北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統[1]，廣泛應用于交通、海洋、氣象、水利和測繪等領域[2]。基于北斗衛星短報文通信功能的自動氣象站數據傳輸系統[3]具有無覆蓋盲區、全天候實時通信、數據傳輸成本低、可靠性和安全性高的特點，解決了偏遠地區布設自動氣象站數據傳輸困難的問題[4]。同時，北斗系統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據時間的準確度[5]。
    基于北斗衛星的自動氣象站數據傳輸系統在福建和新疆等省份已初步推廣應用[6]，但由于氣象數據長度遠大于北斗短報文通信單次通信數據量[7-8]，因此需分包發送。例如，CDT-441H型北斗用戶機IC卡3級通信等級時單次最大通信量為78.5 B，發送數據協議長度為230 B的CAMS620-HM自動氣象站數據時，要將數據分3包發送，而短報文通信服務頻度為1 min，所以最小發送周期為4 min。可見，現有數據發送的方式不僅使發送頻度減小，且使氣象數據傳輸成功率和系統設備利用效率大大降低。此外，自動氣象站多布設在偏遠地區，對其的監測、維護和管理比較困難。
    針對上述問題，設計了基于北斗的自動氣象站數據傳輸管理系統，旨在運用數據壓縮技術、北斗短報文通信技術和自動檢測控制技術，解決北斗短報文單次通信限制氣象數據傳輸的難題，提高對自動氣象站監測、維護和管理的能力。
1 系統設計方案
    基于北斗的自動氣象站數據傳輸管理系統由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，構成集氣象數據采集、壓縮處理、傳輸和遠程管理于一體的自動氣象站數據傳輸管理系統。系統框圖如圖1所示。

    氣象數據傳輸步驟為：(1)向自動氣象站發送氣象數據獲取指令。指令的最大發送頻度小于北斗導航模塊的短報文通信頻度，指令格式按照自動氣象站的數據協議編寫。(2)接收并識別自動氣象站反饋的數據。根據自動氣象站數據協議的起始位0x01和結束位0x0a判定數據的起始、結束和數據的長度，根據第2位0x55和第3位0x42識別數據類型。(3)處理接收到的一幀氣象數據，包括數據預處理、數據壓縮和數據編碼。(4)通過北斗模塊以短報文方式將編碼數據發送到氣象中心。
2.2 氣象數據處理
    數據處理是本系統的核心，系統根據氣象數據的特點，采用預編碼LZW編碼和靜態Huffman編碼壓縮氣象數據。氣象數據字符出現頻率的高冗余度使利用字符出現頻率冗余度壓縮數據的LZW編碼和Huffman編碼能夠保證氣象數據壓縮的效率，且均為無損壓縮，保證了壓縮后氣象數據的信息量不會減少。系統數據處理流程如圖3所示。

    首先，對識別后的數據預處理，整理氣象數據的標志位等輔助信息并調整數據格式。例如，去掉氣象數據正文開始位、結束位等標志位。其次，運用LZW編碼壓縮數據的字符串，通過步進查詢法判定輸入的字符串是否與編碼表預設的字符串一致，若一致則用預設的字符替代該字符串。然后，根據預設的靜態Huffman編碼對數據的字符變長編碼。最后，整理數據并根據北斗短報文通信協議編碼數據。
    系統通過數學統計方法統計氣象數據特點預設LZW編碼表和靜態Huffman編碼表壓縮氣象數據，不傳輸LZW動態編碼表和Huffman樹的信息，降低了編解碼的復雜度，提高了編解碼速度。
3 遠程管理模塊設計
3.1 模塊結構及工作流程
    遠程管理模塊接收并響應氣象中心基于短報文形式的遠程管理指令，完成對數據傳輸管理系統、自動氣象站系統和外圍模塊的遠程管理。具體包括：獲取小時和分鐘氣象數據、系統電源管理、位置定位、北斗模塊初始化、通信端口設置、系統校時、氣象數據發送頻度設置和氣象中心ID設置等。遠程管理結構如圖4所示。

    氣象中心遠程管理流程如下：
    (1)接收遠程管理指令。通過北斗模塊接收氣象中心北斗短報文形式發來的管理指令。
    (2)指令識別。通過查詢法根據預設的指令碼表判定指令的具體內容。
    (3)指令響應。根據指令的具體內容發送相應控制指令。
    (4)接收反饋信息。接收指令執行后的反饋信息并將其發送到氣象中心。
3.2 遠程管理指令設計
    本系統遠程管理指令采用指令內容首字母加標志位的格式，使指令具有很強的可識別性。例如，當系統漏發小時氣象數據時，氣象中心可以短報文形式發送指令XSSJ#，當系統收到指令后遠程管理模塊向自動氣象站發送獲取小時氣象數據指令UC\r\n，自動氣象站收到指令后反饋小時氣象數據，系統接收到氣象數據后調用數據傳輸模塊將數據發送到氣象中心。
    現有基于北斗衛星的自動氣象站系統缺乏遠程管理功能，而本系統遠程管理模塊不僅能使氣象中心實現對自動氣象站系統的遠程管理，而且管理功能豐富。
4 系統檢測控制模塊設計
    本模塊用于系統檢測、控制和調試。一方面，本模塊自動檢測主板溫度和電源電壓等狀態，實現控制電源通斷、電池組切換、遠程信息報警等功能。例如，當檢測到系統存在異常時，模塊自動完成控制功能并發送報警信息到氣象中心；另一方面，在系統安裝調試時配置系統初始參數，如通信端口波特率、氣象數據發送頻度、系統時間、報警閾值、氣象中心ID等參數。系統檢測控制模塊的功能如圖5所示。

    本模塊和遠程管理模塊共同完成對自動氣象站的管理，模塊的自動管理權限優先級小于氣象中心遠程管理指令，本模塊的設計減少了人工管理的工作量，出現異常問題時能及時自動響應，保護系統設備。
5 系統驗證
    為驗證系統LZW字符串編碼與Huffman字符編碼相結合對氣象數據的壓縮能力和系統的傳輸性能，分別設置了2 min、5 min、10 min、20 min 4種數據發送頻度對系統進行驗證測試，分別統計分析每種發送頻度下的連續200幀氣象數據，數據統計分析如表1所示。

    由統計分析結果可見，氣象數據的平均壓縮率最小為64.98%，原本需分3次發送的氣象數據現在一次即可發送完畢，發送效率提高了3倍，數據傳輸成功率均為100%。可見，本系統數據壓縮率高，且具備遠程管理功能，解決了北斗導航短報文單次通信數據量限制氣象數據傳輸的問題，提高了氣象數據傳輸的效率和成功率，降低了自動氣象站系統的監測和管理的難度。
參考文獻
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