北斗卫星通信在水利行业中的应用
目录
1.北斗卫星系统简介 (3)
2.水利行业应用需求 (4)
2.1.水利工程测量 (4)
2.2.水情监测 (5)
2.3.水利设备监控 (6)
3.短报文通信在水情监测数据传输中的应用 (6)
3.1.短报文通信介绍 (7)
3.1.1.通信方式 (7)
3.1.2.通信优点 (8)
3.1.3.通信缺点 (8)
3.2.应用方案 (9)
3.2.1.硬件配置 (9)
3.2.2.服务提供 (9)
3.2.3.通信保障 (9)
3.2.4.系统整体结构 (10)
3.3.实际应用项目介绍 (10)
1.北斗卫星系统简介
北斗卫星是一个提供全中国范围内的卫星定位系统。它是中国自主开发的用于地面定位的卫星系统，现在已发展成为可供民用定位和数据通信的系统。系统包括“北斗一代”和“北斗二代”，北斗一代空间部分由两颗静止轨道卫星和一颗备份星组成；北斗二代空间部分由5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星和3 颗倾斜同步轨道卫星组成。
北斗卫星系统由三个主要部分组成：空间卫星，地面站(LES)及分理平台（河南北斗卫星导航平台）和用户终端。
图1 北斗卫星系统结构
（1）空间卫星：空间卫星部分由2～3颗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。每颗卫星都有2个波束，定位在太平洋、印度洋二个区域。两颗工作卫星的波束分别为1、2、3、4。一颗备用星的波束为5、6。两颗卫星都可以覆盖中国全境。覆盖范围：北纬5～55度，东经70～145度。系统组成如图1所示。
（2）地面站：终端与终端之间相互通信的中转站。其功能是完成与卫星之间上、下行数据的处理；对各类用户发送的业务请求进行响应处理，完成全部用户定位数据的处理工
作和通信数据的交换工作，并把计算所得到的用户位置和经过交换的通信内容，分别送给有关用户；同时可对发送方用户进行通信回执确认。
（3）用户终端：卫星终端分为普通型和指挥型终端两种。民用终端由北斗卫星收发主机、北斗卫星全向收发天线、用户操作控制单元、民用通信协议等软硬件组成，能够完成用户终端与空间卫星之间上、下行数据的处理；发送用户业务请求，接收用户数据；具有通用的RS232C数据接口。
北斗卫星系统可以全天候时提供卫星导航信息，标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。
2.水利行业应用需求
2.1.水利工程测量
在水利工程勘测和设计中，经常会遇到山岭、江河、峡谷等自然环境的阻隔，传统测量仪器很难找到合适的测量点，工作量也比较大，影响测量的精确度和工程进度。
北斗是完全由我国自行研制的定位系统，目前已经广泛运用到各项我国基础工程各项测量和定位中，基于北斗定位的RTK（实时动态差分）测量相比较传统观的水利工程测量而言，具有适用性强、操作简易、测量精度高等优点。在实际的运用上具有非常高的普及和推广价值。
图2 北斗定位RTK测量图示
2.2.水情监测
根据我国中小河流域山洪地质灾害防治项目的需要建设了很多水文自动测报系统，采用现代数字化科技手段实现对中小河流域、湖泊、水库等自然江河湖泊和水利工程的水文信息进行实时采集、传输、处理和水情预报等工作。
自动水文观测站选址一般为偏远山区，常规通信（包括：移动通信、电信和卫星通信）难以实现信号全覆盖，通信专线的建设又存在成本高、维护费用贵等缺点。
自动水文站数据传输系统一般由一个水文监控中心和若干个野外无人值守观测站组成，数据传输方向为多个观测站的气象数据向一个监控中心传输的“多点对一点”的通信模式，其传输方式有主动自报式和交互查询式。主动自报式是指观测站按照一定的协议机制主动将采集到的气象数据上报至监控中心，而交互查询式则是以监控中心为主动方，观测站解析监控中心的指令，并做出响应。主动上报式应用的场合要求一次通信成功率高，而交互查询式则要求系统的通信资源相当丰富，并且通信费用低廉。
根据水文监测对象的特点，正点上报、10分钟雨量加报、水位加报等测报数据随着观测站的数量的增长和天气情况的变化，成不规则增长方式，1分钟内可能会上报几百条数据。对接收端的数据处理能力和通信链路有很高的要求。
目前，通信成功率和通信费用是水文测报数据传输面临的两个主要问题。北斗卫星能够解决这两个问题。
北斗卫星通信信号覆盖范围广、可靠性高。水文测站终端是在其后端设备的控制指令下发送数据报告的，它在收到后端设备的发送数据报告指令后，直接向卫星发送信息，其信道编码与调制方式为码分多址即CDMA方式，利用冗余编码方法使得入站数量达到200站/每秒，按照水利水文信息传输整点报的需求，以10分钟收集全部站点数据计算此类用户理论上可容纳12万测站用户，所以其信道容量极大，可以不考虑信道拥挤问题。
目前支持北斗卫星通信的水文遥测设备RTU体积小功耗低、设备维护简单和易于组网布设站点，硬件费用比较低。
河南北斗卫星分理服务平台提供民用北斗卫星通信服务，用户只需要注册通信卡号，支付服务年费等方式实现卫星通信，服务费用较低。
图3 北斗卫星水情监测
2.3.水利设备监控
水利行业的发展越来越多的利用到信息技术，信息化设备投入日益增多。从雨量计到全要素气象仪，到自动水文观测站等等。由于水利工程自身的特点，这些信息化设备一般都安装在野外，分布范围广，无人值守。人工巡检工作量大、耗时，甚至有些地方很危险。
水利设备监控需要一种远程自动化的方式，不受地形、通信限制，可实时操作。北斗卫星的“多点对一点”方式可以满足这种需求。
3.北斗卫星通信在水情监测数据传输中的应用
从2002年起，我国就已经开始进行利用北斗卫星传输水情信息的试验研究，并陆续建设了多个北斗卫星水文遥测系统，2006年已有800多个水文测站使用北斗卫星系统。经
过十多年的发展，北斗卫星短报文通信可以大规模的应用于水文测报数据传输中。
