水文现代化与水文新技术：通信信道和光纤信道

1.水文自动测报系统使用的通信信道和数据传输工作方式

（1）水文自动测报系统使用的通信信道。通信信道可以区分为无线通信和有线通信两大类，如进一步细分，则有线通信可区分为架空明线、对称电缆、同轴电缆、光纤等；无线信道可区分为短波、超短波、微波、卫星中继等。

程控电话交换网（PSTN）通信组网是水文自动测报系统使用的主要有线通信方式。使用电话公网，不需要自行建网。电话公网遍布全国，由架空明线，对称电缆，同轴电缆，光纤等各种有线信道组成。

短距离传输时可能需要自行架设包括光纤在内的各种有线通信组网。

水文自动测报系统主要使用超短波（UHF/VHF）、手机GSM数传及GSM短信、GSM系统中的GPRS业务、卫星中继通信等无线通信方式，也可能应用短波通信组网。

中心站之间和与上级中心之间主要应用网络通信，也可以应用自有的卫星、微波、光纤通信网。

由于通信技术和商业通信网的发展，也为了适应不同系统的需要，使用单一信道的系统逐渐减少，多数水文自动测报系统采用多信道复合系统组网，即可能使用多种有线、无线信道组成系统通信网。

（2）水文自动测报系统使用的数据传输工作方式。可分为单工、双工和半双工等几类。单工方式指只是甲方向乙方（或乙方向甲方）传输数据，双工是指甲、乙双方都能同时互传数据，而半双工通信是指甲方或乙方都有向对方传输数据的功能，但在一个特定时刻内，只允许在一个方向上的传输。

水文自动测报系统内数据传输大多采用半双工工作方式。

2.各种通信信道的技术特性

（1）有线电信信道。架空明线是最早得到应用的电话信道，其传输损耗小，传输距离超过300km才需放大增音。但其通信带宽较窄，特别是易受外界气候条件影响，抗雷电性能又不好，因而近代应用日少。近距离话路已被音频电缆替代，长途话路则被高频对称电缆、同轴电缆、光纤等取代。对称电缆、同轴电缆从其电气特性而言和架空明线有相似之处，都是利用两根平行金属导线构成回路，但在结构上则存在很大不同，因而其电气特性也有明显差异。应用公用电话交换线路进行数据传输，最为关心的是其传输带宽，线路损耗，传输误码率等性能。

1）不同有线传输的特性。包括平行导线、架空明线、对称电缆、双绞线、同轴电缆和光纤通信的传输特性。

a.平行导线的传输特性。金属导线（多数用铜，也有用铝的）的电信传输线路，因它有一定的电阻、电感，以及两根导线之间存在电容及难以完全避免的漏电，这些参数决定了线路的传输特性。

信号的振幅将随传输距离的加大按指数规律逐渐减小，加之由于频率的增加使电流趋肤效应增大，使不同频率的正弦信号在平行双线上的衰减存在差异。频率增高，衰减将加快。这就是金属平行双线传输带宽受限的原因。不同频率的正弦波，在金属平行双线上传输时，其传输速度不完全相同，和频率有关。包含多种频率成分的信号，由于不同频率的正弦成分传播速度存在差异，在经一定距离传输后，其包络要发生变化。

实际工作中，平行导线终点的负载，其阻抗值应与其特性阻抗相匹配，否则电信号传到终点时要引起反射。

b.架空明线的传输特性。架空明线的金属材质可为铜或铝，亦有用铁线的。由于架空建设对其强度有一定要求，因而线径不能太细，同时电话线路要求其特性阻抗为600Ω，由这两方面的要求决定线径和间距。

架空明线的传输损耗甚小，但其传输带宽较窄，只能传输低速数据，前已指出，由于它易受干扰的原因，目前已较少使用。

c.对称电缆的传输特性。对称电缆指护装在同一护套内的多对带绝缘层的平行双线，导线材料一般为铜，也有用铝的，导线直径在0.4～1.4mm之间。为了减小线对之间的相互干扰，每对线按一定节距纽绞。此种电缆的传输损耗比架空明线大很多，但其传输稳定性远胜于架空明线，在电话网中广为使用。

d.双绞线的传输特性。双绞线是一种高速线缆，不采用金属外护套，在短距离应用时其衰减很小，可以传输高速数据。常用的双绞线有3类和5类两种，前者使用于10 Mbps网络，故亦称10 Base T，后者可使用于100 Mbps网络，亦称100 BaseT。

双绞线芯线一般是直径0.5mm左右的铜线。常使用8芯两两相绞的4对线缆，每对芯线都标以不同颜色以便使用，也有更多对数的双绞线。

e.同轴电缆的传输特性。亦称同轴线，其结构由内外圆形导体组成，分为硬同轴线和软同轴线两类。

硬同轴线的外导体和内导体都是铜，硬同轴线的内导体需要每隔一定间距由圆片绝缘子来固定。软同轴线的外导体由金属丝网编织而成，因而可以弯曲，其内导体可以是单根铜线，也可以是多根铜丝扭绞而成。软同轴线内外导体间填充以聚乙烯类塑料介质。一般的电视电缆也是一种软同轴线，同轴电缆传输高频信号的性能很好，在光纤通信应用前，同轴电缆是长距离通信的最好方式。由于光纤通信技术的发展，同轴电缆在长距离通信中已完全被光纤所取代，但同轴电缆由于其本身的优良技术特性，特别是软同轴电缆的柔软性，在电气连接中，仍被广泛应用。

f.光纤通信的传输特性。以光波作为载波，在光导纤维中进行数据传输，可以得到极高的传输速率。由于光纤具有传输损耗低，频带宽，不受电磁干扰等优点，因而在近代通信领域得到了十分广泛的应用，并成为骨干通信网的主要选用方案。光纤信道由光发射机、光纤线路和光接收机3个基本部分组成，平时称光发射机和光接收机的组合为光端机。

光发射机完成数据基带信号对光的调制，将已调光信号馈入光导纤维。光接收机完成光信号的检测，并解调恢复为数据信号。光纤线路包括光导纤维以及每隔一定距离的光中继器。光放大器称之为直接中继器。如在中继器中先完成光信号的解调，后以解调出的电信号再调制光信号传送，此类中继称间接中继器。在光纤线路中大约每60～100km需使用光放大器，补偿传输损耗。而每经一定长距离传输后，需要使用间接中继器，以避免噪声积累。实际应用中都是多根光纤组成光缆，光缆中光纤总数少者几根，多者达几十根，因而光缆的通信容量极大，目前已达千Gb/s量级，随光/电转换技术和数字复接技术的进一步提高，通信容量还将进一步提高。

光发射机的光载波由光源提供，目前最广泛应用的分为半导体发光管和激光二极管，产生的光功率为mW级。

光接收机的核心部件是光探测器，它对接收到的光信号，进行检测并转换为电信号，恢复出发射端对光载波进行调制的数字基带信号，再进行放大处理解调为数据。目前应用作光探测器的有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。

光导纤维是纯度极高的石英（SiO2）纤维，其外径约和头发丝相当。其中心部分为纤芯（光导纤维），其外层为光折射率略小于纤芯材料的包层，目前应用的光纤包层外径通常为125μm，再外层是塑料护套。加上护套后之光纤直径亦仅1mm左右。

2）程控电话交换网（PSTN）通信组网。PSTN（Public Switching Telephone Network）遥测报汛网络系统是近年来在水文和其他部门迅速崛起的一种具有适用范围广、设备简单、高可靠性、组网灵活、成本低、维护方便等优势的新型通信传输手段，是国家防汛指挥系统推荐通信信道之一。其缺点是：需要系统运行通话费用，运行成本较高。为节约通话费用，若增加发送数据间隔时间，则又不能及时地反映站点的水雨情数据。

图3.6　PSTN数据传输网络示意图

PSTN遥测网络是星形结构，PSTN数据传输网络示意如图3.6所示，通过专线电话将各遥测站点同中心站连接起来。中心站通过召测或巡测实现数据接收。

PSTN遥测系统若采用遥测站自报式工作体制时，如遥测站点较多，中心站要设MODEM池（MODEM POOL），它的作用是当多个遥测站同时用PSTN进行数据自报时，上位机应能接听，以保证数据畅通。

PSTN遥测系统常应用嵌入式56k工业模块MODEM，这是专为远程控制、远程数据采集系统而开发的模块化产品。该产品外形小，与用户板连接方便。通过与市话网或单位内部电话线相连即可实现远程控制、数据传输功能。广泛应用于远程数据采集和远程集散控制系统等。其性能如下：①56kbps传输速率，满足了远程批量数据传输的速率要求；②支持V.90，V.34，V.32，V.22bis，V.22，V.23，V.21，Bell212A和Bell103通信标准；③拨号/自动应答功能；④串口方式，与用户系统连接简单；⑤有防止雷击和浪涌电流的保护电路；⑥抗干扰能力强。

除了PSTN信道可以传输大批量数据外，其他通信方法目前还不能实现批量数据的下载。通过56k工业模块MODEM选件支持PSTN远程数据下载。数据下载速度快，有可靠的数据包通信校验纠错措施保证传输的正确性。远程上位机有专用PC软件支持全程数据下载和分时段部分数据下载。

（2）无线信道。在有线通信方式时，电或光信号汇聚在有形导线中传播，无线信道传输则是另一种方式，它藉电磁波在空间的传播来载荷信息。数据传输用的无线电频率，从短波的低端3MHz起，直到几吉赫兹的极高频，包括了短波、超短波、微波等很宽的频率范围。在此范围内，部分频带划归广播电视使用，有的划为移动通信话音业务使用。数据通信业务在各个频段都有安排，其调制方式有模拟和数字两类。由于数字技术的发展，语言图像等传输业务也越来越普遍地采用数字调制技术，数据和语音、图像等使用同一频段传输并不成为困难。在无线通信中，窄带信道供话音和低速数据传输使用，其中有少量带宽划分给低速数据传输专用。无线宽带信道，采用频分复用、时分复用等技术，用于传输中高速数据，图像视频信号，以及话音业务。

无线电频率的规划和使用，在国际无线电咨询委员会提出的分配建议基础上，由国家无线电管理委员会管理分配。

1）无线通信频率的分类。习惯上把无线电频率划分为表3.1所示的波段。

表3.1　无线电频率划分表

续表

2）无线电波的传播特性简述。频率在3～30MHz的短波无线电信号，有2种传播模式：一是沿地表传输的地波方式，其传输距离和无线电收发信机的灵敏度及发射功率有关，一般可达几十公里；另一种是天波传播方式，该频段的无线电波向天空发射，在遇到位于60～500km高空的电离层时，将被电离层反射回地面。由于入射电波的仰角不同，将被电离层反射到不同的地点。仰角较小时，传播距离可达几千公里之遥。在利用地球表面和电离层间多次反射时，可以传播很远的距离，甚至实现环球通信。远距离广播采用短波的原因就在于此。

超过30MHz之频率较高的无线电波，在地面上的传播方式都为视距传输，也就是只能或基本沿直线传播。因为地球是圆的，在某一处地面水平发射的无线电波，沿直线传播一定距离后，很快就远离地面。要能传输较远距离，需把收发天线架到一定高度，但也难以架得很高。地球曲率半径为6370km，因而地面上的视距传输范围一般为50km左右。当需要更远距离的传输时，就需间隔一定距离设立中继站来中继接力，例如超短波中继站和微波中继站。而当利用高空同步卫星作为中继时，卫星从高空向地面发射无线电波，覆盖范围极大，可以完成上万公里的远距离通信。

3）水文自动测报系统应用的无线通信方式。超短波（UHF/VHF）、手机GSM数传（GSM短信）、GSM系统中的GPRS业务、卫星通信、短波等通信方式已为水文自动测报提供了基本技术和使用条件，并在水文测报系统中得到了广泛的应用。

超短波（UHF/VHF）通信组网。超短波通信是目前水文自动测报系统应用最广泛的无线通信方式。以下介绍组网的概念、技术特性和组网的测试。

a.UHF/VHF超短波通信组网的概念。UHF/VHF频段超短波是一种地面可视通信，其传播特性依赖于工作频率、距离、地形及气象因子等因数。国家无线电管理委员会将230M的频段划分给水利遥测数据通信专用，目前我国国内已建系统的超短波频率大多应用在150～450MHz之间。它主要适用于平原丘陵地带、一般山区的水文测报系统。一般要设立中继站来适应山区地形阻挡和较长距离传输。

应用UHF/VHF频段超短波通信方式需要自行建设通信网，超短波通信方式具有通信质量较好、设备简单、投资较少、建设周期短、易于实现、无通信资费的优点。但是若在长距离、多高山阻挡情况下使用此种通信方式传输水文数据，所需中继站数目及中转次数将明显增加，从而导致设备、土建成本的增加，系统可靠性下降。如中继站交通条件差，还会给建设、安装、维护带来困难。因此，不建议采用多级中继。

典型的超短波通信网络是一种树形结构的网络。典型超短波遥测系统组网示意如图3.7所示。

图3.7　典型超短波遥测系统组网示意图

b.技术特性。在调制解调器的应用上，我国大部分UHF/VHF水文遥测系统采用FM-FSK进行数据调制，即调频—移频键控。数据传输速率和副载波的选择参照以下的标准要求：

数据传输采用异步方式；

通信速率在300bps时，依据CCITTV2.1标准，副载波传号“Mark”为980Hz，空号“space”为1180Hz；

通信速率在1200bps时，依据CCITTV2.3标准，副载波传号“Mark”为1300Hz，空号“space”为2100Hz；

在电气标准上，副载波传号“mark”对应“1”，空号“space”对应“0”；将副载波再调制到VHF/UHF载波上，就实现了高频无线电在空间电磁场中的传播。数据的解调过程是数据调制过程的逆返。

由于超短波信号利用空间电磁波有限的频点资源进行数传，所以存在数据在空中受到干扰的情况。因此，超短波系统一定要引入通信检、纠错等差错控制办法，保证系统误码率低于10－4。信道编码采用BCH编码技术，生成多项式为X7＋X6＋X5＋X2＋1。

在数传收发信机的选择应用方面，已大量地选择整机电台。部分电台内置数据调制解调器，没有内置数据调制解调器的，遥测站终端设备中必须包含。部分超短波水文自动测报系统的发信站仅使用超短波发射机模块，收信方仅使用超短波接收机模块，相应地降低了应用成本。

更远的遥测站点，传输路径中地形阻挡严重的站点，信号只能通过设立中继站的方式进行接力传播。具体组网时还要参照无线电路测试报告。

超短波基本按直线传输，只具有一些绕射能力，信号传输受地形影响很大。所以在进行通信组网信道设计时，要根据地形图，还要经过实地无线电路测试，才能确定各站点和中继站位置、天线高度、需要配备的电台天线等。

c.UHF/VHF超短波通信组网的测试。无线电波在空间电磁场中的传播依不同的频率表现出不同的特性，超短波频率基本上以视距范围传播，兼有一定的绕射能力。为了保证超短波系统站点之间信号传输的稳定可靠，必须进行无线电路组网中的无线信道现场测试。

现场测试主要是测电波传播的路径损耗Lb。路径损耗包括自由空间损耗L0及附加损耗，自由空间损耗仅决定于路径长度D和工作频率F，自由空间损耗L0计算公式如下：

但附加损耗是随机的，每条通信线路的地形不同，附加损耗也就不同。

一个无线电系统是由发射机，发射端馈线，发射天线，传播介质，接收天线，接收端馈线以及接收机构成。如果设Pt是由发射机送到馈线的功率，Pr是接收天线的馈线终端得到的接收信号功率，则总的系统功率损耗Ls（用dB表示）可由下式给出：

式中：Lt、Lr分别为连线发射天线和接收天线的馈线损耗；Gt、Gr分别为发射天线和接收天线的增益。

忽略馈线的失配损耗，路径损耗Lb可由下式给出：

超短波水文遥测系统往往规模较大，遥测站可多达数十个，分布在地形复杂的宽广流域内。应用超短波通信组网时也可能要有多个中继站，而且要经两三次中继转接。因此，为达到最佳设计方案，必须事先要对各条电路进行路径损耗的估算。

理论计算应根据地形选择合适的传播模式。水文遥测电路设计中所遇到的地形绕射，一般属于山峰绕射模式和地面球形绕射两种模式。前者可根据惠更斯—菲涅耳原理，把山峰等效为刃形障碍物，后者可根据球面绕射理论，引入地形参数μ因子方法计算。具体计算较复杂，可参阅专业资料。现简要介绍路径损耗的测试方法：

路径损耗Lb可使用场强仪直接进行测量，它是由一个发射站和一个接收站组成，发射站发射无调制的载频信号，经过直通式功率计由天线发射出去，接收站配有同一频率的电台。另外，配有场强仪一台，其灵敏度优于－10dB，以便接收微弱信号。双方电台联络上后，再将馈线转接到场强仪上测量场强，每一次测量都用功率计读出输出功率值，得到的数值通过Lb的公式算出。

根据实测数据推算出的信道余量等参数，对超短波站网建设有实际的指导意义。无线电路测试结果中还将给出各站天线配置，悬挂高度，方向角等系统建设所需的必要参数。具体测试方法和计算设计均有专门规定。

GSM通信组网。当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时，欧洲的电信运营部门便发觉，5～6种移动通信系统将整个欧洲的蜂窝系统分割成四分五裂的状态，无法形成快速增长的市场所需求的规模经济。面对这一现状，欧洲电信管理部门（CEPT）成立了一个称为“GSM”的小组，制定使用于泛欧各国的一种数字移动通信系统的技术规范。GSM的原意是“移动通信特别小组”，而随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立，GSM逐步成为泛欧数字蜂窝移动通信系统的代名词。欧洲的专家们将GSM重新命名为“Global System for Mobile Communications”，使之成为“全球移动通信系统”的简称。

GSM是频分信道，每条信道采用了时分多址的数字系统。从1990年起，GSM开始向欧洲外扩展，用户可在众多国家内实现漫游，成为名副其实的“全球移动通信”。我国在20世纪90年代以来，采用了欧洲的GSM技术标准，个人移动通信（手机）得到了极快的发展，业务区覆盖全国绝大多数地域。

同期，移动通信终端设备也得到飞速发展。最初只有车载设备，20世纪80年代中期出现了几公斤重的便携式设备，手机大约在1988年出现。发展至今，在重量和体积缩小的同时，其价格也迅速下降。

目前，采用码分多址（CDMA）技术的移动通信网也正在我国建设发展中。

a.GSM数字移动通信系统。GSM数字蜂窝移动通信系统（简称GSM系统）是一种典型的开放式结构，与之前的个人无线通信系统相比，具有下列主要特点：

GSM系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互连。同时，GSM系统与各种公用通信网实现互连互通。系统除了开放基本的话音业务外，还开放各种数字承载业务、补充业务以及与ISDN相关的各种业务。它具有较强的加密功能，能确保用户和网络的安全需求。而且抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。

当然，GSM系统也有其不足，采用CDMA数字通信技术将进一步提高移动通信网的质量。

GSM系统工作在3个频段，分别是900MHz、1800MHz和1900MHz频段，其中GSM900频段还有G1（E-GSM）频段和P频段。用得最多的是900MHz频段，常见的则是900MHz和1800MHz频段。每个频段分为许多频道，频道的载频间隔为200k Hz，信息在载频上按一帧一帧的方式传播，每一帧分为8个时隙，即所谓的TDMA方式，每个时隙可作为一个独立的业务信道。每个TDMA帧长为4.615ms，每个时隙0.58ms。信道调制速率为271kbps，由于相当大一部分为系统本身控制管理使用，故每个时隙用户使用的最大数据率为12kbps。

GSM系统由4个子系统组成，它们是移动台/MS、网络子系统/NSS、基站子系统/BSS和操作维护子系统/OSS。

b.GSM系统在水文信息自动化传输系统中的应用。国内近几年来GSM网络的信号覆盖、技术平台支持和各项增值业务的扩充均有飞速的发展，同时为我们开展水文信息自动化传输创造了基础条件。

GSM系统适用于水文信息自动化传输的性能优点：GSM公网通信具有网络稳定可靠、通信费用低、不受地域限制的优点。其最大的好处是设备体积小，安装在室内，没有引雷部件，不需要作防雷处理。因此，它在水文数据传输通信方面可以被认为是一种可优选的通信方式。GSM通信，包括语音和数据（短信息）传输，通过GSM网络系统实现。GSM网络系统是电讯部门建立的公网，具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网，更不需要建设像超短波那样的中继站。可以利用短消息业务传输水文信息数据。短消息业务（Short Message Service）与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和转发功能，每个短消息的信息量限制为140个八位组（7比特编码，140个字符）。传送短消息业务的控制信道为专用控制信道（DCCH），为点对点双向控制信道，包括独立专用控制信道、快速随路控制信道和慢速随路控制信道。

短消息业务是GSM系统中提供的一种GSM手机之间及与短消息实体（Short Message Entity）之间通过业务中心（Service Center）进行文字信息收发的方式，由业务中心完成信息的存储和转发功能。短消息业务可以认为是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式，它不需要附加其他较为庞大的数据终端设备，仅使用手机就可以达到进行中、英文信息交流目的。由于作为公网的GSM网络具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网，极大的网络覆盖范围为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。同时，它对用户的数量也没有限制。克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。利用GSM短消息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程监控设备的通信提供了一个强大的管理支持平台。

应用GSM系统的水文信息自动化传输系统的特点：①GSM技术作为第二代（2G）移动通信技术的主流得到了迅速的发展，GSM移动网络在我国已经具有非常广泛的覆盖范围。同时随着移动通信技术的发展，GSM网络也在不断地向前发展，如已经在GSM网络技术基础上实现了基于分组的GSM数据通信业务，并且继续向3G方向发展。因此，采用GSM移动通信技术实现水文监测系统的远程通信是具有先进性的。②GSM移动通信网络作为一个商用的电信运营网络，其可靠性是相当高的。电信运营商在建设网络时已经充分考虑了网络的可靠性和稳定性，信息发送和接收安全可靠，不会丢失。因此采用这种商用可靠的网络作为我们应用系统通信支持平台，其可靠性是非常有保障的。③GSM作为一个成熟实用的网络，已经为广大的用户提供服务，其满足用户需求、实现资源共享、信息交流、提高业务能力和工作效率的实用性是显而易见的。④采用GSM移动通信方式在网络建设上不需要投入，也不用租用通信线路；根据目前短信息的收费标准，发送一条信息的费用为0.1元，因此，这种系统运行通信费用与其他通信方式相比具有非常好的经济性。⑤GSM水文遥测系统建设的限制条件是在信号不覆盖的地点无法建站，此时需要通过其他通信手段来弥补。⑥GSM的主干线仍依靠有线通信网，它不是完全的无线通信。GSM的组网结构是星形结构。⑦关于可能的时间延迟。在节日等短消息发送高峰时，可能发生不能及时收到短消息（数据）的情况。如果和电信运营商事先联系，采取一些措施，就可以完全解决这个问题。

GPRS通信系统组网。GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，是GSM的重要发展，是移动通信从第二代到第三代的过渡。GPRS集成了网络协议IP（Internet Protocol）、X.25协议和ITU的定向连接协议。其中最常见的是IP协议。在用户使用IP服务时，GPRS网络给移动终端动态安排一个IP地址。无线部分GPRS采用与GSM完全相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及TDMA帧结构。所以在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需添加相应的组件，作软件升级。

GPRS不同于普通的GSM通信，它是依托于GSM的无线分组交换网，在TDMA帧结构的8个时隙中，它可以复合应用多个时隙于数据传输业务，因而其传输速率高出普通GSM仅能利用一个时隙于业务信道的16kbit/s。目前的GPRS上行数据传输速率已可达到40kbit/s。而且GPRS应用IP协议，可以实现实时联网传输，时延极小。通信计费以实际传输数据量来计算，低于利用普通GSM信道传输的费用。

GPRS通信系统的组成比较复杂，在GSM网络的基础上必须引入下述部分才能组成GPRS通信系统：①GPRS服务支持结点/SGSN（Serving GPRS Supporting Node）。联向一个或几个BSS（基站子系统），管理本地区的终端，接收移动台发出的数据包，并将数据包发送给GGSN；同时接收GGSN的数据包，将其发送给相应的移动台。②GPRS网关支持结点/GGSN（Gateway GPRS Support Node）。联向一个或几个数据网，接受外部数据网的数据包，并将数据包发送到相应的SGSN；同时接受本地SGSN数据包，并将数据包发送到相应的SGSN或外部数据网。③分组控制单元PCU（Packet Control Unit）。PCU被放在SGSN和BSC之间，起到速率匹配，分段组合数据单元的作用。

GGSN和SGSN可以在同一地点，甚至于同一交换机，每一个GGSN和每一个SGSN都至少拥有一个网内固定的IP地址。原有的GSM移动台（MS），不能直接在GPRS中使用，需要按GPRS标准进行改造（包括硬件和软件）才可以用于GPRS系统。GPRS定义了3类MS：A类可同时工作于GPRS和GSM；B类可在GPRS和GSM之间自动切换工作；C类可在GPRS和GSM之间人工切换工作。

数据传输过程如下：终端连接到具有GPRS功能的移动台上，移动台与GSM基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是经由BSS发送到GPRS服务支持节点SGSN，而不是通过MSC连接到语音网络上。SGSN与GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行处理，再发送到相应的网络，如因特网或X.25网络。反之，来自因特网或X.25网络标识有移动台地址的数据包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到GPRS移动台上。

c.主要特点。一是技术核心是分组交换，可以实现高效的传输高速或低速数据和信令，从而提高了对网络资源和无线资源的利用效率。二是无线信道的分配方式比较灵活：每个帧可分配1～8个时隙为用户所用，上行链路和下行链路的分配独立。因而传输速度高于普通GSM（只能分配到1个时隙）。根据享有时隙的不同，数据传输速率9.05～171.2kbps。既能支持间歇的突发数据传输，又能支持偶尔的数据大量的传输。GPRS能在1s之内恢复数据的重新传输，此特点对水文应用来说尤其适合。三是可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能。计费一般以数据传输量为依据。因为水文的一般传输数据量较小，所以收费也非常有优势。四是GPRS的核心网络层采用IP技术，网络传输时延较小，网络接入速度快，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的IP网、X.25网无缝连接。五是GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。身份认证和加密功能由SGSN来执行。六是蜂窝选择可由一个MS自动进行，或者基站系统指示MS选择某一特定的蜂窝。数据包用特定的GPRS协议数据打包并在MS和GGSN之间传输。用户数据能够压缩，并有重传协议保护，因此数据传输高效可靠。

GPRS的主要优点是可在多个时隙上接收或发送，具体由网络配置，以达到传输高速数据的目的。GPRS理论的最大瞬时速率为171.2kbps，对应8个时隙，远比GSM通信只能占用一个信道中的一个时隙为佳。当然，这个速率目前还难以做到，一般上行速率可达40kbps，下行速率较快时可达100kbps以上。

d.GPRS业务。GPRS是一组GSM承载业务，以分组模式在GSM与外部网络及GSM网络之间传输。在有GPRS承载业务支持的标准化网络协议的基础上，GPRS网络管理可以提供一系列的交互式电信业务。

GPRS可以被认为是一个依托GSM网络的无线部分的独立的分组数据网，支持在用户与网络接入点之间的数据传输的性能。提供点对点业务、点对多点业务两种承载业务，具体业务有以下两项：一是点对点业务/PTP（Point To Point）：点对点业务在两个用户之间提供数据分组的传输。由业务请求者启动，被接收者接收。二是点对多点业务/PTM（Point To Multi-point）：点对多点业务是将单一数据传送到多个用户。PTM业务能够提供一个用户将数据发送给具有单一业务需求的多个用户的能力。包括有3种PTM业务：一是点对多点广播（PTM—M）业务——将数据发送给当前位于某一地区的所有用户的业务。二是点对多点群呼（PTM—G）业务——将数据发送给当前位于某一区域的特定用户子群的业务。三是IP多点传播（IP—M）业务——定义为IP协议序列一部分的业务。水文自动测报系统中应用GPRS传输数据，主要应用点对点业务。

e.服务质量。GPRS通信系统的服务质量包括几个指标：优先级、速率、延时和可靠性。优先级共有3级，高优先级的服务可以中断次优先级的服务，以获取更好的性能指标。可靠性水平对应于不同的误码率的保证。延时和服务级别有关，一般在几秒至几十秒之间。

f.GPRS通信系统在水文信息自动化传输系统中的应用。水文自动测报系统中，应用GPRS传输数据时，系统各遥测站需配置具有GPRS功能的通信模块和开通GPRS业务的SIM卡。系统工作流程是：测站通信模块加电后，自动登录到移动GPRS网络，然后按规定拨号登陆GPRS移动通信网中心CMNET，登录成功即表明遥测站与互联网连接成功，就可以采用TCP/IP协议传输数据。

采用GPRS传输水文数据的系统一般采用自报式。移动公司给各遥测站的GPRS通信模块一般只分配动态IP地址。在中心站需设一台具有申请到固定IP地址的GPRS通信模块接收数据，也可以和移动中心之间通过专线连接。当遥测站数量较多时使用这种结构，有利于较少传输时延。

对于数据量小的水文数据传输，使用GPRS按流量计费方式，有利于降低运行费用。但是在实际使用中应特别注意的是：理论上应当保持GPRS设备永远在线，但实际运行中因为用户量和网络性能不稳定等原因，会有掉线情况发生。掉线之后需重新登录，这就可能因此增加运行费用。在具体使用地点，每次登陆CMNET有可能要计费，所以测站GPRS模块上电后最好一直保持登录状态。为此选用模块的功耗应当尽量低。另一个应注意的问题是，要密切注意当地GPRS的服务质量、分配使用的带宽是否充裕。(www.xing528.com)

GPRS通信网络的覆盖面在很快发展，GPRS模块也很便于应用。也因为GPRS通信比GSM通信的短消息传输具有传输速度、传输信息量、价格上的优势。所以，GPRS通信会更广泛地应用于水文数据传输。

卫星中继通信。包括卫星中继通信的工作原理和性能以及卫星通信方式简介。

a.卫星中继通信的工作原理和性能简介。地面上的无线通信受地球曲率和地形阻挡影响，短波以上较高频率的无线电波都只能传输数十千米距离，或者就要增设超短波或微波中继站。如果将卫星作为无线传输中继站，就构成了卫星中继通信。

在地面上的终端站（测站）向卫星发射带有信息的无线电波，卫星接收到后发回卫星地面中心站，卫星地面中心站再将信息通过卫星发射到接收终端站。也可能从卫星直接发送到接收终端站，完成两个地面站之间的数据传输。

用于水文数据传输的卫星基本上都是地球同步静止卫星，定点在某一经度的赤道上空，离地35800km。向下可以覆盖地球1/3的范围，用4颗卫星就可以覆盖全球。卫星中继站从高空和地面通信，几乎不受高山、地形影响。不过在高山深谷地区，还是有可能因为不能“看到”卫星而不能通信。

卫星通信具有传输距离远，通信频带宽，传输容量大，组网机动灵活，不受地理条件的限制，建站成本及通信费用与通信距离无关等特点。目前已经利用的卫星通信方式有北斗卫星通信、海事卫星通信、“VSAT”卫星通信和全线通SCADA卫星通信系统。它们都是地球同步静止卫星。

气象卫星和极轨卫星也可以用于水文信息的收集，尤其是气象卫星，但我国还没有应用。不同卫星使用的通信频率差别很大。

b.卫星通信方式简介。包括北斗卫星通信系统、国际海事卫星系统、VSAT系统和全线通卫星系统内容简介。

北斗卫星通信系统简介。北斗星通信系统是基于我国具有自主知识产权的第一代北斗星卫星导航定位系统建立的卫星通信系统，它还正在不断发展中，且计划发展的规模很大。系统有3颗同步卫星在轨工作，它们分别定位于东经80°、110.5°和140°，波束覆盖我国全部领土，以及邻近周边地区，兼备定位导航，授时和简短数据通信等多项功能。可全天候、全天时提供卫星导航信息和通信服务。在我国及周边广大地区，为公路交通、铁路运输、海上作业、水文、气象等领域提供定位及数据通信服务，信号覆盖全国。北斗星导航系统基本业务功能包括：定位信息、短信息通信、精密授时和GPS差分信息广播。增强功能包括群、组呼和遇险安全告警。

北斗卫星系统和其他卫星通信系统相似，也由空间卫星、卫星地面网络中心和地面用户终端3部分组成。目前的空间部分由2颗地球同步卫星组成和一颗备用星组成，执行地面中心站与用户终端的双向无线电信号的中继任务，所以又称双星系统。地面控制中心（即网管中心）负责无线电信号的发射和接收，及整个工作系统的监控管理，负责系统内用户的登记注册、识别、数据处理和运行管理。用户终端是直接由用户使用的设备，用于接收发送经卫星转发的地面中心站的各种信息。北斗卫星系统采用先进的扩频通信体制，抗干扰能力强，允许多个地面终端同时发送数据，系统容量十分巨大，每小时可允许几十万用户使用简短数据传输，北斗系统为民间设立了民用运行网络管理中心，负责各相关业务。

主要技术指标：使用波段：地面用户终端和卫星间的链路使用L/S波段，发射1.6GHz（上行），接收2.4GHz（下行），卫星地面网络中心和卫星间通信链路使用C波段；覆盖范围为北纬5°～55°，东经70°～145°（中国全境及亚洲大部分地区）；传输速率：出站信道为31.25kbps；入站信道为15.625kbps；系统误码率1×10－5；定位精度为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。

图3.8　北斗卫星用户终端

北斗卫星用户终端的室外单元体积很小，口径为20cm，虽然使用的是低增益全向天线，但由于有很高的扩频体制增益，信道传输速率仍可达15.625kbps，除小部分X.25规程需要的公共开销外，极大部分可由用户使用，北斗用户终端与用户的数据终端（DTE）的接口符合RS—232接口规定，接口速率一般采用19.2kbps，每次简短通信可传送的数据字节基本容量为32字节，最大为210字节。北斗卫星用户终端外形如图3.8所示。其性能参数如下：尺寸与重量。主机外形尺寸为20cm×15cm×4cm；天线外形尺寸：底座直径18cm，高14cm；主机重量为1.0kg；天线重量为1.2kg；卫星信号频率为2491.75±4.08MHz（扩频频谱零点带宽）；接收天线：波束宽度：俯仰方向为25°～90°；水平方向为0°～360°；接收通道数不小于2；接收灵敏度：C不大于－157.6d BW（天线口面I支路信号功率）；接收信号误码率不大于1×10－5；首次捕获时间不大于4s（从开机至2通道接收并解调出信息所需时间，不包括IC卡认证时间）；发射天线波束宽度：俯仰方向为25°～90°；水平方向为0°～360°；工作环境（包括天线单元和主机单元）：环境温度为－30～＋55℃；湿度为＋45℃时，5%～98%；风速为200km/h；存储环境：环境温度为－40～＋80℃；湿度为98%无凝结；平均无故障工作时间（MTBF）不小于25000h；功耗：最大发射功耗不大于120W（整机瞬间）；平均功耗不大于4W。

由于北斗简短通信是采用虚电路方式传输数据，每次传输数据需时仅1～2s，每次开机到锁定于系统的首次捕获时间不到4s，加上用户IC卡号认证时间，每次登陆入网完成传输总用时应在10s之内，有时因信号强度稍差或周围较大干扰等原因，使用时要适当加大。虽然北斗用户功耗较大，但采用间歇供电方式后总体平均功耗很低，适于野外站使用条件。

北斗卫星通信系统应用于水文自动测报系统中有许多优点：工作频段较低，雨衰较小，即使在暴雨时也不致影响其传输，符合水情数据传输的需要。

遥测站应用北斗卫星传输数据至中心站，有两种方式可供选择：

一种方式是采用点对点卫星链路两跳通信方式，经遥测站用户终端发送的数据首先经卫星中继传到地面网络中心，再由地面网络中心经卫星转发到水文自动测报系统的中心站。采用这种工作方式时，对于系统规模不太大（例如不超过30个站的情况）的中心站配一台管理型用户终端接收数据，在一个水文自动测报系统中，允许在另外的管理部门使用管理型终端，同时接收遥测站发送的数据。当水文自动测报系统包括的站点较多时，中心站可以配备指挥型北斗卫星终端，每个指挥型终端可以管理100个移动用户终端，且用速率甚高的USB通信接口往外输出数据，符合大型系统的使用需求。

另一种方式是将水文自动测报系统中心站接收各用户终端发送数据由中心站用地面信道和北斗网络中心建立连接，由网络中心直接下载数据。这样做的好处在于地面信道的速率和误码率特性有可能比卫星链路更好一些，同时只利用了卫星链路的一跳资源，节约了卫星线路资源。

水文自动测报系统中心站与北斗卫星民用网络中心的连接可以采用DDN专线、虚拟专线（基于Internet），固定电话用户PSTN拨号，以及GSM/CDMA手机用户的短消息等。接入方式有专线接入、互联网WEB接入、电话拨号接入和手机短信接入等方式。

专线接入方式是用户由租用的DDN数据线路，与北斗民用运营中心建立实时专线连接。或通过当地开通的互联网，由虚拟专线连接到运营中心。用户计算机运行客户端程序，即可以从运营中心自动实时下载所属北斗终端的业务数据。

还可以将各类指令信息和业务数据发送到民用运营中心，然后通过运营中心的北斗服务网关转发给指定的北斗卫星终端。

互联网WEB接入方式是用户通过电话拨号、ADSL、ISDN、GPRS/CDMA等方式接入互联网后，通过标准的WEB浏览器直接访问运营中心网站，通过用户授权验证登录以后，即可对所属的北斗终端进行历史数据查询、下载、呼叫北斗终端、群组呼、更改用户资料等在线操作。

电话拨号接入方式是对于无法接入互联网或互联网通信服务质量无法保证的用户，可以利用PSTN公共交换电话网络，连接北斗民用运营中心下载数据。

手机短信接入方式则是用户所属的北斗终端也可以按照规定格式将业务数据发送到北斗民用运营中心，然后通过运营中心的短信网关发送给指定的手机用户；或是用户按照规定的格式将短信息发送到运营中心的移动/联通特服号码，由运营中心的短信网关接收后，再由北斗服务网关负责将该信息转发到指定的北斗终端。

北斗星导航系统提供的上述业务功能可应用到水文遥测系统中来，建立水文卫星遥测系统，采用北斗卫星遥测设备组成的水文遥测系统具有如下特点：

卫星通信设备集成度高，天线尺寸小，安装简单，可缩短建设周期。系统设备功耗低，可用蓄电池和太阳能浮充组合供电。使用L波段通信，与Ku波段通信相比，基本不受雨衰的影响。通信费用按每次发送的包计费，可与电话一样实现月租，运行成本较低，不需申请专用信道，适合水文信息数据量小、信道利用率低的特点。传输时效及速率快，有3种时效保证。系统采用点对点或点对多点的通信，单个遥测站出现故障不会影响整个系统的正常运行。在中心站可监视系统的工作状况，出现故障不用像超短波中继通信方式一级一级地去检查，系统维护方便快捷。在中心站可通过远地编程，改变遥测站定时自报间隔以及传感器增量发送门限等。采用扩频通信机制易于实现码分多址，提高抗干扰能力和信息传输容量。

国际海事卫星系统简介。INMARSAT是国际海事卫星组织（现称国际移动卫星组织）的英文缩写，是INTELSAT（国际通信卫星组织）的姐妹组织。她在INTELSAT之后诞生，是一个利用GEO卫星（静止轨道卫星或同步轨道卫星）经营全球卫星移动通信业务的商业性国际组织，总部设在伦敦。INMARSAT系统在20世纪80年代初投入应用，初期业务主要是海事移动卫星通信服务，故称为国际海事卫星系统。到80年代末，其通信业务已遍及海陆空，更名为国际移动卫星系统。常被称为INMARSAT系统。

目前INMARSAT有4颗第三代同步卫星在轨工作，还有几颗作为备用，服务区覆盖了除南北极区以外地球所有地区，并划分为太平洋、印度洋、大西洋东和大西洋西4个洋区。我国属前两个洋区范围。世界各地建有若干个地面卫星站，在我国的地面站由交通部船舶通信导航中心管理。INMARSAT—C通信设备适用于低速数据传输，我国自20世纪90年代初开始应用INMARSAT—C终端进行水情数据传输的试验，开始采用TELEX方式，稍后即改用响应速度更快，收费相对低廉的DATA Reporting（数据报告）方式。由于C终端设备小巧，十分便于安装，且所用L波段没有雨衰问题，因而应用推广甚快。至2005年，我国已有近千台C终端使用于水文自动测报系统。

INMARSAT—C（有时亦称C站）数据传输速率为600bit/s，工作于L波段，上行频率为1.6GHz，下行频率为1.5GHz。具体范围是上行1626.5～1660.5MHz，下行为1525.0～1559.0MHz。使用全向天线。

INMARSAT—C系统由空间段、卫星地面站和用户终端3部分组成。

空间段包括了通信卫星，网络协调站（NCS）和网控中心（NOS）。卫星地面站（LES）为卫星和陆地网的连接枢纽。一个NCS、LES和多个MES（终端）构成子系统。

图3.9　INMARSAT—C终端外形图

作为用户终端的INMARSAT—C产品有很多型号。就其结构而言，分为电子单元和天线单元2部分，天线单元内包含了天线、发射机高功率放大器、接收机前级放大器等，电子单元负责调制解调、信号处理、数据收发、存储及和计算机或遥测终端机的通信联络。图3.9是早期的INMARSAT—C终端外形图，左边为电子单元，右边为天线单元。

后来推出的MiniC型产品将两者合并为一体，技术性能获得改进。

表3.2给 出 了INMARSAT—C终 端（TT—3022C）和MiniC终端（TT—3026L）的技术性能。

表3.2　C终端技术性能参数

INMARSAT—C终端已应用在水文自动测报系统中。水文自动测报系统中应用C终端的数据报告业务，传输水情数据到中心站，有2种方式。一种方式是MES—MES（终端—终端）方式。遥测站和中心站都配备C终端（或MiniC），在遥测站由遥测终端机和C终端组成MES从站，中心站由C终端和前置通信控制或计算机组成MES主站。遥测站的MES发出的数据报告，经由卫星转发器传到地面卫星站LES，然后再由LES通过NCS转发到自动测报系统的中心站（MES主站）。遥测站发送采用标准数据报告结构，LES转发采用专用查询包。INMARSAT—C数据报告传输示意如图3.10所示（其中卫星转发器和LES之间的通信使用C波段频率，上/下行为6GHz/4GHz）。

另一种工作方式是MES发出的数据报告，经由卫星转发器到达LES后，水文自动测报系统中心站通过地面信道PSTN、PSDN、DDN、GSM等线路，也可通过Internet和E-mail等通信链路，从船舶通信导航公司管理的卫星地面站取得数据。只要地面信道足够快，数据报告的整体时延要比第一种方式小，另外由于只使用卫星通信一跳资源，运行费用亦可降低。

水文自动测报系统采用C站组网时，卫星地面站给每个系统分配了一个封闭网络号（或称组号）DNID。每个封闭网络（组）允许有250个从站用于遥测站；5个主站用于自动测报系统的中心站或功能相当的数据接收中心。每个从站和主站在该组中都有自己的成员号（Member），或称之为序列号。主站和从站必须在同一个洋区，当C站登陆（登录）入网后，即可传送数据报告。正常情况下MES—MES采用“非预约”方式的数据报传送，经过两跳传输时的时延为40s。当网络繁忙时，传输时延增加到1～3min，个别情况还可能更大。特别是在几年前，在每日整8∶00水情数据传输业务特别繁忙时，通信受阻的情况常有发生。针对这一问题我国卫星地面站于2003年开始对C系统进行了升级改造，信道容量增添了几倍，而且根据整点传输的要求，引入了信道预约分配机制，从而保证了数据通信的畅通率，传输时延恢复正常。如果采用上面提到的第二种方式，各中心站由地面信道直接从卫星地面站提取数据，时延可进一步减小。

图3.10　INMARSAT—C数据报告传输示意图

INMARSAT—C系统的覆盖面很广，使用小型全向天线，功耗较低，通信可靠性不会受“雨衰”影响。所以，INMARSAT—C系统也具有北斗卫星遥测系统的很多特点，比较适于水文自动测报系统应用。

VSAT系统简介。VSAT是“Very Small Antenna terminal”的缩写，意为甚小天线口径终端，有时也称之为卫星地球小站。VSAT有很多型号，本节所述是指水利部在20世纪90年代租用定点于东经100.5°的亚洲二号通信卫星的转发器，组成的水利部门专用的VSAT系统。它工作于Ku波段，上/下行频率是14G/12G。北斗卫星通信系统和IMMARSAT—C系统在水情数据传输中只适用于低速数据传输且数据报告方式限制了数据量。在有批量数据及高速率要求时，就需要采用其他卫星通信终端，改用高增益定向天线，提高设备的数据传输能力。在Ku波段工作之锅状天线直径为1.2m时，波束半功率瓣宽为1°，增益达42dB左右。如采用更大口径，增益将更高，从而可使通信带宽加大。

水利部专用的VSAT系统主要用于较大数据量的传输，也曾经用于水文遥测站。

水利部专用VSAT系统是用于水情信息传输的专网，由空间转发器，地面网络中心，和各级用户站组成。网络中心建在北京水利部。中心站选用休斯网络系统公司（HNS）的主站设备，使用6.1m直径的卡塞格伦天线，传输带宽27M，发射功率100W，总管专网内话音和数据业务。在各流域机构同样配备HNS的卫星通信设备，天线口径为4.5m，发射功率16W，有10个话路，数据速率128kbps，最高达4Mbps。在地区一级水情中心部门，使用HNS的TES或PES卫星通信终端，天线口径一般使用1.8m或2.4m，也可选用3m或3.7m以满足较大业务量的需求。TES主要用于通话，也可提供64kbps的同步通信，用于异步通信则速率最高为19.2kbps。TES设备具有RS—232、RS—422、V.35接口，便于和各种数据终端相连。PES主要使用于数据通信，入境速率分别为64kbps、128kbps、256kbps等级，出境速率为256或512kbps，PES设备可支持2路IP话音业务。

上述VSAT系统按星形结构组网，配置于地区一级以上水文和水情中心部门，应用中发挥了很大作用。

鉴于VSAT设备耗电甚多而野外供电能力有限，要求用于水文站的VSAT设备能适应间断供电的工作条件，并应具备启动时间短的特点。在当时的实际使用中选择了Gilat公司的VSAT设备，配用1.2m或2.4m天线，射频发射功率分0.5W和1W两档。天线口径和发射功率的选择根据遥测站的地理位置决定，这是由于卫星转发器波束方向性因子对各地不相同，使各地链路余量不太一致而造成的。VSAT小站同步通信速率为64～128kbps，用于异步通信最高速率为38.2kbps，遥测水情数据传输大多采用9600bps。图3.11为Gilat公司制造，用于遥测站的VSAT天线和室外单元外形图。

图3.11　VSAT天线和室外单元图

应用于水文自动测报系统中的VSAT系统其工作过程如下。系统中遥测站上的VSAT将数据终端（DTE）发送的数据，通过卫星网络传输到水文自动测报系统中心站的VSAT，再送给中心站的通信控制机。在VSAT通信系统看来，遥测站和中心站的地位是对等的。显然遥测站发送的数据也可以传输到配有VSAT的其他数据接收部门。VSAT卫星网中的数据传输服从X.25规程，数据终端和VSAT间的接口按X.28协议完成由异步至X.25的转换。用户和VSAT经RS—232接口相连即可。

VSAT系统点到点的数据通信过程也要经过呼叫建链，传输数据和拆链等过程。从上电开始至建立虚电路连接，大体用时为2～5min，用户数据终端在侦知链路已建立成功后，即可经由VSAT进行数据传输，在获得接收方的确认回执后，始发方即可拆除链路。为省电起见，随后即可切断对VSAT的供电。整个过程将在10min以内完成。对于数据量很小的水情信息，为简单起见，可以在呼叫的同时，按规定格式把目标方VSAT识别号，原发方VSAT识别号和要发送的数据一并送入VSAT，由VSAT完成呼叫建链和传输工作，待收到目标方确认回执后再拆链。整个过程时间将大为缩短。

由于VSAT点（遥测站）到点（中心站）的数据传输是在呼叫建立的“虚电路”上进行的，数据传输时延很小，仅为卫星链路两跳的时间（0.54s）。而INMARSAT—C系统的数据报告采用存储—转发机制，传输时延最小也得40s左右。而且VSAT每次传输的数据量也可大得多。这是其优点。不过，对水文遥测站来讲，大数据量的传输并无必要。

VSAT应用中的主要问题在于使用Ku波段传输，“雨衰”影响严重。在这个波段，卫星链路的无线电波传输损耗在暴雨时明显增大。实际使用表明，当雨强超过1mm/min时，传输往往被中断。这一缺点对服务于防汛的水情数据传输是不能接受的。使用备用信道传输数据和在暴雨过程结束时立即补发数据的补救办法也不能满足防汛水情数据传输要求。

由于VSAT小站功耗较大，野外使用时大都采用间歇供电方式。从上电到小站设备锁定于系统网络需要一定的时间，相对于实际通信而言，开启时间要大得多。较大的功耗需要交流供电，带来不少问题，也增加了水文遥测站的运行经济负担。

此外，VSAT系统对天线安装有十分严格的要求，要求有稳固的基础，并精确调整仰角和方位角。

我国在水文自动测报系统中应用VSAT传输遥测水情数据，始于20世纪90年代中期。由于上述的问题，现在的水文自动测报系统已很少使用VSAT小站作为水文遥测站的通信设备。

如配置于地区一级以上水文和水情中心部门，用于较大数据量的传输，VSAT系统还是合适的。

全线通卫星通信系统简介。全线通卫星通信系统亦工作于Ku波段。卫星移动通信终端（ACU）外形如同白色的半球，通信单元、射频功放、射频接收放大器和天线及天线和GPS等全集成在内，直径29.2cm，高17.1cm，相当小巧。采用码分多址技术。ACU发送数据的速率为165bit/s，而经由卫星地面网络中心转发给ACU的速率则高达15kbit/s，信道误码率1×10－5，传输中有效的差错控制措施，可使用户数据误码率小于1×10－7。

图3.12　全线通终端ACU外形图

ACU点对点通信的传输用存储转发机制，最快可于30s内完成，全线通数据包的容量可以大至1900个字符，按字节流量计算费用。

在遥测站使用ACU也可采用间歇供电办法，以降低功耗，ACU从开启电源到锁定于系统，可进行通信的启动时间约为1min。

全线通终端ACU的外形如图3.12所示，性能指标如下：外形尺寸为29.2cm×17.1cm；重量为5kg；工作温度为－40～＋70℃；电源为9～32V直流电源；功耗：最大功率60W，最大工作电流5A；在空闲状态下功耗不足10W；休眠状态下的功率仅30mW，电流为2.5m A；频率范围：Ku波段；天线最大增益：19d B；终端接口：RS—232C；相对湿度为0～95%，不凝露。

全线通卫星通信系统与VSAT系统一样，“雨衰”影响严重。当雨强超过1mm/min时，传输往往被中断。但全线通卫星终端使用全向天线，体积小，便于安装，其功耗也低一些。

全线通卫星通信在水文自动测报系统中有过很少量应用。

前面介绍的卫星通信系统，都利用地球同步轨道卫星进行转发。除此以外，还可以利用静止气象卫星进行水文数据传输。20世纪80年代，在我国的风云二号气象卫星规划中，曾考虑过将其一部分功能用于水文站数据遥测。为此，水文部门进行了设计准备，并引进国外设备，利用国外气象卫星进行了试验。风云系列气象卫星是地球同步轨道卫星，主要用于气象遥感。用于收集地面气象站信息的终端体积小，功耗低，应用波段没有“雨衰”问题，很适合水文站应用。但一般不能对每个站点进行“召测”。我国至今没有应用气象卫星收集水文数据。

使用非同步轨道卫星也能收集水文测站的数据，我国曾经进行过应用极轨卫星来收集水文测站的数据。极轨卫星绕地球转动，并且每一圈都经过地球南、北极。每颗极轨卫星每天绕地球转几圈，由于地球的自转，极轨卫星每次转动中覆盖地球上不同的经度地区。极轨卫星系统一般有几颗卫星，经过合理安排，可以保证任意地区上空每天都有多次卫星经过，可与地面终端通信。也就是说，每隔几小时可以传输一次数据。由于不具备实时通信能力，水文数据要在站上存储，当有通信机会时，一次发射到中心站。极轨卫星通信系统只能用于收集水文资料的水文站，不能用于报汛站。极轨卫星通信系统只在我国水文站上进行过试验，没有实际应用。

中、低轨道卫星也可用于卫星中继通信，主要是低轨道卫星系统。由于轨道低，星地间传输损耗大为减少，可以使用较低增益的无线和发射机功率，十分有利于地面用户通信设备的小型化，也经济简单些。低轨卫星系统不是地球同步轨道卫星，但作为一个系统，可能有数十颗卫星在绕地球转动，能保证地球上任一地区上空、在任何时候都有卫星，可以保证数据传输。低轨卫星系统可以用于水文数据传输，但还没有应用过。

卫星种类很多，发展也很快。从理论上讲，还有很多卫星都能应用于水文数据通信。

以上介绍了一些常用和可用于水文自动测报系统的卫星通信系统，对水文自动测报系统来讲，它们有所选用的不同卫星终端也有各自特性。在实际选用时，应注意以下问题：

1）通信的实时性。以卫星为中继，通信传输数据时会有一“时延”，用以建立通信链路和传输数据。一般的时延在8s至几十秒，当网络忙碌时，可能更长。有一些卫星终端开机上电后，到锁定于系统网络要经过一定时间，不能一上电就工作。有一些卫星通信信道在业务繁忙时，会有通信受阻的可能，使数据传输发生较大的延迟。这3种情况会在不同程度上影响数据传输的实时性。有的还影响测站的功耗。

2）卫星终端的功耗。水文自动测报系统的测站大都在水文站以下的地区，基本不能依靠交流电源。普遍应用太阳能电池充电的蓄电池供电，不能承受较大的功耗。VSAT站小站的功耗较大，开机时间又长，也是其不能用于水文测站的原因。

3）运行经费。不同的卫星通信有不同的收费标准，收费也因服务业务不同而不同。长期运行时，运行经费是应事先考虑的问题。

4）设备维修。卫星终端都必须由原生产经营部门维修，选用时要优先考虑经营规模大的，已较长时间在我国运行的公司产品。

5）通信可靠性。卫星通信系统，包括卫星终端机都具有较高的设备可靠性，其设备故障率一般都能满足水文数据传输要求。各种原因引起的通信时延也是影响系统可靠性的因素。使用交流电或较大功耗都会增加测站供电的不可靠性，影响通信可靠性。

6）特别要考虑应用环境对通信传输可靠性的影响：“雨衰”是首要的考虑因素，使用Ku波段的VSAT系统和全线通卫星通信系统不能在较大降雨强度时保证通信，也就难以在水文测站上应用。

7）地点影响：理论上卫星中继可以覆盖大范围内的测站，中继通信不受地点影响。实际上在某地球同步卫星的覆盖范围边缘地区，信号会明显减弱，如高纬度地区，要采取增大天线增益等方法保证通信可靠性。在高山深谷地点，地面站和卫星之间也可能被山峰阻挡而不能通信。

按照多年实际使用情况，结合上述实际选用中应注意的问题，现在建设的水文自动测报系统普遍选用我国自己建立的北斗卫星通信系统。比起其他卫星系统来，它的通信可靠性、通信实时性、运行经费、功耗、设备安装维修都在优势。还有少量选用海卫星系统，已基本不选用VSAT系统和全线能卫星系统。

短波通信。短波是频率在3～30MHz（波长为100～10m）的无线电波，它有2种传播方式：一种是沿地球表面传播，称为地波，由于受地球球面结构的影响，地波的传播距离较小，一般只在几十千米的范围之内；另一种传播方式是天波，当短波段的无线电波射向天空时，在遇到60km至几百千米高空范围内的电离层时，它被反射回地面，可以实现几百千米乃至几千千米的传播距离。当短波在被电离层反射回地面，由地面反射回天空，并再次由电离层反射回地面，多次反射的结果，可以形成环球传播通信。电离层的特性，所用短波频率，向天空的入射角等因素决定传播距离的远近，频率过高将使电波穿越过电离层，不再被反射回来。

60km以上的大气层，在太阳光的辐照下，稀薄的大气被阳光中的紫外线和X射线等所电离，分解为带正电的正离子和自由电子，同时这些带电的粒子，由于运动碰撞而复合中和，平衡的结果使高空大气层保持有一定的带正电的正离子和自由电子浓度，构成电离层。由于不同层高所受太阳辐照强度不同，离太阳近的高层受辐射强度大而正离子和自由电子的浓度大，靠近地面的层浓度低。所以，电离层分成D、E、F1、F2四层。其中D层和F1层只在白天出现，夜晚此两层消失，夜晚时，E层和F层的电子浓度也降低。当然，这种分层现象是渐变的。D层和F1层的形成是在清晨日出时出现，而消失则是在傍晚日落时。

电波进入电离层后，电波能量被吸收形成传播损耗。对于短波频率范围的电波，将在电子浓度高达某一数值的电离层高度上反射回地面。电波在被电子浓度大的电离层反射回地面之前，在电离层中要传播一定距离，其能量被部分吸收掉。

电离层中电子浓度大，电波的吸收衰耗大，而频率高则吸收衰耗小。白天各电离层的电子浓度大，可以使用较高的频率，以减小电波在反射回地面前途经电离层的传播损耗。夜间，由于各电离层电子浓度减小，如仍使用较高频率，电波将穿过电离层，不再反射回地面，因而采用较低的频率。好在夜间电子浓度变小，补偿了由于频率降低对传播损耗的影响，故短波传播白天和夜晚采用的频率不同。应根据电离层电子浓度的变化，选择合适的日间频率和夜间频率。

地面上A、B两点间的短波通信，A点发出的不同仰角的波束，将在电离层不同高度处被反射回B点，在合适的条件下还可能有经电离层二次以上反射的传播途径。接收点的信号是这些不同传播途径电波射线的相干叠加。这些射线在电离层中经历的长度不同，传播损耗不同，相移也不相同。因而在接收点各条射线相干叠加时，相互间可能是相助的，也可能是互消的。电离层中电子浓度又随太阳辐射强度而变化，各条射线传播途径和吸收衰减及相移也随之而变。这种短波传播的多径现象，使接收点信号强度不稳定，有起伏不定、时大时小的现象。这就是多径传播造成的衰落现象。

每天凌晨和傍晚，正是D和F1电离层开始形成以及逐渐消失的时间，电离层中电子浓度变化比较激烈。在这两个时间，选择的日间频率和夜间频率都不合适。加上多径传播造成的衰落，短波传播接收点的信号强度会有激烈变化，严重影响通信质量。

短波传播虽可完成远距离的通信，但由于传播的复杂性，需要根据电离层的变化变更通信频率。衰落现象又无法从根本上清除。因而应用短波都限于窄带通信，数据传输速率大多限于300～1200bit/s，且误码率较大，通常为10－2～10－3量级，清晨和傍晚更差。

频率为3～30MHz的短波在天波传播方式时，它可经由100～500km高空的电离层反射，而达到几百千米乃至几千千米的距离。由300km左右的F层反射是其主要途径。国内的水文自动测报系统，应用短波完成几百千米距离的水情数据报汛，已有多年历史。由于短波信道传播的衰落问题，其通信质量受到很大限制。如不采取特殊技术措施，对于数据传输，即使用低的速率，误码率仍然较高，难以做到优于10－3，数据传输可靠性不能得到确保。因而近年来，远距通信已转为卫星中继通信或采用GSM信道。

短波通信的最大优点是可以应用电离层反射达到远距离通信目的，不受高山阻挡的影响。其最大困难也在于电离层的昼夜变化和反射的多径效应造成的衰落，信号不稳定，从而影响数据传输质量。对短波通信衰落问题曾进行了长期的多方面研究，如近代应用自适应技术，随时改变系统参数，以适应信道的变化（包括频率自适应，功率自适应，信道均衡自适应，传输速率自适应等方面），采用针对衰落信道的信道编码方法和专用调制解调器等，使数据传输质量有了极大提高，因而短波通信仍有相当多的应用，尤其在军事方面。但这些设备和技术相当复杂，难以在水文站普遍使用。

对于水文自动测报系统而言，若采用短波信道，应注意的要点是：①根据区域短波最高可用频率MUF日变化及季变化的预报值，选定最佳工作频率（OWF），它一般取为MUF的80%。由于MUF的日变化，在不同时期并不相同，在实际使用中难以随时更改工作频率，故一般选定日间频和夜间频两个频点。该两频点应不高于最佳工作频率。图3.13为某地的OWF日变化曲线，图3.13中的2条实线指OWF的范围，虚线指实际选用的日间频和夜间频。②选用性能优良的短波电台和专用于短波的调制解调器。短波电台的发射功率最大值约为100～200W，电台的发射功率和工作频率应可方便地设置，并应具有很高的稳定性；专用调制解调器应具有抗衰落能力。③数据传输速率一般选用300bit/s或更低一些，如采用较高速率，误码率特性将更趋恶化。④选用宽频带短波天线，以适应白天和夜间更改工作频率的需要。与超短波通常选用垂直极化不同，短波天线通长使用水平极化方式，以抑制地波的干扰。天线架高与天线方向图有很大关系，天线架高一般取为1/4波长。⑤短波电台的功耗很大，因而必须有上/下电控制，只是在数传时才予供电。且多采用测站主动发送方式（自报式）。⑥防止天线引雷。

图3.13　OWF日变化曲线

（3）多信道复合系统组网。综上所述，系统可选用的通信组网方式有超短波、公用电话线路（PSTN）、卫星中继通信（使用北斗卫星、Inmarsat、VSAT等）、移动电话（GSM或GSM/GPRS、CDMA）、短波信道（SW）等多种通信方式。各系统之间主要应用计算机网络通信。

每一系统的通信组网并不一定采用单一信道，更多的是采用多信道系统复合组网方式。

首先，要根据系统流域的自然地理特性，区间各站点的通信现状以及组建水文遥测系统的实践经验和当今通信及网络技术的发展趋势，选择可应用的通信信道。要考虑不同站点间数据传输的不同要求，同时要考虑到系统建成后便于运行管理，保证本系统信息流畅、有效和实用。还要考虑建设和运行费用。因此，在同一系统内会采用多种通信信道。

其次，为了系统的可靠性，有的系统或系统的某些重要站点要求采用主、备用信道进行混合组网。系统配备“双信道”，互为备份。当主信道出故障时，自动切换到备用信道；主信道恢复正常时，即返回主信道传输数据。整个网络测站数据平时由主信道直接传送到中心站或分中心站，紧急情况下还可启用双信道并行工作。复合组网还包括分中心（或集合转发站）到中心的通信网络，也有多信道的特征。随着系统规模的扩大、国家防汛指挥系统的建设，多信道系统复合组网已越来越多地投入了实际运用。