息。

1.4 地面站

从本质上分析，地面站属于一个中转站，用于执行不同终端设备之间的通信任务，具体工作内容有传输卫星之间的数据，对用户业务请求及时做出应答，处置用户定位数据及交互通信数据等，也能将全部交换所得的通信内容分发给用户。另外，还具有用户的注册、管理等使用功能。

2 水文遥测领域水利卫星通信技术的应用策略

2.1 创建水文数据传输通道

基于卫星网管、通信模式构造相对较完整的水文数据传输通道。在遥测系统采集水文数据后该通道能实现对数据自动化备份，使各项水文智能测报终端、卫星小站下载相应数据，在此基础上构建水情数据运用、接收、监测等诸多数据库，建立能够动态实时监测偏远区域水文数据的管控中心。在传送水情信息环节中，于卫星数据接收端口执行水情数据库的解压、分析处理等操作，以TCP/IP、ARP、SMTP等通信协议作为载体，和公网之间建造密切、可靠的连接关系，并且完整地把水文信息传送到地面水文遥测中心，这样有关工作人员就会以此为据执行相应的紧急任务[2]。

2.2 搭建遥测信息资源库

收集水文数据是水利卫星通信的核心功能。在水情遥测工作具体实施时，在网状混合组网结构的强劲支持下，该系统能全面搜集水情信息，并按照一定规则对其进行分类处理，并且“星形+网状”混合式组网结构系统还具备了传输遥测应急视频、图像信息的功能。采集传输遥测数据的流程如下。

首先，在卫星小站内智能传感器的协助下，实时捕获水位模拟量、降雨量等信息，交将采集数据整体传输至水文遥测仪，遥测仪完成水位信号转换、解码，将其转成标准化数据格式加以存储。其次，系统自设数据传送门限，遥测仪分析完水文数据后，自行启用卫星小站电源，客观测评站中数据的当前状态。如果经反复评估后确认卫星站符合图像、视频信息设计的传送要求，则可以基于卫星通信链路呼叫地上遥测中心站，与其共同搭建水文信息通信通道，并将整个数据包传送到中心站遥测终端，中心站完整接收水文信息后就可以拆除链路[3]。最后，针对遥测中心站远距离收集到的水文数据，将其统一存储到系统内相关数据库中，并且依照偏僻地区水文遥测现实工作要求，适时调取相关数据资源。以往有地区采用卫星通信技术，鉴于所有遥测点处在偏僻区域的状况，故而在整体测试检验后搭建了北斗卫星通信系统，把地面中心站设定成水文遥测的主要通信渠道。

2.3 归纳遥测工作现实需求

首先，运用卫星通信系统能辅助提升水情信息通信网的覆盖率，大范围采集、传输水文数据、图像、视频等不同类型的资源，降低雨衰对常规水文信息通信产生的负面影响，进而应用C、Ku波段网络结构，扩充通信链路容量。在部分水文遥测场景中能主动重发信息，自主适应自编码信道传送信息的规律。其次，该系统使用功能呈多元化特征，能使传统水情遥测实践中很多现实问题迎刃而解。例如，卫星通信系统能自主采集各类数据，并且在和终端网络设备之间构建互联关系后，持续调控网络64～4 Mbps范围带宽，建造标准的卫星小站，显著提升偏僻区域水文信息传输效率与安全性[4]。

2.4 建设防汛通信机制

通信系统在精准处置水文视频、图像信息的基础上，为部分偏僻区域建设运行可靠的水文报汛传送通道，加强和遥测中心、报讯站点之间的关联性，最大限度地增强卫星通信系统的自我维护能力，使各级报汛工作站和卫星系统能顺利进行VoIP电话、视频资源互动互通，进一步强化相应地区不同水情遥测点工作业务之间的关联性，借此方式使区域水文防汛安全性得到保障，不断提升水库资源调取、水文信息的监测力度[5]。

地形、气候条件等客观因素对水利通信系统产生的影响较小，数据通信信道运行状态相对平稳可靠，可以尝试在地理位置偏远、范围广阔、公网覆盖偏差大的区域建设运行状态稳定可靠的水文报讯测站。在卫星系统运作期间，相关人员在执行水文遥测任务时，能够显著增强遥测通信站信息安全保障、运维能力，自动解决雨水、水情信息测报等相关问题，实现对部分河段、湖泊、水库水情的远程精准化监测。

3 典型案例

据统计，当前国内水利系统已经建成600多座卫星通信地面站，80%左右被建造在地理方位较偏远、公网通信覆盖偏低的区域，利用它们可较好地满足水文站报汛、水情遥测信息搜集、语音通信、互联网络接入等现实需求。七大流域在一些省、市已经建设了规模较大的卫星数据采集站，通过搭建地面站的形式显著提升了相应区域的防汛通信水平与保障能力。

官厅山峡地区的特点是和北京城区相距较近、山洪形成快速、水量庞大、危害性高等，长期以来被水利部设定为全国防汛的重点对象，也被作为北京市防汛工作推进过程中的一个最重要地区。为确保实际调度工作的科学化、防汛减灾执行过程的高效化，北京市防讯部门应及时、全面掌握官厅水库上游山西、桑干河流域以及山峡地区40余个遥测站点的实时降雨量，进而为水文调度以及防汛管理决策工作推进提供可靠的数据支持[6]。

分中心站内不仅配置了主中心站设备，还加装了传感器、水情遥测仪等遥测类装置，兼具遥测报送功能。考虑到容灾特性，分中心数据与中心数据两者进行互为备份操作，并且基于卫星网络完整传输相关信息。采集、报送与处置水文数据是该系统的核心，数据基本的传输流程构成如下[7]。

（1）采集。传感器负责把实时雨量及水位信号（均是模拟量）完整地传输至水文遥测仪，遥测仪自主完成信号的模数转换过程，并将其处理成符合既有水文遥测格式的数据包进行存储。

（2）报送。在确认抵达设计好的传输门限时，遥测仪启动卫星站电源（长开站无须运用控制电源），并且要实时检测当前卫星站的运作状态。如果卫星站自身具备充分的传输条件，以卫星链路作为媒介呼叫中心站，和中心站卫星装置、水文前置机共同搭建数据通道。封装处理数据包使其成为适用于卫星链路传输的IP数据包，随后将其安全地传输到中心站。在确定中心站接收到有关数据以后，拆除前期建成的链路，闭合设备电源。

（3）处置。远端数据被传送到水文前置机内以后，按照现行规程对数据进行解包处理并将其安全地存储于相应数据库内，运用专用的水文软件调用中心站具备的各项使用功能。

本系统早在2012年3月就开始投资建设，6月正式投入使用，经严格观测后，现其运行状态平稳、可靠，雨水水情数据到达率高于98.0%。尤其是于“2012.7.21”特大暴雨自然灾害中，本系统在运作过程中充分地显示了卫星专网通信的优越性，规避了特大自然灾害导致的局部公网“瘫痪”引起的数据传输过程中断问题，遥测站信息实现了整体安全抵达，帮助防汛决策部门快捷、精准、完整且扎实地掌握山峡地区雨水水情信息。

通过统计分析“2012.7.21”特大暴雨灾害中的雨量数据发现，处在暴雨中心位置的数据信息都实现了精准抵达，客观呈现了降雨过程中本地区的雨量改变情况，为相关部门开展防汛抢险工作提供了较可靠的数据支持，这也证实卫星数据采集网能很好应对特大型灾害带来的挑战，其成功运作的经验主要体现在如下几方面[8]：一是各类设备设施组装及施工工艺均实现了规范化；二是具备功能完善化的电源防护体系，包括稳压、接地以及避雷等手段；三是各座工作站均安装了太阳能与蓄电池，提升卫星通信的环保性；四是委托具有一定资质的专业队伍定期对系统进行检修、维护。

4 结束语

基于水利卫星通信平台建造水文遥测系统能提升带宽、强化抗摧毁能力，并且建站过程相对简单，能对外提供全面的服务。结合遥测系统的实际应用情况不难看出，如果系统规划设计科学、日常管理工作覆盖到位、运营维护规范化，必将会使卫星水文遥测系统在应用过程中表现出更大的效能，创造出更多效益。■