北斗短报文技术在大坝安全监测领域的研究与应用

柳 翔，韩荣荣，刘雨佳

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122）

1 北斗短报文导航系统通信原理

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗卫星导航系统除了提供常规的定位、导航及授时功能外，还提供了短报文通讯的功能。北斗卫星的短报文通讯功能主要依靠北斗卫星中的地球同步轨道卫星（GEO卫星）完成，其中北斗二代包括5颗GEO卫星，北斗三代包括3颗GEO卫星。两个北斗终端间利用北斗短报文通讯时，主要流程如下：

（1）首先，短报文发送终端对发送内容进行加密，然后将加密后内容与短报文接收终端ID一起发送至发送端上方的北斗GEO卫星。

（2）北斗GEO卫星在接收到发送端发来的信息后，会将信息转发至北斗地面中心站。北斗地面中心站接收到信息后，会根据接收端定时上报的信息，判断出应该转发的北斗GEO卫星，然后将信息转发至该北斗GEO卫星。

（3）进行转发的北斗GEO卫星会在下行信道中广播该信息，当短报文接收终端接收到包含自己ID的信息后，就会对该信息进行解密调制。至此两个北斗终端之间就完成了一次北斗短报文的通信。

北斗短报文的通讯模式除了上述点对点模式外，还有一种通播模式。通播模式下，可通过一个指挥机同时向多个普通终端发送短报文。通播模式的通信原理与点对点模式的通信原理类似，只是指挥机在发送信息时不再指定短报文接收终端ID，改为发送通播ID。所有受其管理的普通终端中都写有该指挥机的通播ID，当接收到含有该通播ID的广播信息时，就会对该信息进行解密调制，从而完成一次通播的通讯流程。北斗卫星导航系统短报文通信流程见图1。

图1 北斗卫星导航系统短报文通信流程Fig.1 Process of short message communication based on Bei⁃dou navigation satellite system

2 北斗卫星导航系研究内容

当前电力通信的远程传输主要有电力线载波通信、光纤通信、数字微波通信、特高频无线通信等。近年来暴雨、地震、洪水等异常工况时有发生，呈现发生频率高、造成危害大的态势，发生险情时常规的通信方式多难以保证通信的正常运行，无法及时掌握水电站大坝的运行情况。

针对上述问题，本研究设计了一种基于北斗短报文通信的水电站监测信息报送系统。该系统利用北斗卫星导航系统覆盖范围广、不受地面状况影响的特点，克服了应急工况下常规通信方式的短板，将北斗短报文终端的通信功能与水电站安全监测仪器及国家能源局大坝安全监察平台相结合，实时采集与发送数据以满足水电站实时监控的需要。即通过水电站现场的北斗高精度传感器实时采集水工建筑物的监测数据，通过北斗短报文通信发送到远程的大坝安全监察平台，根据已获得的数据进行分析，为掌握极端天气工况下的水电站大坝运行情况创造了可靠条件。

本系统主要由北斗高精度传感器、采集解算传输平台和监控中心平台组成，系统总体架构见图2。北斗高精度传感器指水电站现场北斗测站及基准站；采集解算平台由数据采集解算平台、信息管理系统和北斗短报文终端组成。北斗高精度传感器分散布置在水电站大坝的各水工建筑物上，采集解算平台用于采集并汇聚传感器回传的各种监测信息，并进行测点位移解算。信息管理系统负责对解算出来的数据进行压缩、打包和对北斗通信的协议转换，最后将所有数据通过北斗用户机发送给远端的监控中心，同时接收监控中心下发的指令，根据监控中心的指令进行数据的采集和发送等动作。

图2 水电站监测信息报送系统总体架构Fig.2 Structure of monitoring data report system

监控中心平台布置在国家能源局大坝安全监察中心，由北斗指挥机及大坝安全监察平台组成，其中北斗指挥机不但负责和数据采集单元的北斗终端机进行通信，还负责管理这些下属终端机。大坝安全监察平台中开发了专门的北斗数据通信模块，可以对北斗短报文数据进行解析、组包和解压缩，对还原后的数据进行存储并推送到前端的平台上显示。该系统实现了北斗实时监测信息不依赖于传统的通信模式，而是通过卫星网络通讯方式传输到大坝安全监察平台的功能。北斗卫星是实现地面监测传感器等安全监测设施与大坝安全监察平台间数据传输的通道，是连接水电站现场平台和大坝安全监察平台的桥梁。

为了适应水电站应急管理的需要，系统同步设计了监测数据实时采集功能。即用户通过监察平台下发采集指令，以北斗短报文的形式传输至数据采集解算平台上的秒级解算接口，采集解算平台将实时解算数据并通过北斗短报文即时回传至监察平台。该功能的实现满足了大坝中心在应急工况下实时采集监测数据进行研判的需要。

3 试点实施情况

北斗短报文报送系统的开发和实施共计历时3个月。2020年6月中旬在龙滩现场开展了短报文终端机及配套服务器的安装工作，同时完成了电站现场软件调试工作，电站现场的终端机仪器利用嵌入式处理器和高分辨率模数转换器，将监测数据转换为数字信号，通过北斗卫星向外传输数据。龙滩电站现场北斗短报文发送机安装在电站管理机房。

2020年7—8月开展能源局大坝中心端的系统软件开发工作，同步在8月完成北斗短报文指挥机及配套天线等硬件的安装工作。指挥机天线安装在大坝中心办公楼楼顶的围墙上，周围环境开阔，卫星接收条件良好。指挥机安装在顶楼的配电机房，与天线实线连接。北斗指挥机同时与大坝中心服务器连接，可以将接收到的水电站现场发送来的数字信号实时传输到大坝中心的服务器上，监控服务器安装的系统开发软件将数据解析、显示、存储，并将数据实时推送到大坝安全监察平台。同时在大坝安全监察平台上，也可以根据需要主动向现场发送指令，指挥现场实时回传监测数据。安全监察平台发送指令的操作界面见图3。

图3 大坝安全监察平台操作界面Fig.3 User interface of the dam safety supervision platform

4 北斗短报文通讯功能应用研究的技术关键

为了应对北斗短报文通信的容量限制、频度限制和通信链路的不可靠问题，本次北斗短报文试点重点研究了数据压缩技术和数据校验及重传技术。其中数据压缩技术主要解决北斗短报文通信容量限制的问题，主要技术思路是在发送端利用一定的压缩技术对发送内容进行压缩，通过在北斗的数据传输层传送经过压缩的数据，在接收端再将接收到的信息进行还原，从而实现了单次通信传输更多信息的目的，有效提升了系统的信息传输效率。数据校验及重传技术主要解决了通信链路不可靠、信息传输易丢失的问题，用户在接收到报文后，对报文的完整性进行校验，如发现存在报文丢失的情况，则可以要求发送端进行重传。

4.1 数据压缩技术

北斗短报文系统发送短报文频次限值为78字符/60 s/次，而水电站监测数据监测分量多、精度要求高，往往会超出短报文的容量限值。如果在信息传输前，采用数据压缩技术对预警信息报文进行压缩，就能最大限度地减少拆包数，甚至不需要拆包。这样不仅可以提高信息传输效率，也可以减小在拆包还原过程中出错的概率。

本系统采用进制转换的方法对监测数据进行压缩，以一条典型的北斗位移监测数据为例，未压缩 前 为“sys00017；1628697600；-1695880.1059；5529062.4317； 2681498.3019； 25.022560164；107.051881587；376.2182”，其中“sys00017”表示测点编号，“1628697600”表示该条测值测量时间的时间戳，后面的6个数值分别代表“X”“Y”“Z”“B”“L”“H”6个分量上的测值，对时间戳及各测值进行进制转换后，压缩数据变为“sys00017；haFX4q；-e7NgVC9；oeBFBFE；rCA+5oG；rYeEVFF；hQ/CdGi；eh0wq”，数据长度由95变为62，小于北斗短报文78字符的长度限制，当对单测点单条测值数据进行传输时，可以避免拆包操作，有效提高了数据传输的速度和可靠性。

4.2 数据校验及重传技术

北斗短报文通信的传输信道为卫星通信链路，这种通信方式有其天生的局限性，外界干扰因素较多，信息传输的成功率不可能达到100%。根据对北斗短报文通信进行的到达率测试和统计分析的研究成果，北斗短报文通信单数据包的传输成功率约为93%。监测信息因其特殊的性质，通常都要求传输成功率稳定在99%左右，所以北斗短报文通信本身的传输成功率不能满足监测信息发布对可靠性的要求。

本系统在北斗短报文通信的过程中采用了分组校验的思路，系统以64份报文为一组，在每份报文上加上一个校验位，当接收端收到最后一份报文后，就开始检查该组的64份报文是否完整，如该组报文完整即可开始下一组报文的发送与接收工作，如该组报文不完整，则接收端就会通知发送端重传未接收到的报文，以此循环，直至确认接收到该组的全部报文。经测试，采用该校验及重传技术后，北斗短报文的传输成功率从93%上升至100%，有效解决了北斗短报文通信可靠性偏低的问题。

5 结语

本研究设计了一种基于北斗短报文通信的大坝安全监测报送系统。该系统利用北斗系统覆盖范围广、对外部设施依赖条件少、可靠性高的特点实现了在各种工况特别是极端工况条件下的双向通信，满足了水电站大坝监测信息实时报送的需求。同时，本研究利用数据压缩技术和数据校验技术有效解决了北斗通信效率和通信可靠性的问题，使北斗短报文通信系统可以作为目前水电站大坝安全监测信息报送系统的完善和补充，对实现水电站大坝安全高质量监管具有重要意义。