聶林波
(南海艦隊海洋水文氣象中心，廣東 湛江 524001)
摘要：針對氣象自動觀測網數據傳輸需要，提出了基于北斗衛星導航系統的氣象自動觀測數據編碼設計方案。該方案采用北斗短報文通信功能傳輸幀數據，從而實現自動觀測數據的傳輸。采用該方案使得指揮終端能實時接收自動站發送的觀測數據。采用北斗衛星導航系統能實現觀測站點的快速部署和觀測數據的高效獲取。
關鍵詞：北斗衛星導航系統；氣象自動觀測；數據傳輸；編碼
中圖分類號：TP391.1文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.005
引用格式：聶林波.基于北斗的氣象自動觀測系統數據編碼設計［J］.微型機與應用，2017,36（8）：15-15，18.
1系統基本原理
北斗衛星導航系統具有雙向短報文通信功能，最多一次可傳輸120個漢字，可以實現用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間通信［1］。基于北斗的氣象自動觀測系統利用了我國自主研發的北斗衛星導航系統，可以提供定位和短報文通信功能，實現氣象觀測系統監測數據傳輸。系統能在更廣闊的地域進行環境監測，同時降低了觀測站建設和維護成本，系統本身也更加穩定可靠。
2數據傳輸原理
觀測站在工作時將監測數據按照協議進行編碼，再通過北斗通信模塊將編碼的數據發送到觀測站監管中心指揮型北斗終端上，終端按照協議進行解碼，還原監測數據。
觀測站工作狀態時監聽北斗導航衛星傳輸的信息，按照協議解碼獲取指令，根據指令對相應的數據按協議編碼，再通過北斗通信模塊傳輸編碼數據。觀測站可將自身狀態信息按照協議編碼后經北斗通信模塊發送給監管中心。監管中心指揮型北斗終端接收觀測站經北斗導航衛星傳輸的數據，按照協議解碼數據，提取觀測站狀態信息。整個系統的控制流程如圖1所示。
3傳輸編碼設計
環境監測系統由一個指揮終端和多個觀測站通過北斗導航衛星系統互連而成。系統的每個終端按統一的數據格式編碼數據并通過北斗衛星傳輸至指揮終端。一套功能完善的傳輸編碼格式能確保系統可靠地實現數據傳輸功能。由于北斗采用短報文通信，因此用幀結構作為發送信息的最小單元［2］。
3.1幀結構
一個幀包含站號、時間戳、總幀數、幀序號、本幀長度、數據段、奇偶校驗碼，如圖2所示。
站號使用2 B，系統可容納216-1個站點，使用FFFF向全部站點廣播。時間戳使用12 B，記錄數據的年、月、日、時、分、秒信息。當數據被拆分成多幀傳輸時，根據時間戳判斷幀是否為同一數據的一部分。總幀數使用1 B，數據最多可拆分為28-1幀。本幀序號使用1 B。本幀長度使用1 B，其值為站號+時間戳+總幀數+本幀序號+本幀長度+數據段+奇偶校驗碼的總字節數。數據段最大可用220 B。奇偶校驗碼使用1 B，用于判斷收到的數據是否有誤。
3.2指令和數據
數據段記錄指令和數據。指令和記錄通過第一個字節區分，00為指令，FF為數據。指令使用編碼表示，定位、授時等指令都采用唯一編碼。數據使用壓縮編碼，盡量減小數據長度。例如，對于浮點數，先乘一個10n(n≥10)轉化為整數，減少數據所占字節。
3.3出錯處理
在收到一幀數據后，進行奇偶校驗，發現錯誤，就發送反饋信息告知對方重發該數據幀，直至收到無錯的數據。
3.4傳輸流程
指揮中心與觀測站之間數據與指令傳輸流程如圖3所示。
3.5延遲處理
北斗導航系統對每個用戶終端的服務頻度是有具體規定的。服務頻度越高，數據傳輸越快。當傳輸的數據被分為多幀時，各幀發送的時間間隔是不同的，這就需要制定信息延遲處理機制，解決信息傳輸時間延遲數據的問題。緩沖區是解決這個問題的方法之一。指揮中心收到一幀數據時，存入緩沖區，當數據幀全部接收到后再將數據整合為完整的信息。
4通信方式的選擇
北斗衛星系統的基本通信功能是點對點雙向數據傳輸，主要方式是數據報告，傳輸形式是數據包。主要工作方式是測站終端向北斗衛星發送信號，經北斗衛星轉發，由地面中心站接收處理后，再送至北斗衛星，北斗衛星接收后將其轉發送到指揮終端或者測站終端，點對點通信即順利完成。此外，還有建立群廣播通信。即在某個用戶群中，將主站的終端設備號碼寫入其他終端設備的映像地址中，當此主站發送數據時，群中所有測站都能收到此信息。將此功能作為系統的廣播回執，能有效減少中心站的發送次數，提高系統運行的通暢度，實現高效的信息群發功能。當要單獨與某個觀測站通信時，使用點對點方式；而當要與多個觀測站通信時，使用廣播方式。
5結論
基于北斗的氣象自動觀測系統數據編碼設計方案充分利用了北斗短報文通信功能，通過對數據按幀進行編碼，實現了自動觀測數據的有效傳輸。采用該方案使得指揮終端能實時接收自動站發送的觀測數據。采用北斗衛星導航系統能實現觀測站點的快速部署和觀測數據的高效獲取。一套完善的編碼格式可使指揮終端迅速確定觀測站位置信息，又可傳遞各種控制指令和觀測站測量數據以及觀測站自身狀態數據，增強指揮終端對觀測站的監管能力。
參考文獻
［1］ 江彩英,黃永玉,謝丹,等.北斗衛星應急通信傳輸試點建設［J］.氣象科技,2013,41(5):857-860.
［2］ 成方林,張翼飛,劉佳佳. 基于“北斗”衛星導航系統的長報文通信協議［J］. 海洋技術. 2008，27(1)：26-28，31.