北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，廣泛應(yīng)用于交通、海洋、氣象、水利和測繪等領(lǐng)域[2]。基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信功能的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]具有無覆蓋盲區(qū)、全天候?qū)崟r通信、數(shù)據(jù)傳輸成本低、可靠性和安全性高的特點(diǎn)，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)布設(shè)自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸困難的問題[4]。同時，北斗系統(tǒng)的授時和定位功能保證了自動氣象站精確位置信息和氣象數(shù)據(jù)時間的準(zhǔn)確度[5]。
    基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在福建和新疆等省份已初步推廣應(yīng)用[6]，但由于氣象數(shù)據(jù)長度遠(yuǎn)大于北斗短報(bào)文通信單次通信數(shù)據(jù)量[7-8]，因此需分包發(fā)送。例如，CDT-441H型北斗用戶機(jī)IC卡3級通信等級時單次最大通信量為78.5 B，發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議長度為230 B的CAMS620-HM自動氣象站數(shù)據(jù)時，要將數(shù)據(jù)分3包發(fā)送，而短報(bào)文通信服務(wù)頻度為1 min，所以最小發(fā)送周期為4 min?？梢?，現(xiàn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的方式不僅使發(fā)送頻度減小，且使氣象數(shù)據(jù)傳輸成功率和系統(tǒng)設(shè)備利用效率大大降低。此外，自動氣象站多布設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，對其的監(jiān)測、維護(hù)和管理比較困難。
    針對上述問題，設(shè)計(jì)了基于北斗的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)，旨在運(yùn)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、北斗短報(bào)文通信技術(shù)和自動檢測控制技術(shù)，解決北斗短報(bào)文單次通信限制氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題，提高對自動氣象站監(jiān)測、維護(hù)和管理的能力。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    基于北斗的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)由FPGA處理器模塊、北斗模塊和外圍檢測控制模塊組成。FPGA處理器模塊通過I/O口與外圍檢測控制模塊連接，通過雙通信串口分別與自動氣象站和北斗模塊對接，構(gòu)成集氣象數(shù)據(jù)采集、壓縮處理、傳輸和遠(yuǎn)程管理于一體的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    氣象數(shù)據(jù)傳輸步驟為：(1)向自動氣象站發(fā)送氣象數(shù)據(jù)獲取指令。指令的最大發(fā)送頻度小于北斗導(dǎo)航模塊的短報(bào)文通信頻度，指令格式按照自動氣象站的數(shù)據(jù)協(xié)議編寫。(2)接收并識別自動氣象站反饋的數(shù)據(jù)。根據(jù)自動氣象站數(shù)據(jù)協(xié)議的起始位0x01和結(jié)束位0x0a判定數(shù)據(jù)的起始、結(jié)束和數(shù)據(jù)的長度，根據(jù)第2位0x55和第3位0x42識別數(shù)據(jù)類型。(3)處理接收到的一幀氣象數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)編碼。(4)通過北斗模塊以短報(bào)文方式將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送到氣象中心。
2.2 氣象數(shù)據(jù)處理
    數(shù)據(jù)處理是本系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用預(yù)編碼LZW編碼和靜態(tài)Huffman編碼壓縮氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)字符出現(xiàn)頻率的高冗余度使利用字符出現(xiàn)頻率冗余度壓縮數(shù)據(jù)的LZW編碼和Huffman編碼能夠保證氣象數(shù)據(jù)壓縮的效率，且均為無損壓縮，保證了壓縮后氣象數(shù)據(jù)的信息量不會減少。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

    首先，對識別后的數(shù)據(jù)預(yù)處理，整理氣象數(shù)據(jù)的標(biāo)志位等輔助信息并調(diào)整數(shù)據(jù)格式。例如，去掉氣象數(shù)據(jù)正文開始位、結(jié)束位等標(biāo)志位。其次，運(yùn)用LZW編碼壓縮數(shù)據(jù)的字符串，通過步進(jìn)查詢法判定輸入的字符串是否與編碼表預(yù)設(shè)的字符串一致，若一致則用預(yù)設(shè)的字符替代該字符串。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的靜態(tài)Huffman編碼對數(shù)據(jù)的字符變長編碼。最后，整理數(shù)據(jù)并根據(jù)北斗短報(bào)文通信協(xié)議編碼數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)預(yù)設(shè)LZW編碼表和靜態(tài)Huffman編碼表壓縮氣象數(shù)據(jù)，不傳輸LZW動態(tài)編碼表和Huffman樹的信息，降低了編解碼的復(fù)雜度，提高了編解碼速度。
3 遠(yuǎn)程管理模塊設(shè)計(jì)
3.1 模塊結(jié)構(gòu)及工作流程
    遠(yuǎn)程管理模塊接收并響應(yīng)氣象中心基于短報(bào)文形式的遠(yuǎn)程管理指令，完成對數(shù)據(jù)傳輸管理系統(tǒng)、自動氣象站系統(tǒng)和外圍模塊的遠(yuǎn)程管理。具體包括：獲取小時和分鐘氣象數(shù)據(jù)、系統(tǒng)電源管理、位置定位、北斗模塊初始化、通信端口設(shè)置、系統(tǒng)校時、氣象數(shù)據(jù)發(fā)送頻度設(shè)置和氣象中心ID設(shè)置等。遠(yuǎn)程管理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    氣象中心遠(yuǎn)程管理流程如下：
    (1)接收遠(yuǎn)程管理指令。通過北斗模塊接收氣象中心北斗短報(bào)文形式發(fā)來的管理指令。
    (2)指令識別。通過查詢法根據(jù)預(yù)設(shè)的指令碼表判定指令的具體內(nèi)容。
    (3)指令響應(yīng)。根據(jù)指令的具體內(nèi)容發(fā)送相應(yīng)控制指令。
    (4)接收反饋信息。接收指令執(zhí)行后的反饋信息并將其發(fā)送到氣象中心。
3.2 遠(yuǎn)程管理指令設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理指令采用指令內(nèi)容首字母加標(biāo)志位的格式，使指令具有很強(qiáng)的可識別性。例如，當(dāng)系統(tǒng)漏發(fā)小時氣象數(shù)據(jù)時，氣象中心可以短報(bào)文形式發(fā)送指令XSSJ#，當(dāng)系統(tǒng)收到指令后遠(yuǎn)程管理模塊向自動氣象站發(fā)送獲取小時氣象數(shù)據(jù)指令UC\r\n，自動氣象站收到指令后反饋小時氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接收到氣象數(shù)據(jù)后調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到氣象中心。
    現(xiàn)有基于北斗衛(wèi)星的自動氣象站系統(tǒng)缺乏遠(yuǎn)程管理功能，而本系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理模塊不僅能使氣象中心實(shí)現(xiàn)對自動氣象站系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理，而且管理功能豐富。
4 系統(tǒng)檢測控制模塊設(shè)計(jì)
    本模塊用于系統(tǒng)檢測、控制和調(diào)試。一方面，本模塊自動檢測主板溫度和電源電壓等狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制電源通斷、電池組切換、遠(yuǎn)程信息報(bào)警等功能。例如，當(dāng)檢測到系統(tǒng)存在異常時，模塊自動完成控制功能并發(fā)送報(bào)警信息到氣象中心；另一方面，在系統(tǒng)安裝調(diào)試時配置系統(tǒng)初始參數(shù)，如通信端口波特率、氣象數(shù)據(jù)發(fā)送頻度、系統(tǒng)時間、報(bào)警閾值、氣象中心ID等參數(shù)。系統(tǒng)檢測控制模塊的功能如圖5所示。

    本模塊和遠(yuǎn)程管理模塊共同完成對自動氣象站的管理，模塊的自動管理權(quán)限優(yōu)先級小于氣象中心遠(yuǎn)程管理指令，本模塊的設(shè)計(jì)減少了人工管理的工作量，出現(xiàn)異常問題時能及時自動響應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。
5 系統(tǒng)驗(yàn)證
    為驗(yàn)證系統(tǒng)LZW字符串編碼與Huffman字符編碼相結(jié)合對氣象數(shù)據(jù)的壓縮能力和系統(tǒng)的傳輸性能，分別設(shè)置了2 min、5 min、10 min、20 min 4種數(shù)據(jù)發(fā)送頻度對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證測試，分別統(tǒng)計(jì)分析每種發(fā)送頻度下的連續(xù)200幀氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

    由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可見，氣象數(shù)據(jù)的平均壓縮率最小為64.98%，原本需分3次發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)現(xiàn)在一次即可發(fā)送完畢，發(fā)送效率提高了3倍，數(shù)據(jù)傳輸成功率均為100%。可見，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮率高，且具備遠(yuǎn)程管理功能，解決了北斗導(dǎo)航短報(bào)文單次通信數(shù)據(jù)量限制氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，提高了氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎统晒β?，降低了自動氣象站系統(tǒng)的監(jiān)測和管理的難度。
參考文獻(xiàn)
[1] 李鶴峰，黨亞民，秘金鐘，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展、優(yōu)勢及建議[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，1(2)：49-54.
[2] 宋博宇，黃建華，王曉芳，等.“北斗系統(tǒng)”在人防信息化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，31(24)：4-5.
[3] 王小勇，毛夏，莊洪波，等.衛(wèi)星通信在自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2009(4)：91-94.
[4] 王清文，李巖.氣象水文數(shù)據(jù)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器，2007(4)：24-26.
[5] 何億強(qiáng)，張曉勇，邵勝利.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在氣象數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用研究[J].測控與通信，2007(3)：45-49.
[6] 姚作新.基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無人值守自動氣象站網(wǎng)[J].氣象科技，2012，40(3)：340-344.
[7] 于龍洋，王鑫，李署堅(jiān).基于北斗短報(bào)文的定位數(shù)據(jù)壓縮和可靠傳輸[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(11)：108-111.
[8] 胡光明，馬民，蘇冉冉，等.RDSS短報(bào)文通信編碼壓縮技術(shù)研究[C].第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集，2011：195-195.