基于北斗卫星的自动气象站数据通信系统

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基于北斗卫星的自动气象站数据通信系统

周勇

(中国气象局发展研究中心，北京100081)

摘要：通信和供电问题是在山区、沙漠、海岛等处建设自动气象站所遇到的主要困难。依托国家高技术产业发展计划

项目建立的基于北斗卫星的自动气象站数据通信系统，为解决上述问题提供了一种可行方案，经过多年的业务运行，已被证 实切实有效。本文介绍了该系统的总体结构和远端站数据流程，并对数据压缩、太阳能供电和海岛站的特殊设计等关键技 术和工程问题进行了论述，对于气象及水利、林业、海洋、交通等相关领域类似业务系统的建设，具有一定的借鉴意义。

关键词：气象；北斗卫星；通信；自动气象站

doi: 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.03.003

中图分类号：TN96, P4

文献标示码：A

文章编码：1672-7274 (2018) 03-0010-05

AWS Data Communication System Based on Beidou Satellite

Zhou Yong

(CMA Development and Research Center, Beijing, 100081)

Abstract: Communication and power supply are the main difficulties in building automatic weather

station(AWS) in mountains, deserts and islands. In order to solve these problems, some key technologies including overall structure of the system, solar power supply and data compression have been searched. A satellite-ground hybrid communication system structure, a designed method of solar power supply system based on theoretical calculation and engineering practice, and a lossless compression encoding algorithm based on fixed dictionary compression technology to fit Beidou satellite short message communication features have been proposed. These new methods have been applied in the national High-tech Industrial Development Program \"Weather Observation Application Based on Beidou satellite pilot project\".

Keywords: Meteorology; Beidou satellite; Communication; Automatic Weather Station

i引言

观测数据是气象预报和服务的基础。除观测

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航 系统，具有快速定位、短报文通信和精密授时三大功 能，广泛应用于交通、海洋、气象、水利和测绘等领 域。应用北斗卫星承载气象数据通信业务已有多个 成功案例，在站网结构、数据流程、编报格式、压缩 编码、控制方式等方面也有了一定的经验积累[5-10]。对于山区、沙漠、海岛等处的无人值守自动气

象站，由于其环境条件特殊，采用北斗卫星通信 时，需要在供电、编码、监控等方面进行特殊设计。 依托国家高技术产业发展计划项目“基于北斗的气 象监测应用示范工程”，设计的无人值守自动气象 站北斗通信技术方案，已经在珠峰、内蒙古朱 日和、南沙群岛等地得到实施，数据传输完整率、 正确率和传输时效均能满足业务需求。该方案解

设备自身性能外，站网布局对于预报和服务质量也 有重要影响。实际工作中，气象观测站往往会受到 环境条件，难以布设到预报服务所需的最佳 位置，从而影响预报准确率或服务效果。通信条件

是其中最重要的制约因素之一。在电信基础设施较 差的山区、沙漠、海岛等处，问题尤为突出。目前， 卫星通信是国内外解决边远、偏僻地区气象通信问 题的主流方式，如：美国GOES卫星的数据收集系 统（DCS) [1]、日本葵花卫星（Himawari)的数据收 集平台（DCP) [2]、印度INSAT卫星的数据中继转 发器系统（DRT) [3]、中国北斗卫星导航系统的短报 文通信平台[4]等。

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决的若干关键技术问题，也可以应用于海洋、水 文、地震监测等更多领域。

2系统总体结构

基于北斗的气象监测应用示范系统主要由远

端站分系统和主站分系统两部分组成（图1):

图1 “基于北斗的气象监测应用示范工程”系统总体结构图

(1) 远端站分系统，可分为采用固定式北斗通

信终端（固定终端）的自动气象站和手持型北斗用 户终端（手持终端）两种，将自动气象站观测数据/ 手持终端所采集的数据以及定位信息、通信信息和 报警信息等通过北斗卫星上传；同时接收上级监管 部门的数据和指令。

(2)

主站分系统，包括北斗卫星定位总站、国卫星北斗综合信息服务平台和国家气象信息中心 国内通信系统北斗数据接收系统。中国卫星北斗综 合信息服务平台既可以通过北斗指挥型集团用户 机直接接收远端站气象观测数据，也可以通过地 面专线或互联网从北斗卫星定位总站获取原始报 文，经数据解码、解压缩、报文合并后，按照中国气 象局相关业务规范，生成标准的自动气象站数据文 件，再通过地面专线（并以互联网作为备份通信方 式）传送到国家气象信息中心国内通信系统北斗数

据接收系统。

3远端站数据流程

北斗卫星系统对短报文通信的报文长度和发

报频次都有所，用于传输自动气象站数据时， 一般需要先进行数据压缩、数据文件分包等技术

处理，才能进行传输。远端站数据流程如图2所 示。在自动气象站内部，气象传感器模拟信号经过

.................................................................................DCW

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模数转换（A/D转换）和加工处理，转换成数字信 息，经数据压缩和数据拆分打包后，生成符合北斗 卫星通信系统格式的报文，然后自动生成相应的控 制指令（如：与主站的握手信息、数据发送控制指

令等），通过RS-232接口发送给北斗卫星通信终端 发送到主站；北斗通信终端接收主站发回的应答信 息，并根据接收状态和信息内容，判定启动（或继 续）数据传输，或是进入异常处理。

^通信终端」

图2远端站数据流程

北斗短报文通信采用串口非同步传送方式，传 输速率4800~115200b/s，默认值为 115200b/s，并 可根据用户需求设置其他速率[11]。民用通信终端有 机卡分离、机卡一体两种类型。通信报文长度和最 小发报间隔由授权卡类型决定。常用民用非加密用 户卡，每条短报文信息最大容量为44个汉字或157 个十六进制数，连续两份短报文的最短发送时间 间隔是1分钟[12]。

数据压缩可分为有损压缩和无损压缩两类[13]。根 据业务应用需求，自动气象站观测数据必须采用无 损压缩。常用无损压缩技术有霍夫曼（Huffman) 编码、算数编码、游程编码（RLE)、字典编码等。 出于编码效率和稳定性方面的考虑,基于北斗的 气象监测应用示范工程”采用了定长字典编码方 式，压缩字典如表1所示。

数字通信世界

11

中IGITC技术

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表1基于北斗卫星的无人值守自动气象站数据压缩字典

字符压缩前的十六进制ASCII码

压缩后的二进制编码

0

30000031

000123200103330011434010053501016360110737011183810009391001空格

2B10102D

1011=

3D11002F

1101回车换行

0D 0A

1111

该压缩算法利用了自动气象站观测数据有效

字符数量有限的特点，利用数据压缩字典，把8bit 的ASCII码字符转换成为4bit编码，再将两个4bit 编码合成为一个8bit编码（即1Byte)。

数据压缩率=压缩后数据量/压缩前数据量 X100% =压缩后单个字符占用字节数/压缩前单 个字符占用字节数X100% = 4 / 8 X100% = 50%。

该方式易实现、效率高、无误码扩散效应，且 压缩后文件长度固定，便于后续处理。

4太阳能供电子系统

建在山区、沙漠、海岛等处的无人值守自动气

象站，常常难以从公共电力网络获得稳定可靠的电 力供应，需要配套建设的自主供电系统。在阳 光充足、较少遮挡的地方，一般以太阳能供电方式 为首选。4.1系统结构

太阳能供电系统主要由太阳能电池板、蓄电池 和充放电控制器等组成[14]，如图3所示。北斗通信 终端可以和自动气象站共用一套太阳能供电系统， 也可以分开设计。前者结构简单，部件和故障点比 后者少，因此被“基于北斗的气象监测应用示范工 程”所采用。

太阳能电池板的作用是将太阳能直接转换成 电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。蓄电池 用于在夜间、持续阴雨天气等无日照或日照不足时 段内，为负载提供电力供应。太阳能充放电控制器

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图3太阳能供电系统结构示意图

用于控制太阳能电池板对蓄电池充电，并监控负载 的用电参数，具备稳压和限流功能，为自动气象站 和北斗通信终端提供稳定可靠的电力供应。4.2关键参数计算4.2.1总耗电量

通常，北斗通信终端的功耗远高于自动气象

站。以CAWS600六要素自动气象站为例，输入电压 6V，工作电流32mA，工作功率约0.2W。而北斗通信 终端的待机功率约4W，最大发射功率40W (低功耗 型号）或100W以上（普通型号）。因此，决定太阳能 电池板和蓄电池设计容量的主要是北斗通信终端。

以采用低功耗型北斗通信终端和CAWS600六 要素自动气象站的无人值守自动气象站为例，按每 5分钟传输1次数据，每次分2个数据包发送，每包 数据发送时发射脉冲宽度为0.2秒计算，全天总耗 电量估算方法为：

Wd = (P1+P2)X24+P3XnXmX(tp/3600)X24 = (4

+ 0.2)X24+40Xl2X2X(0.2/3600)X24 = 102.08(Wh)

式中，Wd为全天总耗电量，以瓦时（Wh)为单 位；P1为北斗通信终端待机功率；P2为自动气象站工

作功率；P3为北斗通信终端发射功率；n为每小时上 传数据的次数（n=60/5 = 12次/小时）；m为每次发送数据包个数（取m = 2) ; tp为发射脉冲宽度（tp = 0.2 秒）。计算可得全天总耗电量为102.08Wh，实际工 作中，可以按照每日100Wh进行工程设计使用。4.2.2蓄电池容量计算

按8天无充电状态下能保持正常运行计算，8天 总耗电量=100X8 = 800 (Wh)。考虑长时间频繁充 放电和低温对蓄电池放电性能的影响，取修正系数 1.5 (在北方高寒地区，因电池效率降低，应选择更 高修正系数），使用12V电压蓄电池时，蓄电池总容 量= 800X1.5/12 = 100 (Ah)，即适合需选用12V

100Ah的蓄电池。

4.2.3太阳能电池板容量计算

影响太阳能电池板对蓄电池充电效率的因素较 多，如：蓄电池组充电效率、日照强度、太阳能电池 板安装方位和角度、表面尘污遮蔽或老化情况、太 阳电池板组合损耗、控制器的转换效率等。理论计 算比较繁琐，而且部分参数难于精准获取，所以在 实际工作中，可以采用经验值进行估算，方法如下：

首先，通过查阅气候资料，获得建站地点在日 照时数最少的月份内，每日平均的日照时间，并将 此作为单日最短有效充电时间；然后，根据耗电量 需求（参照上文计算值）及太阳能电池板充电效率 (一般采用工业估值），计算出太阳能电池板容量 需求；最后，根据市场常见产品的规格进行太阳能 电池板选型（除非有特殊情况，应尽量采用工业化 批量产品，以便于后期运维）。以某地为例，经查 阅气候资料，可知该地在日照时数最少的月份内， 每日平均的日照时间为3小时，以此作为正常日照条 件下一天的最短有效充电时间，按全天总耗电量 100Wh，每小时实际充电量为标称值的40%计算， 若要实现单日充满电的能力，所需太阳能电池板容 量=100/3/40°%=83(界）。参考市场产品规格，实 际工作中，可以选择80W太阳能电池板。

5海岛站特殊处理

海岛自动气象站是一种野外型、无市电、无人

坚守的全自动气象站，系统要求具有很好稳定性、 可靠性、兼容性和一致性，能够工作在高温、高湿、 高腐蚀及高盐雾的恶劣环境中，并满足全自动无人 值守运行的各项功能和性能要求。

与内陆自动气象站相比，建设基于北斗卫星通 信的海岛型自动气象站，要进行几项特殊处理：一

是按国家三防级别——IP65级，对所有元器件进行 了三防处理，以提高系统的可靠性高，有效地延长 设备的使用寿命，保证长期在海岛恶劣环境下连续 稳定工作；二是采用低功耗设备，并采用双路太阳 能供电，以提供稳定、可靠的电力供应；三是关键 部件采用适度冗余设计，如：采用双温度传感器冗 余配置，并可自动或远程遥控切换，以保证系统安 全稳定长期工作；四是加强监控模块软硬件功能， 使其能够发现和分析各类深层次问题，并实现远程

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监控和一般性故障的远程遥控处理；五是提高设

计技术指标，如：器件和整系统工作温度范围-40°C 至+60°C、抗阵风能力100m/s、平均无故障时间大 于5,000小时等。

6结束语

北斗卫星通信为解决山区、沙漠、海岛等特殊

地点气象观测数据的传输问题提供了一套可行方 案。国家高技术产业发展计划项目“基于北斗的气 象监测应用示范工程”的顺利实施，为后期在气象 观测领域推广使用北斗通信技术积累了技术和工 程经验，起到了很好的示范作用。

本文所述技术方案已经投入实际应用，能够满 足业务需求，达到了预期效果，但也存在一些不足 之处。一是数据压缩编码的可扩展性差，虽能满足 当前业务应用需求，但如果今后观测数据字符集扩 充，就必须进行改进，采用更加灵活的数据压缩方 式[15]。二是为了减少传输数据量，对于自动气象

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站报文中的区站号、经纬度、海拔高度等固定值，不 进行传输，而是通过中国卫星北斗用户服务平台的 系统配置参数表，建立北斗通信终端号与自动气象 站参数间的对应关系，由用户服务平台完成重新编 报工作，因此，如果更换某站点的北斗通信终端，就 必须修改用户服务平台系统配置参数表。随着北斗 通信能力的增强，上述问题也将得到改善。■

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河南商丘无管局规范

2018年度台站审验和收费工作

为了贯彻执行《中华人民共和国无线电管理条例》和《无线电管理收费规定》，积极推进2018年度无线电台站的审验和收费工作顺 利开展，河南省商丘无线电管理局规范年度台站审验和收费工作，并要求商丘市辖区内有关设台单位认真做好年度台（站）审验和收费 工作。

一是2018年度商丘市台（站）审验和收费工作自3月6日起至7月31日结束。凡在我市境内设置使用无线电发射设备的单位和个人 (含业余电台），必须在规定的时限内到商丘无线电管理局办理无线电台站审验和缴费手续。

二是审验时，须持频率使用、台站设置的合法凭证、《中华人民共和国无线电台执照》（含业余无线电台执照）和相关资料到商丘无 线电管理局办理无线电台站年度审验手续并按规定缴纳频率占用费。

审验完成后，商丘无线电管理局为每部合法无线电设备粘贴台站年检标签，作为现场检查时合法使用设备的依据。三是按属地管理原则，商丘无线电管理局负责辖区内各类无线电台站（含业余电台）的年度审验工作。

四是凡需报停、报废的无线电发射设备，须到商丘无线电管理局办理停用、报废手续，缴回无线电台执照，并由商丘无线电管理局收 回所指配的频率。

五是商丘无线电管理局将严格执行《无线电管理收费规定》和国家价格管理部门的相关规定，决不随意增加收费项目，降低或减 免频率占用费。认真建立台账，做到收费标准、财务、项目、程序、结果公开。如实掌握辖区内的台站设置情况，对设台单位频率、台站数 量、征收标准、频占费数额等要认真计算、逐项核对，明确缴费期限，确保频占费征收到位，将应收的频占费足额收缴国库。

六是商丘无管局将根据辖区内各类无线电台站的使用情况，结合此次无线电台站审验工作，对辖区内的无线电台站进行全面检查， 做到“人机见面”，不留死角。对使用的频率、功率、台站数量要认真核对，按照相关规定，抽取在用设备总数（含业余电台）的10%进行 设备检测（对蜂窝基站的发射设备抽检数量不超过当年在用基站总数的3%)，特别是对辖区内设置、使用的广播电视等大功率发射设 备，也会进行全面检测。

七是对逾期未办理年度审验手续的无线电台站设置单位或个人，商丘无线电管理局会按照有关规定予以处理。从滞纳之日起按日 增收千分之五的滞纳金，逾期半年不缴纳频率占用费的，将收回所指配频率，吊销电台执照。

八是各县（市、区）无线电管理办公室，有关设台单位，要加强对2018年度审验工作的领导，认真组织，密切配合，确保审验工作按 时完成。（河南省商丘无线电管理局/董春灵）

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