胡长元

（青海省气象信息中心，青海 西宁 810001）

0 引 言

在气象监测的整个区域中，自动气象站占据着举足轻重的位置且承担着重大任务。其需要处理监测的数据，并及时反馈给监控中心，使监控中心了解到相关数据后完成汇总及整理工作。在传输的整个阶段里，数据通信质量是重中之重，对大部分气象业务的整体水平具有较大影响。依据通信方式的差异性，可将现阶段的气象数据通信模式分为有线遥测和无线遥测两种。其中，无线遥测可通过CDMA、GSM、GPRS及卫星移动通信等技术实现。前3种技术不会花费过多成本，也不会产生较大功耗，但容易被外界环境影响，在环境条件十分恶劣的情况下，将直接影响通信，造成传输中断等不良状况。而北斗通信系统不会被外界条件所干扰，可实现全天候运转，并始终呈现正常状态。其自身虽具有灵活性特点，但不可避免存在一定的缺点，如带宽较小，很难满足气象数据传输需求。因此，需要制定与北斗系统相一致的短报文通信协议[1]。

1 北斗卫星导航定位系统简介

北斗卫星导航定位是全球4大卫星导航系统之一，分为北斗一代和北斗二代两个发展阶段。在2000年10月31日和12月21日我国成功发射两颗北斗一号，之后在2003年5月25日成功发射第三颗。通过结合3颗北斗一号的相关信息，构成了具有通信功能和区域性有源定位的卫星导航定位系统，为东南亚和中国提供多方面的服务。在2012年，北斗卫星导航系统已经大面积覆盖亚太领域，并且在2020年实现30余颗北斗卫星全球组网，形成具有高精度的北斗卫星导航系统，具备短信息通信功能[2]。北斗二代信号覆盖诸多领域，如太平洋水域、日本海、岛屿、南沙群岛、台湾、沿海地区以及大陆等，其主要具有3种功能。

1.1 定位导航功能

北斗终端机可以快速实现范围广、高精度且全天候地定位，主要运用在设备和交通工具的导航与精准定位，同时也能应用在灾害的预报监测、勘探以及测量等其他领域[3]。

1.2 精密授时

北斗终端具有精密授时功能，具备20 ns的双向精度和100 ns的单向精度，能够实现一天24 h传播。而且具有可靠性高、范围广以及精度高等多种特点，同时还为电力领域和通信领域提供了高密度的同步时间[4]。

1.3 短报文通信

北斗卫星能达到报文通信的要求，不被如环境变化因素和地理条件因素等多种因素影响。将北斗卫星应用在偏远地区，不仅能实现警情和灾情应急通信，还能在多方面实现报文通信。北斗短报文通信一次最少能传输60个汉字，最多能传输120个汉字，而且服务频度最高时可达到一秒一次。此外，其具有一定的稳定性，迄今为止，已不断应用在多种气象数据传输领域，如探空、水文观测以及气象观测等。在前些年汶川地震时，地面信号断开，在此形势下，利用北斗卫星对堰塞湖水位进行有效检测，不仅为相关部门提供了保障，还为减灾部门科学救灾提供了通信服务[5-6]。

2 自动气象站数据传输特点及方式

2.1 气象数据观测及传输的特点

气象数据观测及传输具备以下5种特点。第一，为收集较大区域的观测数据，气象数据应具备较多的观测点。第二，气象数据实时性要求较低。气象数据也是原始数据，能精确且及时地传输到相关管理中心，并在多种领域发挥作用，如探空、水文、灾害预警以及天气预报等[7]。第三，气象观测稳定性要求较高。气象数据在较差的环境下尤为重要，要求其一天24 h都保持稳定运行。第四，数据量小而多。自动气象站观测项目主要包括雨量、相对湿度、气温、气压、风速以及风向等，对此拓展之后，还能观测到底纹等其他气象要素，采集频率非常快，在5～10 min就能采集较多的数据[8]。第五，气象数据保密性要求较高。由于气象水文数据涉及到多种领域，如国家安全和国计民生等，因此在传输时应进行加密[9]。

2.2 自动气象站数据传输方式

现阶段，气象数据传输的通信方式主要有超短波（VHF）、海事卫星C（Inmarsat）公共交换电话网（PSTN）、GPRS以及SMS/GSM短信等。其中，超短波（VHF）是地面可视通信，主要用于平原地区的短距离通信，优点是通信质量好、稳定性高、受季节和昼夜变化的影响小、投资少以及建设方便等。主要缺点是容易被地形所干扰，在丛林地带、山岳以及各个建筑物的作用下，电波将会受到不同程度的影响。由于受到多种阻碍，会导致出现通信中断的不良状况，因此需要建设中继站，从而增加了建设成本。海事卫星C（Inmarsat）是卫星通信，在两方面的应用较为广泛，一是海陆空商用，二是安全卫星移动通信。其优点是易于快速实现大范围完全覆盖且抗干扰能力强。缺点是经验成本较高[10]。公共交换电话网（PSTN）是有线通信，优点是通信费用低、覆盖区域广以及易于使用等。缺点是需要布线、抗灾能力低、维护费用高、线路质量差以及传输速率低等。GPRS和SMS/GSM短信是通过移动通信网络进行信号传输，费用较低。随着通信技术的不断发展，移动通信技术已经非常成熟[11]。目前已经覆盖了绝大部分区域，通信资费也在逐年降低，且具有传输速率高、传输距离远、组网简单、通信资费低以及覆盖面积广等优点。但其自身也具有覆盖范围不够广泛等弊端。此外，如果该区域信号条件较差，那么信号将无法保持稳定状态，且基站需要供电，因此一旦受恶劣天气影响，电力供应有可能中断，移动通信网络信号也会中断[12]。

3 北斗通信系统结构设计

3.1 系统的硬件设计

系统硬件结构如图1所示。对身处野外环境中的自动气象站配备了编码器和北斗通信型用户机各一台，同时也配备了适宜的自动气象仪。此外，电源供给中所选用的供电模式为太阳能供电。在北斗卫星系统的帮助下，野外大部分气象站均可完成数据传输。为了准确了解野外气象站传回的数据包，需在监控中心配备一台解码器和鱼台北斗指挥型用户机。本系统的核心单元为解码器和编码器，主要任务是识别和解析，并做好数据的协议转换工作。同时在解码器和编码器中配置具有较低功耗的ARM处理器芯片。

图1 系统硬件结构图

在执行相关功能指令的阶段里，相关代码烧写发挥着极为关键的作用。此外，在连接编码器、解码器以及北斗用户机的过程中，选用具有较高标准化程度的串口，为信号传输提供良好保障。在自主上报的工作模式中，编码器先对气象数据进行一定处理和转换，使其成为北斗协议格式数据，然后传至北斗通信型用户机，并在北斗卫星系统作用下传送到监控中心指挥机，之后由指挥机对信号解析处理后反馈至解码器，做出相应的处理后成为最初的气象数据，最后经过串口到达终端系统，即可完成本次传输任务。此外，在监控中心的帮助下，用户可及时了解到野外观测站气象设备的不同状态，完成数据重传指令的发送[13]。

3.2 传输协议与算法流程设计

在本方案的传输协议中，不仅将北斗系统的特点作为主要依据，还将气象监测系统作为参考重点，从通信频度和数据包容量方面对二者之间的不同之处进行处理。气象设备采集的数据规模较大，通常情况下，在7要素的自动气象站中出现的单个数据包规模远超过北斗通信容量，可以达到后者的3～4倍。北斗系统的通信频度往往会设置成两种，一种是每隔10 min完成1次发送，另一种是每隔1 h完成1次发送。在数据包分片的帮助下，完成北斗系统的建立。在北斗系统中，极高的通信频度具有显著作用，可将原本的数据分成为多个部分，使传输阶段更加便利。由于北斗民用通信协议中不存在丢包重发机制，并且当数据丢失后，北斗卫星系统不会受到较大程度的干扰且没有回执信息，因此一定要在协议中添加丢失重传机制，并融入对传输数据的校验。此外，本方案选用的是ASCII码传输协议，数据字段长度具有灵活性的特点，可依据实际情况进行改变，且运算符中涵盖了分片编号，有助于监控中心的准确判断，及时依据分片编号判断是否发生丢失[14]。

4 成功应用案例

目前，我国国民经济建设领域中已广泛应用北斗二号。随着北斗二号卫星定位导航系统数据报文通信功能不断创新和发展，其应用领域也逐渐扩大。我国目前存在以下两种类似的典型案例。第一种，国土资源部地质自然灾害监控系统利用北斗通信型用户终端，可使得各省监控中心和北京中心均可接收到观测点的裂缝及位移等观测量，并在后端完成数据分析和处理等。第二种，海岛气象数据采集与传输系统利用北斗通信型用户终端，使监控中心接收到观测点的温度、风速以及气压等数据，并在后端完成数据分析和处理[15]。

5 结 论

通过深入分析北斗系统的短信息数据传输功能，提出对北斗二号用户终端的利用方式，从而通过气象观测完成数据传输。目前，相关实际案例已经证实了此种传输方式具有可行性。