北斗通信在石油平台气象站的设计范文

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摘要：文章基于北斗短报文通信技术设计了一套海洋石油平台气象站数据传输和共享系统，并在设计气象站通信协议基础上，提出了两种北斗通信方案，经过实验最终选择终端中转通信方案更适合在石油平台气象站运行，并成功应用在天津市气象局新建的14套海洋石油平台气象站中。

关键词：信息处理技术；协议；方案

0引言

当前，海上开展气象观测大多依托于浮标、海岛、船舶以及石油平台等海上设施，由于渤海海域的特殊性，没有岛屿，但石油资源丰富，大大小小分布着许多采油平台和灯塔。因此，充分利用这个特点，天津市气象局与渤海石油管理局等部门协商在石油平台上建立自动气象观测站，开展气象观测和数据共享。文章结合石油平台气象观测在数据传输和数据共享等方面的特殊要求，设计了一套基于北斗卫星通信系统和区域站统一版软件的石油平台自动气象站数据传输方案，为海洋气象探测数据传输摸索出一套稳定可行的新方法，为今后开展类似北斗通信应用积累宝贵的经验。

1概述

2000年，我国成功发射了“北斗一号”地球同步轨道导航定位卫星，标志着我国已进入自主拥有卫星导航定位系统的先进国家行列，为在未来多元化卫星导航定位系统应用体系中占有一席之地，形成具有我国特色的卫星导航定位应用产业。北斗系统主要有3大功能：1）快速定位。为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当，其定位数据比较稳定，采用差分定位技术，定位精度达10m以内。2）短报文通信。提供民用三级和四级卡通信服务，每次通信为78／106个ASCII码，服务频度为1min，可传输汉字和数字信息。3）精密授时。授时精度达20ns。因此，北斗系统不但可以为我国及周边国家提供各类导航定位服务，还可以针对海洋气象水文监测等各领域提供各类卫星数据通信服务［1］。

2石油平台气象站传输流程设计

由于石油平台涉及到人员登平台、飞机起降等作业活动，气象站所在石油平台对实时气象观测数据的要求较高，除卫星通信外，还必须考虑在石油平台本地实时显示气象站的实时数据，因此总体数据传输流程如图1所示。石油平台气象站通过连接长线驱动器，将采集器输出的RS－232数据转换成RS－485数据，用石油平台专用的防爆信号线缆与石油平台控制室工控微机相连，工控微机上安装本地数据共享软件，如图2所示，数据刷新频次为1min，实时显示气象站的气象信息。另一方面通过北斗卫星终端，将气象实况观测数据发送至架设在天津市气象局机房内的北斗卫星指挥机，观测频次设置为10min，最小可加密到1min。发送到指挥机的观测数据按照本方案设计的传输编码协议生成固定格式的数据流，按照区域自动气象站方式与区域站统一版软件，如图3所示，进行数据交互，然后由区域站统一版软件完成数据解析、入库以及报文生成等功能。

3通信设计

3．1采集器数据包设计北斗卫星通信系统在民用业务中，有两个约束条件：1）最小数据通信间隔为1min；2）基于78个ASCII码进行设计，除去2个ASCII码的帧号信息，只有76个字节可用。石油平台气象站通常采集温度、相对湿度、风速、风向、雨量、气压、能见度等要素以及各种状态信息和监控信息等，通常所传输的数据量要大于76个字节，因而需要对现有自动气象站的传输协议进行改造，对现有的数据进行压缩，在最短的时间内，将所有要素数据传递到数据中心。另外，由于雨量数据的特殊性，需要获取60min降水数据明细，所以将雨量数据独立组包，通常的做法是将北斗通信数据包拆分为“雨量数据包”和“其它要素数据包”［2］。“其它要素包”设计包含观测时间、自动气象站状态信息、风速、风向、温度、相对湿度、气压、能见度、辐射（预留）等实时观测数据和极值信息。共47个字段，106个字节，默认10min发送1次数据，数据包超过76个字节，因此需要进行压缩。“雨量数据包”设计包含协议类型、数据包序号、记录时间、分钟降水等8个字段共计68字节。根据“其它要素数据包”中“小时内累计降水”字段的内容确定每次上报的数据包个数。当“小时内累计降水”数据项为0时，只上报“其它要素数据包”；当“小时内累计降水”字段内容项为非0时，上报“其他要素数据包”后，于下1min上报“雨量数据包”。默认10min发送1次数据。数据项所对应的数据位全部置为1，则代表此项数据缺测。数据传输时，高字节在前［3］。

3．2北斗系统与区域站统一版软件数据交互区域站统一版软件可以将不同厂家，不同型号的气象站设备按照统一的数据格式、统一的数据库、统一的文件进行接收、处理和存储［4］。文章设计的北斗通信也是将北斗站点作为1台区域自动站接入到区域站统一版软件中。北斗指挥机通过RS－232串口与安装区域站统一版软件的服务器连接，按照设计的传输通信协议，北斗上传数据自动形成固定格式数据串，并通过TCP协议发送给区域站统一版软件进行数据解析和入库，以及形成中国气象局标准长Z文件格式报文等。

3．3数据补传机制设计两种数据补传机制保障数据到报率，一是北斗系统自行检查数据完整性，除了按照设定的频次上传观测数据外，卫星系统根据发送数据的帧号连续的特性，根据缺失的帧号自动补调3h内的缺测数据。补调流程为：北斗通信控制系统软件检查收到数据帧的连续性。查到缺失数据帧后，软件自动下发指令给探头，探头收到指令后启动指定数据帧的重传，上传给指挥机，再到北斗通信控制系统软件，然后转发给区域站统一版；二是数据接入区域站统一版软件后，统一版软件对数据完整性进行检查，并自动补调24h内整点数据。区域站统一版补调流程为：区域站统一版软件将补调数据指令发送给北斗通信控制系统软件，软件通过指挥机将指令透传给卫星终端，卫星终端再转给采集器，采集器收到指令后将补调数据回传给北斗通信控制系统软件，再传输到统一版，从而实现了数据的自动补传。设计两种补传机制同时存在，以北斗系统为主，统一版自动补传为辅，最大限度地提高北斗的通信成功率，保证数据的到报率满足用户要求。

4通信方案选择

通过北斗卫星通信采用两种方案实现，一种是终端透传模式，即卫星终端和指挥机只负责数据通信，不负责对数据进行压缩、解压缩等工作，对数据的压缩工作放在采集器中，数据平台的解压缩等功能放在中心站软件中或者另做中转软件；另一种为终端中转模式，即数据发给卫星终端，卫星终端经过二次压缩后发给指挥机，指挥机将数据解压后通过TCP方式发送给中心站软件。两种模式均需要实现，根据测试情况择优选择数据通信方案。

4．1终端中转模式终端中转模式数据上传流程如图4所示，卫星终端按照设定的加密间隔给采集器发指令获取数据，采集器收到指令后形成数据串发给卫星终端，卫星终端经过二次压缩后传给指挥机，通过北斗卫星指挥机控制平台软件对指挥机数据进行解压缩，然后通过TCP协议传给区域站统一版中心站软件，完成气象数据的解析入库、报文生成和上传等任务。

4．2终端透传模式终端透传模式，采集器将数据按照压缩协议进行压缩，按照卫星4．0协议打包后，根据设定的上传间隔主动传给卫星终端，卫星终端将数据通过卫星透传给指挥机，指挥机将数据传给中转软件，中转软件一方面对获取到的数据进行存储，另一方面要对数据进行解析，解析后的数据通过TCP方式发给区域站统一版软件［5］。

4．3两种设计模式优缺点比较两种数据传输模式均可以实现石油平台自动气象站数据通过北斗卫星通信正常传输，总结两种模式优缺点。

4．4测试结果通过分析超过一个月的试验数据表明，采用终端透传的方式，通信效率较高，但是由于上位机对探头缺乏控制，数据通信成功率能达到80％，采用终端中转的方式，增加了对探头的控制，通信成功率能达到99％以上。因此最终选用终端中转方式在石油平台气象站上应用。天津市气象局应用文章设计的通信方案建设了14套石油平台气象站，对运行1个月（2017年09月）的到报率进行统计分析，如图6所示，5min平均收报率98．84％，10min平均收报率99．00％，15min平均收报率99．12％，最终收报率为100％，满足业务化运行条件，其中锦州9号收报率相对较低的主要原因是该平台09月份由于湿度传感器故障进行现场维修，在维修期间，通信中断，造成个别数据的延迟。5结束语文章设计了一套基于北斗通信的石油平台气象站数据传输和共享系统，试验证明系统通信运行稳定可靠，数据传输及时。该系统将实时气象观测数据共享给石油平台，满足了对直升机起降、船只航行等气象数据的需求。同时，该系统集成度高，体积小巧，结构采用防爆防腐的材料，适应于各种石油平台、海岛等场合。北斗短报文通信技术在石油平台气象站的应用，完善了天津市的海洋气象观测网，进一步增加了天津市的海洋气象观测能力，为开展渤海气象服务提供了强有力的数据支撑。该系统在石油平台上成功应用，也丰富了海洋气象预报预警服务产品，提高了沿海区域天气的气象服务水平。

参考文献：

［1］甘志强，陆土金，李大君，等．北斗卫星通讯在南海海洋气象观测中的应用［J］．气象水文海洋仪器，2015，33（01）：70－74．

［2］刘玲瑞，田万荣，林立，等．北斗卫星通讯技术在新疆山区水文气象监测中的应用［J］．水利规划与设计，2014，（01）：26－29．

［3］张继光，罗林艳，高炉东．北斗卫星通信在省级气象数据收集中的应用［J］．安徽农业科学，2015，43（11）：186－187．

［4］江彩英，黄永玉，谢丹，等．北斗卫星应急通信传输试点建设［J］．气象科技，2013，41（05）：857－860．

［5］聂林波．基于北斗的气象自动观测系统数据编码设计［J］．微型机与应用，2017，36（08）：15，18．

作者：李晓波1；郭玉洁2；崔明1；陈树成1单位：1．天津市气象探测中心，2．中环天仪（天津）气象仪器有限公司