水文学论文
摘 要： 研究北斗短报文通信技术，充分利用北斗卫星覆盖面广的特点，组建水情自动测报系统北斗通信网络，推广应用在水情测报系统中，应急通信保障性，补充应急水位测量的保障方式。分析研究北斗星历数据反演土壤湿度的模型，有效延长流域洪水短期预报的可预见期及精度，填补流域土壤湿度对预报精度的影响因素的空白，实现“北斗+”技术在水情自动测报系统上的应用示范。通过北斗+技术的在五凌电力大规模跨流域梯级水电站水情测报系统中的推广应用，面向水利水电领域，水文监测、遥测通信组网等方面，通过加强北斗备用信道的扩充、土壤湿度的反演，有效提高水情测报系统的可靠性，洪水预报精度补偿，有效减少地质灾害等对流域的影响,其示范成果将具有较强的代表性。
关键词 : 北斗卫星;三维定位;短报文通信;水情自动测报系统;
Abstract： By studying the communication technology of Beidou short message and making full use of the wide coverage of Beidou satellite, the communication network of Beidou automatic water regime monitoring and reporting system is established, which can be widely used in water regime monitoring and reporting system to guarantee emergency communication and supplement the guarantee mode of emergency water level measurement.The model of inversion of soil moisture from Beidou ephemeris data is analyzed and studied to effectively extend the predictable period and accuracy of short-term flood forecasting in the watershed, fill the gap of influencing factors of soil moisture on forecasting accuracy in the watershed, and realize the application demonstration of Beidouplustechnology in automatic water regime forecasting system.Beidou plus technology has been widely applied in the hydrological regime monitoring and forecasting system of large-scale cascade hydropower stations inWuling Power.In the field of water conservancy and hydropower, hydrological monitoring, telemetering communication network and other aspects, the reliability of water regime monitoring and reporting system is effectively improved by expanding the backup channel of Beidou and inverting soil moisture, and the impact of geological disasters on the watershed is reduced.
Keyword： Beidou satellite; three-dimensional positioning; short message communication; hydrological regime monitoring and forecasting system;
0、 引言
五凌电力大规模跨流域梯级水电站群已经形成，大规模跨流域梯级水电站水调自动化实现了集中监视、集中控制、集中管理的模式。但水电站多位于偏远山区，地形复杂，水情自动测报系统[1]传统的无线组网方式均存在一定局限性：VHF通信方式受视距影响，传播距离受限；GSM/GPRS通信方式受基站信号覆盖影响较大，偏远地方存在组网难度。同时，目前水文预报[2]主要依靠通过流域雨量测站降雨量、径流模型、控制断面水位流量等信息，对土壤含水量、面降雨量的把握以及未来降雨量的预测还存在较大的盲区，预报精度的提升遇到瓶颈。随着“北斗+”技术的逐渐发展，北斗短报文通信[3,4,5,6]、三维定位技术[7]逐渐成熟稳定。鉴此，采用北斗短报文通信技术，充分利用北斗卫星覆盖面广的特点，组建水情自动测报系统北斗通信网络，有效提高系统通信的可靠性。研究北斗三维高精度定位技术在水位实时测量、大气可降水量预测、土壤湿度反演等方面的应用，提高来水预报精度，实现“北斗+”技术在水情自动测报系统上的应用示范。
1 、总体思路
利用北斗技术实现在水情测报系统中的全面推广应用，开发应用北斗短报文通信技术，研制具有短报文通信及北斗星历数据的通信终端，有效提高水情测报系统北斗卫星通信保障；利用北斗三维定位技术研发基于北斗的水位实时测量装置，实现水位测量方式的变革。利用北斗星历数据研究土壤含水量反演算法模型并实现软件开发。
1.1 、基于北斗水情自动测报系统服务平台软件
设计开发北斗水情自动测报服务平台，可接入满足最新RTCM标准的所有北斗/GNSS用户机数据，实现平台、用户机、手机APP之间的数据交互；具备实时水情数据及遥测站工况信息的采集、处理、存储和转发功能；具备服务平台及全网遥测站的北斗授时和时间同步管理功能；具备遥测站运行监管预警功能。
1.2、 基于北斗定位技术的水位测量装置
设计研制基于北斗定位技术的实时水位测量装置，并集北斗定位及数据采集、北斗短报文通信于一体的水情遥测装置，具备GPRS、北斗双信道主备切换的水位采集功能。
1.3 、北斗短报文通信备用信道扩充
设计研制具有北斗短报文通信及星历数据收集的通信终端，并实现跟现有数据采集终端的无缝对接。
1.4 、基于北斗星历数据的土壤湿度演算模型研究
研究基于北斗星历数据的土壤湿度演算模型，并开发相应的演算软件。通过北斗星历数据提取北斗GEO卫星的高度角、反射信号功率、直射信号功率等数据，结合电磁波波数以及地表高度标准差，建立演算模型，反演土壤的体积湿度。
2 、基于北斗水情自动测报系统服务平台软件
2.1 、采集服务端
2.1.1、 协议采集模块
所有的传输报文均由ASCII码字符组成，传输数据覆盖中心现有水文、气象、环境观测要素，并且可扩展延伸。协议采集模块对数据段格式、校验编码以及包头包尾定义等进行统一接收、过滤、解析。
1）通信接口模块。通信接口模块的核心是需要根据不同的通信方式（GPRS、CDMA、TCP/IP、PSTN、北斗卫星等），选择合适的通信模式准确、可靠及时的接收和发送报文数据，作为数据采集平台与终端设备之间的交互窗口，负责将指令提交给指令发送模块进行处理，并接收来自报文接收模块终端报文数据，提交后续处理。
2）报文接收模块。通信模块侦听到终端设备发来的报文后，及时启用报文接收模块进行报文处理，包括报文接收、有效性检查、报文解译、数据记录合成和数据有效性检查，并最终提交应用接口进行后续处理。
3）指令发送模块。指令发送负责指令处理、主动请求数据重发及历史数据恢复、设计查询终端内存自报数据、设计查询固态存储数据、信道延迟处理、解析服务模块等功能。
4）数据过滤模块。设备数据通过系统接收后，按照相关的标准进行筛查，进行异常数据、不符合传输规则的数据剔除等工作。
5）解析服务模块。数采集服务端与数据库、管理客户端的交互窗口，负责将采集的数据存入数据库及与管理客户端通信。
2.1.2 文件同步采集模块
1）文件数据的发现。各设备厂商数据将实时数据保存为文件形式存储的，将开发文件到库同步程序，需要实现文件数据的发现、解析和处理，按照设定的目标表重新整理数据，实现数据的及时入库。文件数据的同步将开发同步计划方式实现，为每种数据编写单独的转换程序，通过同步计划程序进行调度。
2）文件数据的处理。按照相关的标准进行筛查，进行异常数据、不符合传输规则的数据剔除等工作。
3）文件数据的解析。输入获取的各厂商监测数据包，调取各类数据解析规则，实现各类数据的标准化解析，实现数据文件整合，按数据库字段属性匹配数据，导入监测文件数据库。
4）文件数据同步的任务计划。依据采集业务流程，实现文件采集任务的时点、内容记录，保存于文件同步采集任务计划表中。
2.1.3 库同步采集模块
1）库数据的发现。获取各厂商数据库路径，通过接口的开发，获取各厂商接收数据库中的各类数据，最终将转存至平台数据库中。
2）库数据的处理。与文件同步采集模块相同，获取到厂商接收库中的数据后，需对数据进行标准化处理，确保数据可用。参考数据过滤模块功能，按照相关的标准进行筛查，进行异常数据、不符合传输规则的数据剔除等工作。
3）库数据的解析。获取各厂商处理后数据库表，实现数据的解析整合，根据已设计的数据库表字段属性，提取所需的数据内容，实现各厂商数据入库。
4）库数据同步的任务计划。依据采集业务流程，实现库同步采集任务的时点、内容记录，保存于库同步采集任务计划表中。
2.2 、管理客户端
管理客户端负责与采集服务端进行网络通信，接收采集服务端发出的海洋观测数据接收报文和解码内容，并向采集服务端发送各类设置和控制命令。
2.2.1 、观测站数据监视模块
1）观测站实时数据查询。开发观测站实时数据查询功能，按照用户所需观测站数据类型、数据采集时间、数据来源、报警类型等从库中提取用户需要的实时观测数据。
2）观测站历史数据查询。开发观测站历史数据查询功能，按照用户所需观测站数据类型、数据采集时间、数据来源、报警类型等从库中提取用户需要的数据。
3）分类、搜索查询。基于采集服务端所获取的数据，开发分类、搜索查询接口，通过接口的调用获取用户所需数据。
4）图形、报表显示。通过实时/历史数据查询，获取所需数据，利用数据统计及可视化展示，制作数据表，绘制所需点图、曲线图、专题图等，实现数据的图形、报表显示，通过导出/下载功能保存至本地或用户自定义地址。
2.2.2、 观测站远程控制模块
1）观测数据即时招测。通过观测站远程控制模块向观测站终端发送数据采集信令，终端获取信令后发送报文数据包至系统采集服务端，通过数据校验、处理及解析后进入数据库，最终通过系统数据接口展示到表格中。
2）观测数据补传。由系统远程控制端设置数据类型、补传时间，向终端发送信令，观测终端获取信令后按照数据类型要求、时间要求，从终端固态存储的数据中获取相应数据，以报文原始数据包的形式重新递交采集服务端，再通过采集服务端的数据处理流程实现数据解析入库，继而远程控制端可调取使用。
3）观测站参数远程设置。利用观测站配置属性以及信令接受发送功能，可实现观测站参数的实时展示，远程控制终端修改观测站参数的同时将发送更改信令至观测站终端，实现终端状态的实时更改。
4）观测设备远程对时。获取终端时间数据及远程控制端时间数据，确认时间统一，若终端时间错误，则利用远程对时功能，修改终端时间。
5）观测设备复位。发送复位信令，监测终端通过信令解析调取设备初始参数，重新设置各项设备参数，完成观测设备复位。
6）观测设备固件程序更新。利用远程控制端发送信令及参数，或由设备主管部门进行设备的固件程序更新。
2.2.3、 数据状态报警模块
1）数据状态报警。客户端通过判断观测站数据格式，是否损坏、越限等，记录最大无数据时间，利用错误类型及数据缺失时间制作报警信息。
2）报警恢复。实时监测数据状态，若数据恢复正常时，恢复无报警状态。
3）配置报警信息。建立数据状态报警人员信息库，维护人员通过信息输入可实现数据库的信息填充，作为报警信息产生后的发送对象。
4）报警推送。实现通信接收状态异常信号的接收与发送，若通信接收异常则上报报警信息，利用配置好的报警信息，发送至数据管理人员。
5）报警查看。在报警信息数据库中，将不同预警类型分为不同等级，并以不同颜色表征不同异常数据类型及报文和运行数据。
2.2.4 、站点和参数配置模块
1）站点参数录入。实现对观测站站号、设备序列号、观测要素、经纬度、北斗卡号、4G卡号等静态参数进行录入，支持分级、分类管理，灵活支持后期扩展建设的观测站点。
2）站点参数查询。实现对观测站站号、设备序列号、观测要素、经纬度、北斗卡号、4G卡号等静态参数进行查询；支持分级、分类管理，灵活支持后期扩展建设的观测站点。
3）站点参数修改。实现对观测站站号、设备序列号、观测要素、经纬度、北斗卡号、4G卡号等静态参数进行修改，支持分级、分类管理，灵活支持后期扩展建设的观测站点。
4）站点参数删除。实现对观测站站号、设备序列号、观测要素、经纬度、北斗卡号、4G卡号等静态参数进行删除，支持分级、分类管理，灵活支持后期扩展建设的观测站点。
2.2.5、 后台和系统管理模块
1）角色权限管理。建立系统用户管理数据库，记录管理员、操作员信息，并提供权限控制下的信息修改功能。
2）系统日志管理。建立系统日志库，按任务类别存储各类系统日志，可以实现日志查看、查询、删除、下载等功能。
3、基于北斗定位技术的水位测量装置
3.1 、工作原理
北斗水位测报系统业务应用见图1所示，整个系统主要分为两个部分：北斗高精度定位终端和北斗数据采集服务平台。北斗高精度定位终端分为3台，分别部署在岸上已知高程点处、需测量河道水面处和中心站机房内。固定点北斗终端和水面北斗终端通过北斗信道方式将原始观测高程数据上传到水位采集服务平台，平台通过高精度单频非差分算法进行位置解算，实时监测水位变化。
3.2 、系统结构
1）北斗高精度定位终端。北斗高精度定位终端通过对硬件、软件以及结构的优化，在终端设计上实现终端低成本、低功耗以及高可靠性的研制需求，满足水位测报特殊使用环境需求。
图1 北斗定位测水位示意图
2）硬件部分。北斗高精度定位终端硬件部分主要由定位模块、处理模块、通信模块、存储模块、电源管理模块等组成。其中定位天线负责卫星信号接收，定位模块负责北斗信号处理解算获取原始观测信息；处理模块为数据处理单元，解析定位模块的原始观测信息、位置速度信息，并控制通信模块进行位置上报，同时控制存储模块对位置信息进行存储；存储模块为Flash（闪存）；太阳能电池模块负责对电池进行充电，整个电源管理模块为终端各部分供电。
3）软件部分。在中心站部署水情测报服务平台，接收测站终端原始观测高程数据，同时利用采集平台中搭载的算法进行解算使用，从而获得实时水位高程。
3.3 、部署方案
计划对沅水、湘江、资水流域各水电站坝上水位站和重要控制断面部署北斗高精度定位装置，用作实时水位监测。
4 、北斗短报文通信备用信道扩充
4.1 、系统工作流程
系统中遥测站水文要素一旦发生变化，遥测设备即刻进行数据采集、资料经通信设备传输至中心站完成资料预处理后进入数据库，然后通过计算机网络向有关部门分发、通报。系统数据采集、传输和预处理全过程流程见图2。
4.2 、通信组网
通信方式采用无线通信方式即VHF/GPRS/GSM/北斗组网的方式。若主信道发送失败，自动启用备用北斗信道发送。
4.3 、遥测系统改造
根据总体方案设计，需要在遥测站增加北斗通信终端及其配套设备，同时对RTU设置进行修改，满足北斗备用信道通信功能。
图2 数据总体流程图
中心站部分。需要增加北斗通信终端及其配套设备作为遥测采集接收设备，同时对采集接收平台北斗信道进行扩充，满足北斗信道接收功能要求。
5 、对于北斗星历数据的土壤湿度演算模型研究
北斗系统是我国自行研制的全球导航卫星系统(GNSS)，目前已能够提供区域服务，其空间星座由地球静止轨道(GEO)、中圆地球轨道(MEO)和倾斜地球同步轨道(IGSO)3种不同轨道的卫星组成。由于GEO卫星相对地球表面静止，在地基接收条件下可实现对固定区域土壤湿度的长期实时连续监测，极具发展前景和应用潜力。
5.1、 反射率信号
理想情况下，北斗GEO卫星的右旋入射左旋出射时的反射率为：
式中：θ—GEO卫星的高度角；ε—土壤相对介电常数。
但是，一般土壤表面均不光滑，必须考虑地表粗糙度影响，此时反射率R可表示为
式中：k=2πf/c—波数；f—载波频率；c—光速；σh—地表高度标准差。
5.2、 土壤介电常数
由于在采用地基非移动接收平台接收北斗GEO卫星反射信号的条件下，θ为常数，反射率R只表示为ε的单调递增函数，那么在土壤的介电常数范围内R存在反函数。
式中：R0—对应于土壤介电常数ε的反射率；Pr—反射信号功率；Pd—卫星直射信号功率。
5.3、 土壤湿度
土壤介电常数与土壤湿度关系由土壤介电常数模型给出。在实际工程应用中多采用简化的经验模型或半经验模型(Dobson经验模型、Hallikainen经验模型、Topp经验模型等)。此处采用1.5GHz频率下GNSS-R遥感使用的Wang经验模型：
式中，—土壤的体积湿度；—虚数单位。
结合土壤湿度实际范围，求解上式，得到基于北斗GEO卫星反射信号的土壤湿度反演模型：
所以，当已知北斗GEO卫星的高度角θ，反射信号功率Pr，卫星直射信号功率Pd，电磁波波数以及地表高度标准差σh，即可反演得到土壤的体积湿度SM。
6 、结语
通过北斗+技术的在五凌电力大规模跨流域梯级水电站水情测报系统中的推广应用，面向水利水电领域，水文监测、遥测通信组网等方面，通过加强北斗备用信道的扩充、土壤湿度的反演，有效提高水情测报系统的可靠性，洪水预报精度补偿，有效减少地质灾害等对流域的影响,其示范成果将具有较强的代表性。
参考文献
[1]李伟佩，李全胜,贺顺德,等水情自动测报系统设计建设运行维护[M] .郑州:黄河水利出版社, 2012.
[2] SL247-2012水文资料整编规范[S].
[3]许博浩,郝永生,苏伟朋基于北斗通信的RTU远程监控系统[J].计算机系统应用, 2015,(5):84-87.
[4]许博浩，郝永生基于“北斗"通信的文本数据传输[]计算机与数字工程, 2014.(6): 1050-1053.
[5]王玉华，赵学民,刘艳武北斗卫星通信功能在水文自动测报系统中的应用[J].水文, 2003.(5):50-52.
[6]刘尧成,华小军,韩友平.北斗卫星通信在水文测报数据传输中的应用[J].人民长江, 2007.(10):120-121.
[7]黄文德,张利云，康娟,等.北斗卫星导航定位技术实验教程[M]北京:科学出版社, 2020.