【摘要】 对于水利行业,卫星最主要的应用是卫星通信。作为最有效的应急通信手段,卫星通信具备地面通信设施所不具备的优良防灾特性,是常规微波系统和光纤通信系统的有效补充。随着其技术的不断发展,通信卫星的功能不断扩大,使用的频段和领域不断拓宽,通信容量不断增大,通信质量迅速提高,而使用成本则不断下降。如今,不仅仅通信功能应用越来越普遍,卫星作为导航定位、水利遥感等应用的有效载体,在水利工程定位、工程建设、洪涝灾情监测和评估等方面也发挥着越来越重要的作用。
【关键词】 卫星定位遥感监测
1 卫星通信
目前,卫星通信主要有卫星固定通信、卫星移动通信、卫星广播等几种方式。在水利行业应用最为广泛的是卫星固定通信,而其中的宽带通信业务应用将越来越普遍。
为增强防汛减灾能力,提高防汛指挥调度信息化水平,2008年水利部开始建设新一代水利卫星通信系统,系统已于2010年下半年投入运行。水利卫星转发器采取一次性购置15年使用权的方式,采用Ku+C的方案;卫星主站采用目前主流的DVB-S2技术体制,支持星型/网状混合组网的方式。业务以数据、视频和语音为主,广播业务为辅。
(1)卫星资源。新一代水利卫星通信平台拥有27.2MHz卫星资源,其中,Ku波段有22.2MHz,采用亚洲5号卫星;C波段有5MHz,采用亚太6号卫星。
(2)卫星主站平台。水利部新一代宽带卫星通信主站平台采用美国iDirect公司的产品,该系统代表了目前IP宽带多媒体VSAT卫星通信系统发展的最新成就和最高水平。iDirect系统基于标准IP协议平台,实现了IP技术与卫星通信技术的深层融合。
(3)语音数据通信小站。语音与数据小站采用星形网的连接方式。按此配置组网,即可实现水位、雨量、流量等各类水雨情数据传输,又可满足语音通信和高速数据通信(如Internet接入)等业务需求。
(4)综合业务小站。综合业务小站与语音数据小站的区别是增加了视频监控功能,其他功能与结构基本一致,考虑到综合业务小站有视频传输业务或未来有视频传输业务,通过链路计算,在1.2米天线的基础下,功放需增大至4W。
为了保证传输较好图像品质,根据图像的分辨率,卫星网络提供通道传输速率384-1024Kbps。
(5)应急便携站。应急便携型卫星小站用于流域范围内应急抢险机动通信,一旦流域内出现险情,可以随时调用到受灾现场通过一跳的卫星通信与后方指挥中心的语音、数据和视频实时通信,用于抢险救灾指挥调度。
新一代水利卫星通信网建成后,有效解决了各流域水文报汛、应急抢险机动通信、工程视频监视、互联网接入等综合业务的需求,提高了流域防汛减灾、水资源管理和水利工程管理等工作的现代化水平,扭转了部分地区通信条件落后的状况,增强了重点防洪区域的通信保障,对于整个水利防汛通信专网通信保证能力的提升具有重要意义。
2 卫星定位
卫星导航定位技术的发展始于六十年代。卫星定位的工作原理实际上就是利用三个以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点(接收机)的位置。目前已开始运行的卫星导航系统主要包括全球定位系统(GPS)、格洛纳斯(GLONASS)、北斗卫星导航系统等。目前,卫星导航定位在水利行业的应用主要有如下几点:
(1)在工程测量中的应用。卫星定位技术可用于进行水下地形测量。近几年兴起的GPS-RTK(Real Time Kinematic)技术可通过实时差分定位技术在野外实时得到厘米级定位精度。通过该技术并结合数字测深仪,可进行高效水下地形测量。在长江三峡水利枢纽右岸三期下游围堰拆除工程中,就曾采用这一技术。
(2)在工程变形监测中的应用。为保证水利工程安全运行,对其进行变形监测和安全预报是非常必要的。国内相关科研机构做了这方面的试验,结果证明卫星定位技术用于各种工程变形监测是可行的,可以满足毫米或亚毫米级的精度要求。如湖北隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统就是一个成功的典范。
(3)在水利通信与应急方面的应用。采用卫星定位技术可以精确地定位险情发生的地点,辅助通信技术后能实现现场和指挥中心的联动。
3 卫星遥感
卫星遥感是现代高性能,不受地域限制的空间信息获取手段,在国民经济,社会发展中起到非常重要的作用。
自80年代以来,我国利用资源卫星及其它航天、航空遥感方法,在洪涝、干旱灾害的监测与评估、水土流失调查与动态监测、水利工程前期规划、大型水库工程的地质调查、生态环境及水资源、水污染监测与调查、干旱沙漠区的水资源调查以及有效灌溉面积调查等方面进行了大量的应用与研究,在国家资源环境调查和宏观决策、水利工程建设、洪涝灾情监测和评估等方面发挥了重要作用。目前,卫星遥感技术在水利行业主要有以下几种应用。
(1)用于防汛抗旱。水利部每天接收NOAA、风云、MODIS等遥感数据用于日常防汛抗旱、水情气象会商等。
(2)洪、涝灾害遥感监测与评估。利用卫星遥感数据对洪、涝灾害、山体滑坡、堰塞湖等进行监测,对灾情进行损失评估,在防洪指挥决策和灾情调查、处置中发挥重要作用。洪、涝灾害是水利遥感技术应用的重点。水利部曾多次利用卫星遥感技术,对我国发生的重大洪涝灾害进行监测。
(3)用于防洪工程管理。利用卫星遥感技术对在建大型防洪工程进行工程实施进度监测,有效掌握工程实施状况。三峡大坝施工时曾利用卫星遥感技术,对大坝建设工程进行阶段监测。另外,利用遥感技术可监视大型防洪工程的运行状况,如水域的变化状况等。
(4)遥感监测旱情。利用卫星遥感技术大面积、快速获取同一时期内的地面降雨量和土壤前期含水量,再与气象部门预报的降水量、蒸发量等相结合,利用适当的水文计算模型,就能快速地计算出某一地区的产汇流和径流量,也就可以实现洪水或旱情预测、预报和预警,对防灾减灾具有重要的作用。
(5)进行有效灌溉面积调查、水土流失调查与动态监测。卫星遥感可以用最少的人力、物力完成全国的有效灌溉面积、水土流失调查,它的费用至少是常规方法的千分之一至万分之一。
(6)其他应用。此外,卫星遥感在大型水库库区环境容量方面的遥感调查应用、干旱沙漠区地下水资源的调查,古河道的变迁、河床及河口三角洲的演变,大型水库坝址的地质调查、水利工程的前期规划以及水资源水环境污染的监测与调查等方面也都有过不少的应用。