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基于北斗系统的气象数据传输方案

2017-03-09 分享

人有生老病死,城有兴衰存亡。一座城市从奠基、繁盛、衰落再到复兴,备尝人世艰辛,历尽万般磨难,自然灾害带给人类无数的悲剧。在自然灾害中,气象灾害诸如暴雨、高温、干旱、冰雹、雷电等,有时给一座城市带来巨大灾难。中国 70%以上的城市、50%以上的人口分布在气象、地震、地质和海洋等自然灾害严重的地区,城市安全形势尤其不容乐观。2004 年 7 月 10 日下午 4 时开始,一场大雨突袭北京,降雨仅 10min,北京二环、三环几乎全线瘫痪;2007 年 3 月 5 日,一场罕见的暴雪顷刻间使东北各城市陷于瘫痪状态,鞍山出现了百万人步行上班的现象;2007 年 7 月 18 日,山东省济南市遭遇了黑色的一天。从下午 17 时到晚上 20 时 3 个小时内,济南市最大降水量达到 180mm,造成 34 人死亡,引起全国震动。上述事例给我们提出了一个严肃的命题:提高气象预报能力,应对日益严重的气象灾害,造福人类。2009 年 12 月 30 日,中国气象局局长办公会议审议通过了《综合气象观测系统发展规划(2010~2015)。》发展规划明确了“科学调整站网布局、提升观测自动化水平、增强观测能力、确保观测系统稳定运营、发挥观测系统效益”等方面的发展任务、实施进度和保障措施。以《发展规划》为指引,我国的气象事业将面临新的发展契机。

应用需求

为了进一步提升气象观测的自动化水平,研制各种型号的无人值守自动气象站,并将自动气象站进行广域联网布局,是做到早预报的有效的手段之一。而采用高效的数据传输手段,将采集到的气象数据及时传输到数据分析中心,则是要解决的主要问题。

目前常用的实现上述气象数据传输的通信手段主要有三种:

1、基于联通和移动的 CDMA、GPRS、3G 模式

该模式的主要优点是设备简单,费用低、功耗低;但主要缺点是受制于移动基站分布的限制,在移动基站不能覆盖的区域,尤其是边远地区,根本没有移动基站,因此该种方式无法完成任务。

2、基于卫星通信的 VSAT 卫星通信站

该模式由于采用了卫星通信,因此通信不受时域和地域的限制;但主要缺点是设备复杂、设备价格昂贵(十几万元一套)、需要的供电功耗很大,不利于野外快速架设;另外由于需要租用通信卫星的带宽,因此需要向卫星公司交纳昂贵的卫星通信带宽占用费用。

3、短波(超短波)电台

该模式简单,但由于受电台功率的限制,传输作用距离有限,而且受地形遮挡影响大。不能做到全天时、全地域传输。

随着我国自主知识产权的北斗一号卫星定位导航系统的建设及稳定运营,利用北斗通信型终端可以较好地实现上述数据通信,且设备简单、安装简单、设备费用低。

北斗卫星定位导航系统介绍

北斗卫星定位导航系统是我国自主研制的全天候、全天时、区域性卫星定位导航通信系统。该系统具有定位、数字报文通信、精确授时三大功能。北斗系统由三颗地球同步卫星、一个地面中心站、若干地面标校站和用户终端四部分组成。系统的基本组成如图 1 所示:

图1:北斗系统组成示意图

上述四个组成部分当中,卫星地面站用于大系统维护、计算用户位置数据;地面标校站用于修正系统信号,提高定位精度;与用户关系最为密切的是各种用户终端,包括指挥型、车载型、手持型、通信型等。其中除指挥型终端外的其他用户机又统称为普通型终端。各种用户终端通过向卫星系统发送定位请求申请,获得自身的位置信息;同时通过北斗卫星完成短报文数据的传输。

该系统的卫星通信覆盖中国全部地域及周边地区。如图 2 示:

图2:北斗卫星信号覆盖区域

基于北斗一号系统的气象观测数据传输设计

正是基于北斗一号系统特有的数据报文通信功能,利用北斗一号通信型用户终端,可以很便捷的实现气象观测数据的传输。

具体方案设计如下:

无人气象站,数据采集器输出的各观测量经过拼包处理后,发送给北斗通信型用户终端。北斗通信型用户终端利用北斗卫星信道,将数据发送到气象数据分析中心。在气象数据分析中心,北斗中心管理型用户机将接收到各个气象站点传送来的数据,解析后送给计算

机终端进行分析处理及显示。具体设计方案示意图如图 3 所示。

图3:气象数据传输设计图

通过对北斗系统在短信息数据传输功能方面的分析,提出了利用北斗一号用户终端实现气象观测数据的传输方法。通过已经实现的实际案例表明,该方式是有效可行的。

 
 
 
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