北斗卫星短报文在输电线路覆冰监测系统中的应用

尚志建

（石家庄市经纬度科技有限公司 河北省石家庄市 050000）

目前，我国输电线路监测数据输送的模式有GPRS通信、光纤通信，以及电力线载波通信。这几种技术都拥有各自突出的优越性，比如说传递速率快、稳定性强、拒干扰素力强，以及管理便捷等优势。但其弊端也都较为严重，比方说成本投入大、占用空间大、建造难度高，以及维护周期久等。因此相对来说，这几种通信手段实用性与经济性都不算很高[1]。而北斗文星短报文通信技术，不仅具备这几种技术的所有优势，其还能够完成更多的通信功能，同时也弥补了这些技术的缺点，定位效果稳定、可靠，精准性非常高。同时还具备、其余卫星导航系统所没有的短报文通讯功能，定位精准性能够满足cm、d 级别，授时精准性能达到10ns，测速精准性能达到0.2m/s。当下被大规模用于国家发展的各种领域[2]。

1 北斗卫星短报文通信技术

1.1 基本原理

卫星导航系统是借助若干人造地球卫星、进行对同一载体的监测，进而掌握其当前位置，然后按照每个卫星监测形成的相位差，来了解其运动方向，同时指挥其到达预定路径。北斗系统为每一位用户都设置了专属的身份证，其为北斗用户机分配的地址是独有的，也就是用户终端装配的、北斗IC 卡的编号是唯一的。用户机器采用的扩频模式是码分多址，扩频伪码采用的是周期伪随机模式，北斗用户机通过波段频率、达成与北斗卫星的通信。北斗卫星把信号打包然后传递给地面中心，收到北斗卫星传递的数据后，地面中心会把数据传递给网关中心，在处理完数据后，地面中心会将其转发出去，然后北斗卫星会把重新收到的数据，转发给对应的用户机，由用户端完成对信号的解密与解调[3]。

1.2 技术优势

（1）辐射范围大。当下，北斗系统的信号传输能力、不仅可以覆盖全中国的领土，而且还能达成服务全世界的用户，其能够为全球使用者，提供精准的通信与定位功能。

（2）保密性强。北斗系统是我国自主研发的导航定位系统，属于我国独立的知识产物，也就是说，在任何时候我国使用北斗系统，都不会被国际任何势力所干扰，因此通讯的保密性，以及安全性有非常可靠的保障。

（3）抗干扰强。北斗卫星信号选择了L/S 波谱，因此受雨衰影响非常小；选择了码分多址模式的CDMA扩频手段，从而降低了码间影响[4]。

1.3 通信限制

（1）服务频度有限。用户工作站的服务频度直接受北斗IC 卡影响，通常民用北斗IC 卡频度是60s/次，也就是说用户工作站、每次申请通讯时，都要间隔60 秒，不然信息传递就会失败，且其获取信息的服务频度将处于无限制状态。

（2）一次通信内容受约束。北斗IC 卡规范了单次通讯报文的范围，民用北斗IC 卡通讯容量是78.5Byte，也就是使用北斗短报文进行通信，每次传输的内容不能高于78.5Byte[5]。

（3）民用北斗逻辑链路不具备短信回执。当北斗用户工作站、传输信息时，其不能确定目标是否接收成功。

尽管有一定的通信约束，北斗短报文通信技术依旧在许多行业内，发挥着关键的作用。比方说，基于自然灾害严重的区域，最有效的应急通信模式就是北斗短报文通讯。大部分数据传输所用到的基础设备设施、在被自然灾害毁坏后，就不能完成数据传输，但北斗短报文通讯就能弥补这点不足。而且应用北斗系统还能节约大量的财物、与人力的消耗。

2 北斗输电线路覆冰监测系统结构与原理

2.1 系统结构

该系统的硬件模块包括电源模块、北斗通信模块，以及数据获取模块等。所有模块均选择RS485 与RS232接口完成数据传输。硬件装置的构成包括电池包、积冰传感器，以及充电器等。其中气象、与积冰传感器数据收集构件；充电器等属于电源构件。采集卡内板载了数据处理操纵构件，北斗通信构件选择了通信传呼机，由此构成了监测系统整体[6]。

2.1.1 气象传感器

该设备的作用是获取气象数据，按具体性能分类主要有雨量、温湿度、大气压、风速，以及风向传感器。常用的温湿度传感器是DS18B20，其体积小，精准性高。风速传感器的设计参考了超声波时差原理，该设备配备了4 个探头，能够精准捕捉全方位的风向。

2.1.2 覆冰传感器

该设备用到了微波检测方法，可以区别开空气、水、冰的反馈信号，从而达成对传感设备敏感部位结冰情况的监测，并按照信号强度大小，还有传感设备敏感部位结冰的具体情况，完成对结冰厚度的运算。可在线评判结冰的风险，辨别效果优异，测量精准性误差不超过0.01mm，量程在50mm 以内；可区分冰与水的形式，化冰后不会积水。运作原理：微波有波粒二象性，属于电磁波的一种，在微波穿透厚度与材质不同的媒质时，其吸收、透彻、折射、与反射情况都不一样，据此可分辨材质的属性。

进行微波测量时，物质的含冰与含水量不同，其能吸收的微波传输能量也不同，在进行微波穿透物质的信号测量时，利用算式把测量衰减值变为冰水混合物、水与积冰等形态，然后倒推就能知道积冰厚度，这就是含水率测量的原理。

2.1.3 数据处理控制模块

依靠串口可以实现、数据获取构件、与数据分析操纵构件间的数据互换，利用北斗通讯构件和RS232 建立通讯。数据构件把获取的输电线路情况数据、借助串口传递给数据分析操纵构件。

数据分析操纵构件板载了核心采集、与电源管理部分，装配的总电源携带硬件定时电路，因此能够防止采样板卡顿或是假死，每过4h 会进行一次重启，进而确保设备稳定。

电源有四种级别，外侧传感设备的电源、都依靠电驿操纵其传出，从而降低系统耗损。收集芯片选择耗能低的MSP430 充当主控单片机。采集通道选择复用485，采集电路不只具备3 路AD，还把电源延伸到了端子，以备功能拓张时所用。

2.1.4 电源模块

蓄电池采用ddgm1140，该电池不用补液，完全封闭，占用空间小，能量集中性强，传电功率较高。其性能包括：内部风阻与传出电流低；不污染环境且自放电少；拒腐蚀性好；工艺化与特殊化的设计，提升了蓄电池的使用寿命；在极端环境中可正常工作。

2.1.5 北斗通信模块

北斗通讯构件选择了C230C 北斗数传型用户工作站，该设备的设计是基于船载导航与通信，同时也允许北斗RNSS/RDSS 性能，实际上属于船载一体机的一种。C230C 用户工作站内部板载了北斗基带、多频天线、主控，还有射频等功能机构，可达成RNSS 导航定位、短报文通讯，还有RDSS 定位性能。

C230C 占用空间小、操纵便捷、构造单一、能耗低，被大规模用在营救救援、船载导航监控，还有卫星通讯等领域。该终端选择了防水材质，能够适应的工作温度是零下25 度到零上70 度之间，室外工作性能也很好。终端接口选择了8 芯航空插头，可为所有机器供电，并能实现数据传递。RDSS 北斗IC 卡需要安装固定在北斗卡座中。默认RS232 为对外串口，调制速率是4800～115200bps，默认调制速率是19200bp。

2.2 数据采集编码

依靠串口，数据收集构件可以达成、与数据分析操纵构件间的数据互换，然后利用RS232 达成和北斗通讯构件之间的通讯。在数据收集构件、获取到的输电线路情况数据、借助串口传递给数据分析操纵构件时，会利用中断的模式，把数据贮存到flash 内，同时为其设定组别号。主程序运作流程是：从闪存flash 内、加载输电线路情况数据，并根据相关编码形式完成编码，使其成为一个数据组。把两组编完码的数据、基于北斗报文形式进行封装，进而达成在北斗通讯链路内、传递输电线路状况数据。

2.3 软件流程

依靠RS232 串口，操纵端PC 可实现和北斗通讯构件的连接。在北斗通讯构件获取到、传出传送的短报文讯号时，操纵中心第一步、会先对短报文帧格式进行解析，得出输电线路状况信息组，然后按照信息组的编码模式、加载出状况数据，并将其贮存到操纵中心的贮存设备中。假设传输频率是65，进行传输时，如果在已知时间下，北斗数据通讯构件没有获取到、对应的短报文或是数据通讯讯号，从而造成获取的讯号、出现乱码或是乱序情况，可以按照数据组的标号，来辨别乱序或是丢失的数据组，之后通过对应的无线通讯方式，或是北斗短报文、给前端发出提示、命令再次传输北斗遗落的子包，执行补包程序；如果补包失败，则重新运行补包程序，如果K 次后，依旧失败，则运行其余输电线的数据获取程序。

3 北斗输电线路覆冰监测系统的应用价值

3.1 可实现气象监测与判断

基于微气象的输电线路实时监测系统、应用了数据贮存技术、传感设备技术。以及嵌入式技术。系统依靠各类传感设备、完成对输电线路杆塔、所有气象状况数据的监测，并把数据贮存传递给操纵中心，其中的分析平台会分析输电设备的状态。与传统预防检修流程相比，在线检测技术更为先进、便捷。该系统的核心构件就是、能检测各类气象数据的传感设备，按照微气象传感设备传递的数据内容，系统可以监测到杆塔、与输电线路的各类气象指标、在具体运行中的变化，借助气象监测系统分析输电线路、有无故障或遭到自然灾害的毁坏。由于社会与经济的发展，电网规模也在随之增大，但这期间也会遭遇各类自然灾害与事故，最常见的就是自然灾害的影响，比方说龙卷风、暴雪、雷暴等，这些都会毁坏电网构造。

3.2 可强化故障数据采集与传输

捕捉能够对输电线路、造成影响的风险因子，装配在输电线杆塔中的监测设施，比方说获取各种信息的传感设备、电源、与操纵器等。传感设备的作用是获取、汇总各种输电线路的风险因子。通常对于大部分输电线路来说，需要被采集的风险因子都包括：覆冰厚度、温度、降水量、温度、风向、湿度，通过对这些数据的掌控，能够有效防止山火、台风，还有覆冰等自然灾害。

3.3 可实现人机交互功能人性化

系统的设计规划要充分考虑较为先进的方案，从而为未来新技术的应用做好铺垫。为了方便后续工作人员对系统的维修、运行、与调试，系统的人机交互模块，必须满足人性化的要求，操作界面要简单、直观，系统的功能上还要满足多样性、与易操作特点。因为我国输电线路分布范围广阔，区域不同，对于输电线路的监控重点也就不同，各地区会按照自己的实际情况，选择相应的传感设备，因此为了便于各地的实际应用，需要完善模块化构造，这样有利于后续的维护开展，同时还要装配各种型号的接口，为更新优化做好准备。

4 北斗输电线路覆冰监测系统的应用问题

北斗导航系统可以提供稳定性强的短报文服务，以及精准性高的授时服务，还有定位服务。其中授时服务的精准性实现了以纳秒为单位；定位服务能够提供精准的海拔高度数据，还有经纬度数据，使北斗导航系统，从真正意义上达成了三维立体；而短报文技术，更是领先世界的通讯技术，且知识产权是我国独有，基于我国网络涵盖区域来看，北斗短报文通讯达成了无盲点、无死角地覆盖了全国范围，弥补了在沙漠戈壁地区、高山森林低于，以及偏远西部地区网络信号弱或没有网络信号的不足，同时也会带动电力监控、航海、林业等领域出现更多的技术创新，并且也为应急救援、自然灾害等提供了更可靠的通信模式。

北斗短报文信息，是因为被卫星通讯链路所约束，所以每次可传输的数据量非常有限。因此一定要合理控制、每次传递有限的数据空间，设置新的数据组码模式。同时也要兼顾、在进行数据输送时、有时候会出现数据丢失或是遗漏的情况，所以在每次进行数据传递期间，都要附带上编码数据传递，当传递数据失败时，能够将数据分析操纵构件贮存的、备份数据加载出来，然后再次发送。

5 北斗输电线路覆冰监测系统的应用与发展建议

5.1 浮点型数据处理

浮点型数据是指传感设备在捕捉降水量、风速，还有温度等数据时，能够拥有较高的辨别率，一般情况下，辨别率的范围在10-1，就能被称作浮点型数据。倘若基于浮点型数据的特征，来进行传递以及贮存，那么需要的贮存空间是4 字节。以10—1 位这个精准率为例，把采集到的信息扩大10 倍后，能够把数据改变成整型数据，这时候传递用到的贮存空间只有2 字节。在大气温度数据中，采集到的极限温度在50 度以下，所以对于数值在100 以上的大气温度，其反馈出的数据空间就代表着零下温度。

5.2 整型数据处理

传感设备捕捉到的大气压力、风向、湿度等数据，都属于整型数据，其贮存需要占用的空间是2 字节。位置维度数据由全球维度，以及世界经度构成，通过北斗定位终端、能够实现对全球、经纬度位置信息的获取以及判断，同时根据其格式能够呈现为小秒（1 位字节）、秒（1 位字节）、分（1 位字节）、度量分（1 位字节）、经度区间（1 位字节，南纬或北纬、西经或东经），共有5 个单位为12 的字节，其中经纬度各自需要的空间的4 字节。时间信息由秒、分、时构成，共同占用的空间是3 字节。

5.3 设置传感器组ID号

基于北斗卫星通讯系统的网络，因为链路构造有着非常大的不确定因素，很有可能会造成链路乱序，或者是链路遗弃的情况出现。因此就需要把相同的传感设备，在相同的时间段内、获取到的信息划到一组，然后给每一组的数据、都设定数据组编号。倘若有乱序，或是数据丢包的情况发生，就能够精准对应到相关的数据组，同时还能给数据分析操纵构件、发送再次传输乱序，或是丢失的数据组申请，如此一来，操纵构件在收到该申请后，就会允许其重新发送，倘若发送失败，还可以持续重复这个过程，一直到数据分析操纵构件能够接收到这组数据。给每一个传感设备组设置ID 号的优势包括：北斗通讯构件可以和更多的数据采集构件组进行连接，从而可以有效增加北斗通讯构件的利用率、并且还有利于拓张监测系统的监测区间。以这种模式进行编码与数据处理，能够使短报文通讯每次可以、传递两个数据组，进而可以有效解决、北斗通讯频度受约束的问题。

6 结论

综上所述，由于北斗卫星具有强大的性能，在未来的新基建中，其一定会发挥更大的作用。基于国防、农业、教育、交通、金融、工业，以及医药等领域，北斗系统会更大程度地、增加这些领域的运作效率。按照当下的短报文技术来看，其一定会和5G 技术达成更深化的合作，通过北斗+5G 的模式，全面提升我国基础设施的完善度，充分发挥出网络的智能优势，从而达成全球智能与广域协同掌控。而且随着北斗技术的不断发展优化，其还会为未来的产业升级、转型，以及跨越发展服务等提供更广泛的技术支持。基于北斗系统的物联网与无人系统，未来辐射的范围会越来越广，从而也能实现更大程度为经济发展赋能的效果。