水库水情测报系统(怀柔水库)
利用卫星的水情测报系统有许多独特优势，如区域、成本、效率、可靠性等。论文介绍了Inmarsat-c的性能特点及其在怀柔水库水情测报系统中典型应用，它为我国水情测报及其他环境、气象、油田、交通等领域的应用开辟了新的途径、很值得关注。
完成单位：北京通讯与导航系统有限公司（中国交通通讯指挥中心下属公司）
使用控制器型号：LP3100/LP3500
数据采集点：38点
通讯方式：海事卫星
主要测点：
1. 库区水位（投入式水位传感器）
2. 雨量（雨量计）
3. 风速（部分）
供电方式：太阳能极板+蓄电池
安装位置：测井旁测量室或柱上
一、系统概述
水情自动测报是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理的专门技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段。它综合了水文、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果，用于水文测量和计算，提高了水情测报速度和洪水预报精度，改变了以往仅靠人工测量水情数据的落后状况，扩大了水情测报范围，对江河流域及水库安全度汛和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发挥重大作用。
海事卫星(Inmarsat)水情自动测报系统是利用海事卫星通信为通信媒体的测报系统。目前，我国已经建成的水情测报系统共有几百个，其中99%都采用了超短波，这些系统对于短距离、地势较平坦的地区来说发挥了很大的优势。但是，超短波通信的局限性在于会因高山的阻挡而影响通信，为此不得不增加中继站。这样系统的设备投资、土建投资和运行维护费用都会相应增加。因此，对于流域面积较大、地势复杂的水域来说，采用超短波通信传送水情信息遇到了很大的困难，有时需要经过4-5级的中继才能把水情信息送到控制中心，这样也降低了系统的可靠性。
二、Inmarsat-C通信介绍
1 Inmarsat简介
Inmarsat即国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织），是一个提供全球卫星移动通信业务的政府间合作机构。创建于1979年，总部设在英国伦敦，目前拥有87个成员国。Inmarsat初创时旨在为海上用户提供移动通信业务服务，随着业务的发展，目前它已经成为世界上唯一为陆海空用户提供全球卫星移动公众通信和遇险安全通信的业务提供者。Inmarsat面对不同的用户提供Inmarsat-A、B、M、C、Mini-M及Aero等多种卫星通信系统。
2 北京船舶通信导航公司和北京海事卫星地面站简介
中国是Inmarsat创始成员国之一，Inmarsat中国签字者为交通部北京船舶通信导航公司（Beijing Marine Communication and Navigation Company）。作为中国向国际移动卫星组织负责的唯一经办机构，北京船舶通信导航公司负责在中国经营和管理Inmarsat业务。负责向用户提供从终端设备入网启用、通信服务、系统集成、技术支持到帐务结算的一条龙服务，建设和运营北京海事卫星地面站。北京海事卫星地面站自一九九一年正式运转至今，已经能够提供几乎所有Inmarsat业务，包括Inmarsat-A、B、M、C、及Mini-M型标准业务。一九九八年，北京船舶通信导航公司投巨资对Inmarsat-C站进行了升级改造，业务能力得到完备和增强。北京海事卫星地面站
强大的技术支持和网管阵容为陆海空用户提供24小时不间断的全球、全天候的卫星移动通信服务。
3 Inmarsat-C业务介绍
Inmarsat-C系统是一个以存储转发方式（Store & Forward）向用户提供双向全球卫星移动数据通信的系统，其通信速率为600bit/s。Inmarsat-C通信系统由三部分组成，既空间段、卫星地面站和用户终端。空间段包括通信卫星、网络协调站和网控中心。卫星地面站为卫星和陆地网之间的连接枢纽。Inmarsat拥有和运营空间段，制定通信技术规程。各国签字方拥有和运营卫星地面站，负责面对用户提供服务，制定收费标准。Inmarsat-C用户终端体积小、重量轻，全向性收发天线。用户终端的能耗很低，可以使用蓄电池、太阳能等电源，尤适合边远地区使用，且设备费用经济。世界上任何有实力的生产厂家都可按照Inmarsat制定的技术指标生产用户终端，但须经Inmarsat测试获得类型批准后方可投入市场销售，目前世界上有很多厂家生产Inmarsat-C用户终端。
Inmarsat-C终端的通信方式有两种：电文方式和数据报告方式。电文方式是利用信息信道传送大批量数据的一种存储转发业务。采用电文方式传送数据，数据到达地面站后要重新打包，然后转发给接收方，需要的传输时间比较长，通常要五、六分钟，若地面站当时的业务繁忙则传输时间会更长一些。但电文方式传送数据，由于采用了错误校验、信息重发和收妥确认等技术手段，数据传输的可靠性比较高。
电文方式一次最多可传送数据32K字节。数据报告方式是利用信令信道传送小批量数据，一次最多传送32个字节。数据报告方式分为两种，一是移动终端到陆地用户数据报告方式，经由地面PSDN或PSTN网；另一是移动终端到移动终端的数据报告方式。数据报告方式传送时间比较短，从发送端到接收端为40秒左右，非常适合于要求传输数据快、传送信息量小的稀路由用户，如无人监控、数据采集的应用，非常适用于水文测报、输油输气管理监控、地震、森林及海洋等领域数据监控。
4 Inmarsat-C数据报告业务介绍
该方式将一组用户所有的终端作为遥测站，中心控制站由一台计算机完成，整个系统赋予一个网号，遥测站之间用成员号（Member No.）加以区分。中心控制站与卫星地面站之间通过PSTN或PSDN陆地网连接。遥测站发来的信息经卫星地面站，通过PSTN或PSDN网直接传递给中心控制站，也可由中心控制站拨号到卫星地面站去取遥测站发来的信息。
4.2 移动终端到移动终端的数据报告方式
移动终端到移动终端的数据报告业务的工作方式是将一组用户，如：一个水利部门所有遥测站和监控中心站组成一个网，分配给它们一个数据网号（DNID），此网中所有终端都有各自不同的成员号（Member No.），其中有一个或两个终端可设为主站（中心监控站），其余终端为从站（遥测站），每个网络最多可容纳255从站，如果一个网的容量不够，可申请使用多个网号，每个卫星地面站的网号资源可达65536个。从站可定时自动地向主站控制中心发送数据，每次可发1至3包，各个包捎带数据量分别为8、12、12字节，共32个字节。主站可向网中所有从站发送数据或控制指令，也可以向网中某一从站发送数据或控制指令。通过PSTN或PSDN网的数据报告方式的特点是地面站与中心控制站间不是通过卫星链路连接，而是通过PSTN或PSDN有线网连接。移动终端到移动终端的数据报告方式的特点是所有通信均不经过陆地网，通信不受陆地网的限制，对于陆地网不发达的地区使用这种组网方式比较合适，如西藏、新疆等地区。两种方式的通信如图2.4.2-1所示：
5 Inmarsat-C用于水情测报的特点
（1）可靠性高
Inmarsat系统是为海上遇险、紧急与安全通信而设计的，系统主用卫星四颗，备用卫星七颗，网络协调站均有备份，全球有Inmarsat-C地面站30多个，整个系统的备份好。另外，Inmarsat是联合国下的民用国际组织，不会因为战争等因素而导致系统关闭，因而系统可靠性极高；
（2） 雨、雪衰减小
Inmarsat-C系统用户终端采用L频段，该频段对雨衰非常小，约为0.2dB，恶劣天气（尤其是雨季）不会影响通信。
（3） 设备轻巧
Inmarsat-C终端天线很小（重0.75公斤，尺寸HxD 124mm x 150mm），雨季不至遭到雷击，终端设备轻（重约1.3公斤，尺寸HxWxD 50mm x 180mm x 165mm），易于运输、安装和维护，非常适用于野外监控和数据采集。
（4） 可无人值守
Inmarsat-C终端省电，睡眠状态下耗电仅为30毫瓦，可用太阳能供电。中心站可遥控控制遥测站。
（5） 投资少
利用Inmarsat-C建立通信系统，用户只需购买终端自行组网。卫星系统和卫星地面站已运行多年。设备小，土建简单，费用少。维护方便使得运行后的维护费用也很低。没有通信月租金,即不通信不收费。
（6） 建设速度快
所有市场销售的Inmarsat-C终端都已经过Inmarsat的批准。用户只需购买终端办理入网即可使用，故系统的建设速度快。
三、CScadaTM 系统组成及功能
CScadaTM水情自动测报系统由中心控制站和遥测站组成。中心控制站实时接收Inmarsat卫星转发的各遥测站上报的水文数据，对数据进行检查、存贮、显示、打印等处理，向所有遥测站发送控制命令，包括控制每天发送次数、校时等，按设定的时段间隔，计算出各雨量站的时段雨量值，统计上报数据的次数及工作状态，检索数据。遥测站的主要任务是自动实时采集、存贮雨量及水位数据，按设定的时间及时间间隔通过卫星向中心控制站传送水文数据。
四、中心站介绍
CScadaTM水情自动测报系统由中心控制站和遥测站组成。中心控制站实时接收Inmarsat卫星转发的各遥测站上报的水文数据，对数据进行检查、存贮、显示、打印等处理，向所有遥测站发送控制命令，包括控制每天发送次数、校时等，按设定的时段间隔，计算出各雨量站的时段雨量值，统计上报数据的次数及工作状态，检索数据。遥测站的主要任务是自动实时采集、存贮雨量及水位数据，按设定的时间及时间间隔通过卫星向中心控制站传送水文数据。
五、遥测站介绍
1 遥测站组成
2 遥测站功能
◇ 实时采集雨量、水位数据并将过程存储到闪存,可保留1年历史数据
◇ 定时自报，按时段向中心控制站发送数据（中心控制站可遥控设置时段间隔，按水利部的要求，分为5个时段，也可通过置数设备设置时段间隔。）
◇ 事件自报，当雨量或水位达到预先设定的间隔时，系统会自动将数据发送到中心控制站
◇ 可通过人工值数设备现场修改、查询数据,
◇ 可通过计算机读取历史数据或设置系统参数
◇ 卫星校时
◇ 接收中心站的控制指令并完成相关操作,如雨量清零的等
3 CTC-001数据采集仪介绍
CTC-001数据采集器是一种全自动、多功能、微功耗数据采集器，特别适合水情、水文、环境、气象、石油、交通等领域的数据自动采集。
5.3.1 CTC-001的构成
CTC-001由接口扩展及电源控制电路板、美国Z-World公司LP3100控制器和德国桑苏（Solsum 6.6）充电保护器构成。所有信号接口均采用德国万可（WAGO）接口端子，电源接口端子采用台湾町洋（DINKLE 2ESD）接插件，面板传感器及电源接口均采用航空接插件。内部信号线接头处全部用热缩管密封。图5.3.1-1和图5.3.1-2分别为CTC-001内部结构及后面板接口示意图，表5.3.1-1为后面板接口说明。
5.3.2.1 LP3100控制器LP3100是CTC-001的核心器件，它具有如下特点：
低功耗、低电压设计（3.3V工作电压）
灵活的电源控制系统
◇ 可选的系统时钟（6.144MHz或3.072MHz）
◇ 闪存技术（512K）
SRAM（128K）
◇ 2个串行通信口（RS-232和RS-482）
◇ 4个12位模拟输入
◇ 4个数字输入
◇ 8个数字输出
◇ 8个可编程数字输入输出
◇ 时钟
◇ 微处理器监测电路
◇ 扩展接口
◇ 诊断LED
图5.3.2.1-1 为LP3100元器件分布图，H2为I/O接口，H3为扩展接口，H4为软件输入接口，U29为128KRAM，U8为256K Flash Eprom用于存放程序，U25为256K Flash Eprom，用于存放用户数据。D1为诊断发光二极管，本系统将D1引到机壳上，机壳前面板右侧的“工作指示”就是D1。图5.3.2.1-2是LP-3100原理结构图.
美国Z-World公司是一个专门从事生产工业控制设备的公司，其产品遍及全球70多个国家和地区。近250,000个Z-World控制器在全球不同的应用领域使用。其中，广州博控LP3100控制器专门为野外应用而设计，它最大的特点就是功耗低，适合太阳能供电。
5.3.2.2 接口扩展及电源控制电路板
功能：扩展LP3100接口，传感器接口电路，控制C站电源，控制光电水位计电源。
图5.3.2.2-1 为接口扩展及电源控制电路板接口示意，表5.3.2.2-1为接口说明.
说明:
◆ 标准接口扩展及电源控制电路板没有控制光电水位计电源电路（印刷电路板上预留了元件焊接孔，但未焊接元器件），系统若要求接光电水位计,则需焊接相关元器件。
◆ 系统缺省连接的雨量计为单簧雨量计，若要求接双簧雨量计，需将电路板左侧的K1连接到标有“Double”字样的端子。
5.5 工作方式及过程
5.5.1 工作参数
1) 卫通ID码
由海事卫星管理部门分配，每台卫星设备在使用前需到该国的海事卫星管理部门办理入网，获得一个识别码（ID码），然后才可投入正常使用。
2) 数据网号
Inmarsat-C用于水情测报时，工作方式为数据报告方式，该方式要求分配一组数据网号（DNID）才能工作，一个水情测报系统通常只有一组数据网号，用于区分其它系统。
3) 成员号
一个数据网号允许有255个成员，成员号是区分各遥测站和中心站。每个测站有唯一的成员号。
4) 测站类型
本系统中测站类型分为纯雨量站、纯水位站、雨量水位站和雨量水位闸位站。
5)定时报数间隔
遥测站可按事先设定的时间间隔向中心站发送数据，该时间间隔就是定时报数间隔，分为5个时段。
6) 降雨量间隔
遥测站存储的降雨量累加值若和上一次发送的数据相差某一数值时，系统启动发送数据，该值便是降雨量间隔。
7) 水位间隔
遥测站监测的水位值若和上一次发送的数据相差某一数值时，系统启动发送数据，该值便是水位间隔。
8) 水位计类型
本系统可以连接光电水位计和机械水位计，水位计类型参数是区分这两种水位计。
9) 光电水位计监测间隔
为了节省功耗，光电水位计在野外不是一直上电工作的，它是按一定的时间间隔上电监测水位，该时间间隔即为光电水位计监测间隔。
10) 光电水位计量程
该参数用于设置光电水位计量程，分8个量程，最小量程为5米，每隔5米为一个量程，最大40米。
5.5.2 工作方式
1) 定时自报
按“定时报时间隔”向中心控制站发送数据（中心控制站可遥控设置时段间隔，按水利部的要求，分为5个时段，也可通过值数设备设置时段间隔。）
2) 事件自报
当雨量或水位达到预先设定的间隔时，系统会自动启动并将数据发送到中心控制站
3）查询应答方式
中心站每天9:01分向所有的遥测站发送控制指令，以改变遥测站的工作状态。