北斗卫星短报文在输电线路覆冰监测系统中的应用

北斗卫星短报文在输电线路覆冰监测系统中的应用一文创作于：2023-08-16 04:22:09，全文字数：16992。

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

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