北斗卫星通信系统在水文自动测报中的应用

(一) 系统简介

北斗空间卫星包括三颗地球同步轨道卫星,其中一颗为备用星。

1.北斗系统工作流程

在北斗卫星终端设备开机的条件下,单次通信工作流程如下:

北斗地面中心站向卫星连续发送载波,载波上的数据流含有测距信号、电文帧、时间码等,称为询问信号;询问信号经北斗卫星变频放大,通过四个波束向服务区域广播;主叫卫星终端接收询问信号并响应,将待发数据调制完毕后连同被叫终端目的地址 (ID 码)信息以规定数字报文格式通过任一可见波束发向卫星;北斗卫星将收到的主叫卫星终端的报文转发到北斗地面中心站;北斗地面中心站收到主叫卫星终端发来的报文,在识别用户码和用户身份鉴权通过后,将报文内容连同被叫终端ID 码信息发射到北斗卫星,同时将其发送到网管中心,网管中心将报文写入数据库,等待用户查询、下载等处理请求。

2.系统技术参数

覆盖范围:5°～55°N,70°～145°E (中国全境及亚洲大部分地区)。

出站信道:信道速率为31.25kbit/s。

入站信道:信道速率为15.625kbit/s。

系统误码率:10-5。

定位精度:10～100m。

通信能力:一次最大可发送200个字节。

授时精度:单向100ns,双向30ns

响应时间:高小于1s;中小于5s;低小于10s。

接续方式:卫星终端至终端、DDN、PSTN、GSM/CDMA、Internet。

(二) 用户终端设备

1.通信设备

通信设备包括用户终端、接收/发射天线、PDA 监控掌上电脑 (选配)、CPS2030天线电缆。

2.设备基本功能

(1)初始化和状态设定功能。设备在加电启动后,自动进行初始化、状态设定和本机自检,并通过显示或声、光方式指示初始化状态,显示本设备可以使用。初始化过程中如遇故障,应实时给出故障报警和故障类型,并通过显示或声光方式指示故障状态。

(2)整机监测功能。设备进入正常运行状态后对整机状态进行实时监测,监测内容包括接收信号电平、锁定波束、信号失锁、信号被抑制、发射状态、供电状态、电池容量等。以上监测内容通过显示或声光方式进行指示,并能以终端通信协议规定的数据格式通过串口输出给外设。终端开机或重新捕获卫星信号后,自动发送一个特殊格式的查询报文,网管中心收到此报文后,将需转发的报文转发给该终端。

(3)安全保护功能。过流、过压或极性反接时自动保护设备。由于突发原因导致的设备断电,具有已存储数据保护功能。

(4)定位功能。设备实时提供其所在位置的经度、纬度与高度信息,并以标准形式显示经度、纬度和高度,准确的高度信息可以从选配的高度表中读取)。定位信息能够以终端内标准数据传输格式自由提取。

(5)通信功能。设备具备电文键入、编辑、发送、接收和显示功能。

(6)计算机控制显示功能。终端可通过数据接口与外设进行信息交换,外接计算机配备相应的软件,可实现对终端的发射指令控制并可在计算机显示器上显示接收的定位、通信信息,系统时间信息和整机工作状态等。

3.终端技术指标

(1)接收部分。

1)天线波束宽度:俯仰方向:25°～90°;水平方向:0°～360°。

2)频率:S波段。

3)接收通道数:不小于2。

4)接收灵敏度:C≤-157.6dBW。

5)首次捕获时间:不大于4s。

6)失锁再捕获时间:不大于1s。

7)接收信号误码率:不大于10-5。

(2)发射部分。

1)天线波束宽度:俯仰方向:25°～90°;水平方向:0°～360°。

2)频率:L波段。

3)发射EIRP值:不小于13d BW。

4)发射频率偏移:不大于2×10-7。

5)发射信号功率稳定度:±0.5dB (一次最长发射信号周期);±1dB (24h,工作环境条件)。

6)发射信号载波抑制:不小于30dB。

(3)功耗。

1)平均功耗:不大于6W。(www.xing528.com)

2)最大发射功耗:不大于120W。

(4)工作环境。

1)环境温度:-30～55℃。

2)相对湿度:5%～98% (45℃)。

3)冲击:6g/s。

4)振动:0.1g/ (20～100)Hz。

(5)存储环境。

1)环境温度:-40～70℃。

2)环境湿度:98%无凝结。

3)平均无故障工作时间:MTBF≥25000h。

(三) 北斗民用网管中心介绍

北斗民用网管中心是北斗系统地面中心站的组成部分,也是地面中心站功能的延伸。基本服务业务包括定位信息服务、短信息通信服务、授时和GPS差分信息服务;网管中心提供的北斗增强业务服务包括遇险报警服务和群/组呼业务。

1.定位信息服务

北斗卫星终端用户和陆地网络用户可以通过使用定位信息功能获得移动终端当前所处的位置信息,包括经度、纬度以及高程等信息。北斗卫星终端用户可以直接通过北斗卫星终端发送定位请求而进一步获得定位信息;定位请求经系统确认后将所获得的北斗卫星终端定位信息反馈给请求用户。

2.短信息通信服务

北斗卫星终端用户和陆地网络用户之间以及北斗卫星终端用户之间可以通过使用短信息通信功能相互进行通信,发送短消息。

3.授时和GPS差分信息功能

北斗卫星终端用户可以通过接收北斗卫星导航系统的广播信息获得授时信息和GPS差分信息。授时信息为UTC (美国联合技术公司)标准时间,GPS差分信息用于对GPS信息进行差分校正。该功能必须获得网管中心的预先授权。

4.群/组呼业务

个别北斗卫星终端用户(指挥级用户)和陆地网络用户可以通过使用群/组呼功能发送同一消息,而该消息可同时被多个北斗卫星终端用户所接收。用户可以通过使用该功能建立自己的闭合用户群组(Closed User Group)。指挥级用户或陆地网络用户所发出的群呼消息仅被指定的闭合用户群组所属的北斗卫星终端用户所接收,而闭合用户群组之外的北斗卫星终端用户将不会收到该消息。

5.网管中心接入方式

北斗民用网管中心与来自陆地网络的固定用户之间的物理连接方式如图2-4-6所示。

图2-4-6　公众网用户的接入方式

(四) 北斗卫星遥测通信系统组网方案

1.系统适用性分析

北斗卫星系统具有通信速度快、支持多用户并发处理、抗雨衰、高可靠性、低功耗、设备结构简单、易维护等特点,满足测报系统所要求的实时性、抗雨衰、准确性以及可靠性要求。系统工作在L/S/C频段,受雨衰引起的损耗和产生的噪声影响很小;在数据传输过程中自动生成严格的纠、检错功能,从而保证传输误码率优于10-5,在软件纠错控制体制的配合下误码率可以优于10-7;系统具有多重通信确认机制,测站终端在发送信息时,可以从网管中心或用户接收中心卫星站获得发送或接收状态的确认回执,在本次通信失败的情况下及时重发数据,从而保证了关键业务数据的完整、可靠传输;系统采用了CDMA 调制方式,支持多用户同时并发业务,可同时入站的用户数量非常大,基本不构成系统容量的限制因素;系统用户终端的天线设备和主机设备体积都较小,操作方便,安装维护也十分方便;系统用户终端整机功耗很小,并且其发射机理为瞬间突发,使得终端的功率消耗得到有效的控制,这对工作环境恶劣的野外测站而言有着良好的实用性;系统所提供的精确授时功能,可以为测站及中心站提供精确的时间信息,以保证整个测报系统的时钟同步。

此外,网管中心对接收到的终端用户和固定用户的业务数据进行备份、存储,用户可以通过访问网管中心提取备份数据。因此,所有野外测站发送的数据,在通过卫星发往用户中心接收站的同时,将被拷贝、存储在网管中心数据库中,即使用户中心站接收设备出现故障,用户仍可以通过访问网管中心获取野外测站上报的全部数据。

2.组网形式

(1)通信组网方式一。若用户所管辖流域面积较小,基础通信设施较不完善,数据传输量不大,建议采用点到点传输结构模式来实现通信组网方案 (见图2-4-7),进而实现对流域内水情、雨情的监测与控制。

图2-4-7　组网方案一示意图

监控中心站与远端测站构成一点对多点的传输模式,远端测站将本地水情数据发送到监控中心站,由监控中心站对远端测站发送相应的回执确认信息,远端测站根据不同的回执确认信息采取相应的行动,自动转入休眠或重新发送水情数据。在此过程中,网络管理中心将对所有远端测站发送的水情数据进行备份,因此,当监控中心站的卫星用户终端出现异常情况不能正常接收数据时,用户可通过登录到网络管理中心下载相应的水情数据。监控中心站负责对所有水情数据进行搜集、检查、存储、显示、打印以及统计分析等处理,监控中心站所发出的指令或信息以广播方式播发至所有远端测站或单独发送到某一指定远端测站。

(2)通信组网方式二。对于某些用户,其所辖水情自动测站较多,数据传输量很大,如通过卫星链路将数据传输到监控中心站,卫星通信费用较高,用户可以考虑采用陆地专线 (如DDN、帧中继、VPN 等)连接传输方式实现通信组网方案,建立水情监测系统。

水情监控中心与网络管理中心通过专线连接实现数据通信传输。远端测站将采集到的水情数据通过卫星入站链路直接发送到网络管理中心,并由网络管理中心直接向远端测站发送回执确认信息,远端测站根据回执信息确认发送成功与否,决定是否重发水情数据。网络管理中心将所有接收到的水情数据通过专线发送到用户水情监控中心,水情监控中心通过专线将指令或信息发送到网络管理中心,然后再以广播方式播发至所有远端测站或单独发送到某一指定远端测站。

(五) 应用实例

1.小花间水文遥测系统[40]

该系统测站数量多、要求数据收集时间短,整点报数的通信要求严格,不仅要求通信畅通率高于95%,而且所有测站的数据要在3～5min内收齐。黄河水利委员会水文局通过近一年的反复测试和数据分析,证明北斗卫星完全可以满足项目的总体设计要求,是最优的通信系统。

2.尼尔基水利枢纽水文自动测报系统[23]

该系统于2003年7月开始建设,包括一个分中心站和一个中心站。北斗系统作为传输信道,通过点对点组网方式将分中心站收集的水情数据打包发送到中心站。截至目前,该系统运行稳定,传输成功率在98%以上。

3.江口水电站水情测报系统[46]

该系统建设始于2002年7月,位于江口电站以上的芙蓉江流域,控制面积为7793km2。系统中心站设在江口电站,距重庆市130km。系统范围为江口电站以上芙蓉江流域内所布设的24个水文遥测站点,2个中心接收站。该系统采用北斗系统点对点方式进行组网,并通过陆地网接入网管中心作为该系统的备份通道。系统自2002年10月建成运行以来,运行稳定可靠,所有的测站数据在3min全部收齐,统计传输成功率在98%以上。