基于5G和北斗系统的水文在线测报系统展望

基于5G和北斗系统的水文在线测报系统展望

梁玉荣

济南市水文局山东济南250014

摘要：5G是新一代通讯系统，它具有高网速、低延时的特征，北斗系统是中国自主研发的导航系统，它具有高精度、高可靠性。本文展望了5G和北斗导航系统在水文在线测报系统的应用，提出建立地面固定点水情测报系统、水面可控制移动水情测报系统、空中水情观测系统，并简要叙述了系统的主要功能和实现方式，为未来水文测报的发展提供了一个参考。

关键词：5G；北斗导航；水文测报；固定点；水面；空中

5G是第五代移动电话行动通信标准的简称[1]。5G是目前移动通信技术发展的主要内容，它将在近几年信息基础设施的发展中起重要作用。与当前使用的4G技术相比，5G技术会在用户的网络体验上得到进一步的提升，同时将在万物互联的应用中起到重要的通讯支撑，未来5G网速将是现在使用的4G网络网速的10倍以上。同时5G网络在可靠性上将有很大的提高，时间延时性更低，它在未来的特定的行业应用（比如智能制造、自动驾驶等）需求方面将有很大的发挥空间，这必将拓宽相关产业的发展空间，对经济社会创新发展起到重要的支撑作用。目前，5G技术标准的成熟，但还是不太完美，4G还具有一定的发展空间，还将持续发展一段时间。但5G已经在2019年8月推出成熟的商业化终端，当前的任务就是加快研发创新，加大5G技术、标准与产品研发的力度，构建国际化5G试验平台。

中国北斗卫星导航系统[2]（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制，具有独立知识产权的的全球卫星导航定位系统。它能够在在全球范围内各种复杂天气条件下、24小时为每一位使用者提供定位、导航、授时服务，并且具有高精度、高可靠性等特点，它还具有其他导航系统不具有的短报文通信能力，他的定位精度在10米左右，速度测量精度为0.2米/秒，时间测量误差为10纳秒。与美国的全球定位系统GPS系统相比，北斗系统用户可以与另一个使用北斗系统的用户或管理员发送或接受短信，用户可以发送或接受短报文信息限制在40-60个汉字。

水文测报[3]不但可以帮政府和相关机构了解、掌握水文测报站所在地区实时的水雨情情况、水文情势变化情况和发展态势，而且可以通过建立由历史水文资料、历史灾害资料分析等测定的水文资料建立预报模型，也可以通过建立水文学数学模型来进行分析计算，可以在一定程度上预测一定时期内的水文信息的发展趋势，这将为政府相关部门的防汛抗旱调度决策提供一定的科学参考价值。本文旨在展望未来5G和北斗导航系统在水文在线测报系统的技术应用。

1.在线实时水情测报系统的设想

目前，北斗卫星已经用于海洋水文的实时监测，可以根据需要针对目标区域的海水温度、盐度、深度等实施即时监测[4]，但技术仅限于温度、盐度、深度等基础数据的检测，并且不能进行实时观测和在线分析，数据的传输只是靠北斗的短报文系统，信息量小，有一定的滞后性。华云升达（北京）气象科技有限责任公司研发的海洋气象漂流观测仪[5]可以飘流海上，对空气温度、海面气压、表层海水温度、表层海水盐度、风速、风向进行观测，并能存储和发送数据，但是浮标的漂流方向是无法控制的，传输是靠北斗的短报文系统，信息量小。

在5G和北斗系统的支持下，可以设计一套具有固定和可控制移动的实时在线水文测报系统。该系统不仅可以满足在线实时测报，还可以进行在线观测，不仅可以定点观测，还可以实现水、路、空实时精确移动观测。

2.技术实现

2.1固定点水情测报系统的实现

本系统将实现收集、传递和处理水文实时数据，它是由各种传感器、通讯设备和计算机等装置组合而成。与传统测报系统相比，本系统将充分利用5G网络和北斗系统，实现精确快速的水情测报.

与传统的测报系统相比，该系统增加了实时影像和在线操控系统，这两个系统将充分利用5G网络的高可靠性和低延时性的特点，用于在线观测雨情信息和在线远程操控一些检测设备，实现以下功能：

1.在线视频影像传输利用5G网络系统建设一套在线观测影音视频传输系统，该系统实现影音视频的在线直播，录播，群发和存储功能，用于水情信息的视频远程在线监测，特别是在洪涝灾害发生时，能及时把现场信息传递给相关的决策部门，以便及时采取紧急防灾措施。

2.在线水情测报远程操控利用5G网络的超高可靠低时延通信技术，建立远程水质分析和仪器检定操控系统。远程水质分析系统用于实现原来需要人工操作的多步骤水质分析的远程操作分析，该系统将利用简化的远程控制机械手臂，在远程监控和指挥下，进行简单的水质分析操作，并把操作的过程和结果以视频和数据的形式传送到需要的各级测站和控制中心。

3.紧急情况下的应急处理利用人工智能技术，建立应急控制系统，当发生断电、通讯中断、自然灾害时，自动启用备用电源，关闭耗电量大的不常用设备，并向5G网络和北斗系统发送消息，自动记录并存储相关的水情信息，以备系统恢复后向控制中心传输数据。

2.2水面可控制移动水情测报系统的实现

该系统可实现在水库或河流上进行可控制移动，并能把观测到的水情信息以影音视频和数据的形式传递到控制中心，该系统有以下部分组成：

1.在线视频影像传输该系统与固定点测报系统的结构和功能类似，用于在水面观测水情信息，并可用于运动的视频观测和控制。

2.在线水情测报系统该系统与固定点测报系统相比，去除了远程操控系统，以减轻系统的重量，只保留相关的传感器，用于测量简单的水质信息，并进行存储和发报。

3.可控制移动系统该系统由方位控制器和运动器构成。方位控制器主要任务：一是与北斗系统通信，确定精确位置，并反馈给控制中心；二是使系统保持平衡和固定的方向，并控制系统的运动方向。运动器可以使向各个方向移动，使系统及时到达指定的位置。

4.电源及应急系统本系统配备大容量可充电蓄电池，白天可用系统自带的太阳能电池板充电，阴天或夜晚可以停泊在指定的位置接入电网充电。当发生暴雨或其他恶略天气时，系统启动应急保护措施，在控制中心指挥下停靠在安全地带，如果通讯中断，则系统会自动寻找安全位置停靠，并不断向控制中心以网络信号和北斗短信发送信息，直到通讯恢复正常。

2.3空中水情观测系统的实现

该设备是在传统无人机的基础上进行改造得到的，传统无人机的通讯方式和传输方式是通过无线电实现的，存在着拍摄质量不高，定位准确度差，传输的速度低等缺点。改造后的系统使用高清摄像技术拍摄，可以得到清晰的现场画面和视频；传输使用5G网络，不但提高了传输的速度和质量，还可大大增加设备的操控距离；系统增加北斗全球定位系统，可以比较准确地确定具体位置，并及时反馈到控制中心，方便控制中心的远程监控。

3.总结

5G移动通信网络具有高的传输速度、更高的可靠性，更低的时延，是目前移动通讯的主要发展方向，北斗卫星导航系统具有高精度、高可靠定位、导航、授时服务等功能，把这两个系统引入到水文在线测报系统，将大大增加水文测报的实时性、准确性和精度，并可在一定程度上减少人员的工作量，本文展望了未来5G和北斗导航系统在水文测报中的应用，论述了地面固定点水情测报系统、水面可控制移动水情测报系统、空中水情观测系统的主要功能和实现方式，为未来水文测报的发展提供了一个参考。

参考文献：

[1]朱蓓.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].智能建筑与智慧城市，2018（11）：85-86.

[2]张诗永.北斗卫星导航系统为“一带一路”保驾护航[J].福建交通科技，2015（05）：73-74.

[3]邓君宇.水文测报面临的问题及解决策略[J].低碳世界，2018（05）：81-82.

[4]傅家亮.北斗卫星下的海洋水文实时监测系统分析[J].通讯世界.2019，26（01）：280-281

[5]张明，杨志勇，王亚静等.基于北斗通信的海洋气象漂流观测仪[J].气象科技进展2018，8（06）：162-166