通信卫星监控和数据采集系统初步研究

摘要通信卫星监控和数据采集系统(SSCADA)专用于低数据速率卫星通信，可构成高性能价格比的大区域应用的专用卫星通信网。网络结构为星状网，远端数据采集与监控平台(DCSP)(即远端站)由一个全双工的星状网中的普通中心站控制。适于低成本解决传统的低数据速率卫星通信领域的难题，例如频率稳定性、相位噪声、抗干扰等。灵活的接口和协议选择为数据采集、远端监测、控制和交互应用等提供了高性能价格比的解决方案。通过模块设计可以进一部扩展网络功能。这就确保在适应网络功能需求和可用性的前提下最大限度的降低系统成本。它可应用于SCADA远端监控和数据采集、交互式数据通信、点到点及点到多点的数据通信等。

关键词通信卫星监控数据采集

1项目背景

我们从1989年至今致力于通信卫星数据采集系统设备开发工作，Ⅰ型产品已经应用于辽宁省太子河流域防汛调度自动化工程中，它由16个遥测站(DCP)、两个数据中心接收站及通信卫星转发器组成。针对Ⅰ型产品在应用过程中发现的系统稳定性差、RF点频方式换频不便、频率漂移和DCP平台体积太大安装不便等不足，1994至1996年进行了Ⅱ型产品的开发，研制生产了一套中心接收站及一套DCP小站，并完成了星地系统联调及系统演示工作。该产品采用了频率综合技术提高了设备的适应性，在稳定性、可靠性、小型化方面有了很大改进。由于我们技术条件、工艺水平等方面的原因加之经费所限，Ⅱ型产品尚需在实用性、可靠性、产品化等方面做进一步的改善。Ⅰ、Ⅱ型卫星数据采集系统均为单向数据卫星网，我们正进一步研制开发Ⅲ型双向卫星通信系统即：通信卫星监控和数据采集系统(SSCADA)。

2系统简介

通信卫星监控和数据采集系统(SSCADA)是专门设计用于低速率数据采集与监控的双向卫星通信网，由远端数据采集与监控平台(DCSP)即远端站、小型中心站(MHUB)和卫星转发器组成，可构成低成本、高性能的大区域专用卫星通信网。远端数据采集与监控平台由一个全双工的星状网中的普通中心站控制。特殊的设计可低成本解决传统的低数据速率卫星通信领域的难题，例如频率稳定性、相位噪声和抗干扰等。灵活的接口设计和协议选择为数据采集、远端监测、控制和交互应用等提供了高性能价格比的解决方案。通过模块化设计可进一步扩展系统的功能。这就确保在最低成本前提下提高系统可用性。系统设计的宗旨是使主站尽量简洁和低费用，再加上低价格的远端站，系统在地球站设备方面的花费就很低了。天线直径很小，这样就使安装费用和时间降至最低。卫星功率和带宽的有效利用降低了网络运行费用，特别低的功率和带宽需求，与传统的卫星通信系统比较几乎可以忽略卫星转发器的费用，即使是较小的网络也可以有较低费用的解决方案。远端站由三个具有室外工作特性的电子单元构成，电子单元专为适应室外操作环境而设计，可在恶劣环境条件下使用，低功耗设计使远端站可由太阳能供电工作。系统网络结构如图1所示，卫星监控和数据采集系统性能如下：

.速率：300-9600bps

.小型地球站：主站天线口径通常为1.2米，根据需要可以更大。

.远端站：天线口径可以小到55-90厘米。

.出站信道在图上由固定箭头表示，它不停地运转，向各个远端站发出寻址和控制指令。

.各远端站通过时分方式和随机存取方式共用入站信道。

.一个标准586以上PC监控终端是与用户计算机系统连通的网桥，它同时运行网络管理软件系统。

.可以使用任何通用Ku波段转发器。

.电路交换协议：该系统网络支持工业标准异步通信，例如点对点、组或多路广播或与拨号连接兼容的贺氏MODEM应用。

.可选择安装X.25接口。

.闭环网络：该系统专为单一用户设计，而且用户不再需要对地球站的其他控制和命令支付费用，整个网络性能稳定不变且每年的运行费用低廉，不需再为每一信息付费。

图1系统网络结构

3系统介绍

3.1网络结构

系统由下列各部分组成，如图1所示：

主站：远端站：

-天线和集成RF前端-天线和集成RF前端

-主单元-主单元

-监控终端-用户接口单元

-参考晶振单元

-用户单元

系统主要特性：

*低数据速率，300-9600bps

*小型天线：远端站：55-90厘米

主站：1.2米或1.8米

*可以使用任何Ku波段转发器。

3.2主站

主站包括：带RF前端的天线、主单元、监控终端(网络管理系统和用户应用交换接口)、用户单元和参考频率单元。

主站采用偏馈天线，天线直径通常为1.2米，用于发射和接收频率Ku频段信号。对于大型网络可以选择更高性价比的较大的主站天线(如1.8-3.3米)。

RF前端是带L波段接口的高度集成单元(RX波段950-1350MHz，TX波段950—1700MHz)，它与主单元连接。

主单元包括L波段到基带电路的转换器，数字MODEM和通信控制硬件和软件。应用单元通过异步或X.25端口连到主单元或者连接到监控终端的异步端口。监控终端运行系统网管软件，操作人员可通过监控终端对整个网络进行所有必需操作、配置、管理等。监控终端也是系统和用户交换电路之间的网桥。标准RS-232异步接口，根据需要可以使用其它接口。

用户单元可以是用户计算机、用户LAN或其他应用设备，用户单元通过RS232接口或X.25接口与主单元相连。

参考频率单元在网络中产生唯一的高稳定性的10MHz参考频率。参考频率输入主站传输系统，它决定了出站链路频率的准确性。为了提高整个网络的频率稳定度，所有远端站的参考频率都锁相到接收到的出站载波上，与出站载波频率同步。

3.3远端站

远端站包括：天线、RF前端、主单元、用户接口单元等。

3.3.1天线直径55厘米，也可以使用90厘米天线。天线需有很高的效率和很好的交叉极化隔离度。

3.3.2远端站主单元和主站一样，包括锁相转换器、数字MODEM和通信控制硬件和软件。用户接口单元通过异步或X.25端口与主单元相连。

3.3.3用户接口单元主要完成对遥测数据(包括由传感器来的用户数据和远端站状态数据)的采集、处理，按通信规程编码后送入主单元；按照主站的指令要求，完成对各种用户终端的控制，和对远端站状态参数的配置。

.数据采集工作

根据指令要求，用户接口单元通过用户数据接口，完成对用户终端各种不同类型数据的采集和对远端站状态数据的采集，并经处理按通信规程编码后送入主单元。其中的用户数据接口板应单独设置，以插件形式与用户接口单元相连。用户数据接口为通用标准接口板，板上有8路输入接口，通过用户接口单元的控制可以适应某些传感器的数据类型，可输入数字信号、模拟信号、开关量信号和需长期连续记录的脉冲信号(如雨续量计输出信号)；具备串行、并行和人工置数接口功能。当8路输入接口不够用时，可再插一块接口板，把接口数扩展到16个。通过远端站状态接口，可对远端站各单元的工作状态如：电源蓄电池过放告警、远端站工作电流异常告警等信号进行监测。用户接口单元应能适应不同用户系统的各种特定通信规程要求，根据主站的指令要求，可作相应的通信规程配置。

.遥控工作

用户接口单元根据主站的指令要求，通过控制接口电路，可对某些用户终端设备进行控制，可进行开关量控制、数字控制和模拟控制，如可控制水库闸门的升降，可控制石油天然气管道阀门的开启大小和控制电源的开关等。

控制接口电路板应单独设置，以插件形式与用户接口单元相连，板上有8个不同类型的控制接口，根据需要最多可插入两块控制接口板，即最多可控制16个用户终端。

4通信协议

4.1电路交换协议

电路交换采用固定或拨号连接，异步232接口。远端站有两个RS232接口，另外可选用X.25接口。在各接点(主站以及小站)之间的连接控制支持带CRC校验和重传控制的无差错链路通信。

4.2数据包交换协议

X.25接口可以作为一个选项。X.25接口支持工业标准的X.25数据交换通信协议，并且支持虚拟环路交换(SVCS)和永久环路交换(PVCS)。

主站和远端站的X.25接口配置由网络监控终端来管理。

4.3存取协议

出站链路只被主站使用。入站链路使用一个改进的时隙ALOHA随机存取协议。系统设计中很大的适应性在于允许用户把入站链路配置成：

.时隙ALOHA，延迟最小，但在不同应用中可能有冲突发生。这是缺省的存取协议配置。

.TDM方式可以避免冲突。

.上述两种方式的组合。

主站出站链路由相同的帧分配到一定数量的时隙中组成。所有远端站有一个共同数目的时隙并由出站链路的帧头同步。

5网络管理系统

为了对网络进行管理和控制，在普通PC监控终端上运行网络管理软件。程序可在Windows95或WindowsNT操作系统上运行。监控终端向操作者提供网络必需的所有管理功能的操作、配置和管理，监控终端通常也是系统和主站的其它公共或专用网络之间的电路交换桥。

6市场情况及社会经济效益

通信卫星监控和数据采集系统在下列市场具有性能和价格优势：SCADA远端监控和数据采集、交互式数据通信、点到点及点到多点的数据通信。可用于海洋、环境、气象、地壳运动、森林防火监测及水文自动测报，用于油、气和水管线监控及水库水力发电生产监控，用于POS、ATM及商业零售连锁店等交互应用，用于差分GPS和数据广播应用等。根据初步的用户调查，近期国内对通信卫星监控和数据采集平台(DCSP)的需求数约为11000台，以保守估计最终网络规模将达50000台。国外市场特别是亚洲和非洲地区也有广阔的应用前景。通信卫星监控和数据采集系统能够大范围、长距离、全天候、及时准确地自动收集资源、环境、社会、经济等多种信息，并能实时动态地监控有关目标，可比常规人工监测、监控更准确、更有效、更经济，可以节约大量的人力、财力和物力，从而促进各应用部门的技术进步，并带来可观的经济效益；同时也能为国家在资源利用、环境保护、防灾抗灾减灾中产生巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]宋家华、宋法田.卫星通信.北京：宇航出版社.

[2]陈芳允.卫星测控手册.北京：科学出版社.