基于衛星通信的水文遙測通信系統

陳釗正 ，陳福春 ，鞏懷永 ，彭 英

（1. 江西省高速公路聯網管理中心，江西 南昌 330003；2. 江西省水文局，江西 南昌 330002；3. 北京金水燕禹科技有限公司，北京 100089）

衛星通信是解決偏遠及公網覆蓋能力不足地區信息傳輸和應急搶險機動通信的主要手段，也是地面通信網的重要補充和備份通信手段。衛星應用關系到國家利益和安全，為世界各國所重視，歐美發達國家和地區逐漸加大在衛星領域的投入；我國自 20 世紀 70 年代以來，也在衛星領域取得了很多突破。目前，我國衛星通信業務已覆蓋了公安、交通、氣象、證券、海關、遠程教育等 100 多個領域，在國民經濟建設中發揮了重要作用。

為提高防御水患的能力，滿足水利新業務的需求，更替改造了 1994 年水利部建設的衛星通信系統。目前新一代衛星通信主站已改造完成，采用了27.2 MHz 衛星頻段，相較于原有系統，系統性能和適應性得到了較大程度的提升，衛星通信小站的建設和運行維護成本得到了大范圍的降低，針對防汛測報、應急響應搶險、傳感遙測圖像數據等實時性強和敏感度高的水文防汛信息進行傳輸和保障，在通信保障、應急處理、信息管理等方面起到了重要的支撐作用[1]。

江西省水文監測系統建設具有分布分散，組網困難，常規通信手段穩定性不高，通信質量不強等難點，為提高江西省抗災救災能力和信息化水平，必須構建組網方便、通信質量高的通信方式。鑒于新一代衛星通信的優勢，江西省洪水易發區構建了一套基于水利部新一代的寬帶衛星通信主站平臺的通信系統[2]。

1 衛星通信主站平臺

水利部新一代的寬帶衛星通信主站平臺支持靈活的網絡拓撲結構系統[3]，基于標準的 IP 協議平臺，實現 IP 技術與衛星通信技術的深層融合[4]。與傳統的支持 IP 協議的衛星系統相比，實現了速率的優化；在抗雨衰方面采取 22.2 MHz Ku 波段和5 MHz C 波段相結合，共同組網構建 DVB-S2 網絡，采用 Ku 和 C 射頻單元及天線同時上傳。衛星通信系統組網如圖 1 所示，主站、分中心小站、便攜式小站等均通過衛星進行連接和通信。

衛星主站網絡模塊如圖 2 所示，網絡拓撲結構采用星型結構，通過衛星鏈路向各類小站提供廣播、水文專網和公網等數據的訪問發布服務。衛星通信系統按照功能主要分為遙測站、中心站及衛星小站 3 類，由于功能定位不同，3 種小站的主要配置也不同。

圖1 系統組網示意圖

圖2 衛星主站網絡結構示意圖

2 遙測站

江西省水文監測系統遙測站采用太陽能能源模式，根據對不同通信方式的遙測水位站、雨量站供電系統的估算，本系統水位站將配置 65 A?h/12 V 容量的蓄電池和功率 40 W 的太陽能板及充電控制器；雨量站將配置 38 A?h /12 V 容量的蓄電池和功率為30 W 的太陽能板及充電控制器。構建基于衛星通信的雨量遙測通信傳輸站點，采用基于衛星 + GPRS的混合通信模式，在站內設置相關管理局域系統，對采集的相關數據進行處理后，根據當時通信的實時環境選擇采用衛星模式還是 GPRS 模式進行數據的實時傳輸；根據各水位和雨量站點水情信息傳輸的距離、路由、自然地理條件、起止地點的通信條件，按基本要求選擇相適應的通信方式[5]。遙測站示意圖如圖 3 所示。

圖3 遙測站示意圖

水情自動測報系統常用的數據傳輸通信方式有衛星，超短波，PSTN，GSM，GPRS 等方式，通信方式的分析及比較如下：

1）衛星通信。衛星通信具有覆蓋面積大、組網靈活、可靠性高、維護簡單、建設周期短等優點；但衛星通信終端設備價格較高，系統運行費用相對于超短波和公用通信網而言較高，因而受到投資額度的限制。

2）超短波通信（VHF）。超短波通信是水文自動測報系統應用最廣泛、成功的一種通信方式。它的傳輸質量介于短波和微波通訊之間，既克服了微波通信的局限性，又比短波通信的質量穩定、可靠；缺點是通信距離較近，受地形影響較大，遇高山或其他障礙物阻擋，通信困難易中斷。

3）公共交換電話網（PSTN）。PSTN 具有適用范圍廣，傳輸速率高，沒有無線通信中常有的同頻干擾問題等優點，且采用 PSTN 組網無論是設備造價還是運行經費都明顯低于其它無線信道組建的專網。

由于 PSTN 通信采用電路交換方式，在建立通信連接過程中需花費一定的時間。在電路的響應速度上，若采用專用的調制解調器，一般 1 個報汛站的數據通信在 3～6 s 內即可完成；若采用通用的調制解調器，通信鏈路的建立大約需要 40 s。當所建系統容量較大時，時效慢的問題較為突出，可通過在數據接收中心站安裝多條同號電話線和配置專用 Modem 予以解決。PSTN 屬有線通信信道，由電話線構成的引雷，極易造成設備因雷擊而毀壞，因此在建設防雷地網的同時需配置相應的避雷設備。

由圖5的仿真結果可以看出，改進后的子空間跟蹤算法比PASTd算法引起的信號子空間估計誤差要小，在信噪比小于8 dB時，該誤差幅度較為明顯。同樣的，由圖6的仿真結果可以看出，改進后的子空間跟蹤算法比PASTd算法引起的噪聲子空間估計誤差要小，在信噪比小于8 dB時，該誤差幅度較為明顯。

4）GSM 短消息。GSM 無線數據傳輸技術是數據和移動 2 種通信技術的有機結合，GSM 無線數據業務使得人們不受空間、地域的限制，可隨時隨地獲取所需信息。在我國已經建成覆蓋全國的 GSM數字蜂窩移動通信網，并提供話音、短信和數據業務。隨著 GSM 通訊協議專用模塊的推出，GSM 的各項業務已不僅僅應用于手機通信領域，也應用于其它領域的通信需求。專用模塊具有易于開發的通訊接口和協議，這為短消息業務應用于水情測報系統的開發工作創造了很好的條件。雖然短消息業務（SMS）一次最多只能傳輸 140 個字節信息，但用于水情數據的實時傳輸完全可以滿足要求。

5）GPRS。GPRS 是在現有 GSM 系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數據業務。GPRS 采用與 GSM 同樣的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則及 TDMA 幀結構，這種新的分組數據信道與當前電路交換的話音業務信道極其相似。GPRS 允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的、頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，可為水情數據的傳輸提供更為可靠和快速的通信網絡。目前 GPRS 可按流量或運營商提供的套餐標準進行計費。

由于洪水易發區常伴隨發生地質災害，PSTN 通信方式在洪水期可能失效，因此本項目采用無線通信方式，以 GSM/GPRS 信道作為水情遙測主信道，目前改建的 61 處水文、水位站及 7 個分中心站采用水利部新一代的寬帶衛星通信主站平臺作為備用信道，在 GSM/GPRS 地面設施設備受到意外災害和損毀時，采用衛星通信系統保障防汛水文測報數據的實時通信傳輸。

3 中心站

中心站為水情（分）中心的計算機網絡，提供網絡設備、供電設備、防雷設施及配套土建，可直接利用現有資源。根據水雨情信息的傳輸方式和充分利用現有資源不重復建設的原則，確定在水情分中心配備接收設備，各個分中心、省中心均配備接收處理計算機；省中心配置圖形工作站、數據庫與信息發布服務器；中心站均配置有 UPS 電源，不再為衛星接收設備配置蓄電池，只需配置 AC220－DC24 交流穩壓電源即可；中心站通信值守軟件可以通過 RJ45 口以 TCP/IP 或 UDP 方式接收衛星數據，因此不再配置串口轉換器。中心站架構示意圖如圖 4所示。

圖4 中心站架構示意圖

4 衛星小站

水利部新一代通信系統中，Ku 波段使用 1.2 m天線，C 波段需使用 2.4 m 天線，C 波段衛星小站及配套設備比 Ku 波段的貴 50% 左右，因此選擇 Ku 波段小站可降低系統造價，減少工程量，降低系統維護難度。

水利部 idirect 衛星現有測試環境均基于 Ku 波段，經測試基本滿足遙測系統使用要求，而 C 波段通信情況則沒有一手數據。

Ku 波段雨衰問題，可以通過暴雨間隙或雨后及時補報來彌補。特殊情況下，還可以通過衛星 IP 電話進行人工報汛。

4.1 衛星小站基本功能

選擇的衛星小站及配套設備應具備數傳、上網、通話功能；如個別站點需要增加電視功能，則應配置衛星電視接收機 1 套，但只能接收亞洲 5 號衛星上的節目（只有少數高清臺，且有的為加密節目，國內節目基本沒有）。

4.2 衛星小站安裝要求

衛星小站要求嚴格按照相關規定進行安裝，安裝模式如圖 5 所示（圖中尺寸單位為 mm），具體安裝要求如下：

圖5 衛星小站地基平面安裝示意圖

1）5 m×5 m 范圍內無障礙物，正南、東西 45°，仰角 ≥10o 范圍內無遮擋；

2）需 4 個 500 mm×500 mm×300 mm 水泥墩和鋼架。

5 結語

據分析，衛星通信網絡規模越大，使用效果越好，效益就越明顯[6]。根據江西省水文監測系統建設工作的實踐，衛星通信主要具有以下優勢：

1）應急搶險機動通信。在水利應急機動通信系統建設中，可充分利用水利衛星通信網建設應急移動指揮車，并適量配備便攜衛星通信設備。

2）“兩小”通信預警。地處偏遠的中小河流、水庫治理工作，可因地制宜采用水利衛星通信進行通信預警和信息測報系統建設。

3）水雨情信息采集。地處偏僻的水雨情監測站，可利用水利衛星通信進行報汛，同時，水利衛星通信也是水文測站信息傳輸合適的備用通道，特別是遇特大暴雨洪水，公用通信網絡遭損毀導致通信中斷時，可采用衛星信道及時將水情信息發送至水情中心，并可通過衛星電話與各級防汛指揮部門聯系。

4）數據、圖像廣播。充分利用衛星通信廣播功能的優勢，推動水雨情數據分發、瀏覽和接入，遠程教育及電視會議廣播等業務。

5）異地會商和視頻監控?？衫盟l星通信，適當發展偏遠地區水利單位的異地視頻會商和重要防洪地點視頻監控系統。

目前水利衛星通信系統中 GPS 與北斗衛星還沒有實現雙模雙工的工作模式，現有衛星通信與原有測報系統還沒有完美的結合；下一步應致力于構建一套融合原有測報、衛星通信、GPS、北斗衛星的系統平臺，進一步擴大視頻監控的功能、范圍和作用。

[1]張建剛，祝明. 水利衛星通信對星指向數據計算及應用[J]. 水利信息化，2013 (3): 34-37.

[2]陳福春，周俊峰，歐陽任娉. 江西省水文基礎設施建設“十二五”規劃[J]. 江西水利科技，2011 (6): 24-25.

[3]陳福春，鄧凌毅， 周俊鋒.《江西河湖大典》評析[J]. 江西水利科技，2011 (12): 13-16.

[4]陳福春，張穎. 江西水文站網現狀與發展分析[J]. 江西水利科技，2011 (6): 3-8.

[5]關興中，陳福春，羅嗣林. 江西省水情中心建設設計[J].水資源研究，2005 (3): 21-22.

[6]丁軍，高廣利，張為. 水利衛星通信系統存在問題域需求[J]. 衛星與網絡，2010 (1): 12-14.