氣象觀測設備運行環境影響信號傳輸的定性分析

蘇貴嶺，楊世昌，廖晶晶(.葫蘆島市氣象局，遼寧葫蘆島5000;.葫蘆島市連山區氣象局，遼寧葫蘆島500)

隨著氣象觀測業務的發展，地面氣象觀測設備尤其是多要素觀測設備的建設日益增加，維護任務越來越重。這對氣象技術保障工作人員的業務水平要求也越來越高，他們不僅要熟練掌握設備硬件維修技術，對于抽象的通信傳輸也要了解。筆者在此結合實際工作中出現過的通信傳輸故障，從設備運行環境方面出發，定性談論電磁干擾對無線通信以及地環路干擾對有線通信的影響，并提出一些簡單的解決方法。

1 區域氣象觀測設備運行環境對信號傳輸影響分析

1.1 大氣環境變化對信號傳輸的影響 區域氣象觀測設備無線傳輸大多采用GPRS方式。GPRS是基于GSM的無線分組交換技術。GSM系統工作頻段分配為GSM900MHz頻段890～915 MHz(移動臺發，基站收)、935～960 MHz(基站發，移動臺收)，DCS 1800 MHz頻段1 710～1 785 MHz(移動臺發，基站收)、1 805～1 880 MHz(基站發，移動臺收)。而通信信號的實質是指攜帶有某種信息的電磁波。當通信信號在空間傳播時，必將與大氣中的氣體分子相互作用［1］。就目前移動通信中信號的頻率而言，其攜帶信息的電磁波的波長遠大于大氣中氣體分子的尺寸，通信信號與氣體分子的作用可近似為電磁波和球形粒子的相互作用［1］。充分考慮大氣環境影響因素，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和電離層產生的法拉第旋轉對GPRS傳播均有不同程度的影響，會造成衰減和起伏。同時大氣湍流的運動使得大氣的速度、溫度、折射率成為一種隨機場，它會使通信信號受到隨機的寄生調制而呈現出額外的大氣湍流噪聲，使接收信噪比減小;使模擬調制的大氣無線通信噪聲增大;使數字無線通信的誤碼率增加［1］。大氣湍流使信號變得不易把握，對通信系統的穩定通信造成很高誤碼率，使得通信質量下降。

1.2 電磁干擾環境對信號傳輸的影響 電磁干擾(EMI)是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發生源如馬達和機器產生的。結合GPRS傳輸特性，其影響方式多為輻射干擾即干擾源通過空間將其信號耦合(干擾)到另一個信號網絡。輻射傳輸以電磁波的形式傳播，干擾能量按電磁場的規律向周圍空間發射。

1.3 環境干擾源影響通信傳輸的解決方法 在實際設備運行環境中，存在很多影響因子干擾區域氣象觀測設備的信號收發。事實上大氣環境的變化對GPRS通信方式的影響比較小。在設備設計過程中，一方面加強設備物理層使其有較強的差錯控制碼，對少量的非持續性錯誤可以糾正，另一方面也在應用層進一步采用差錯控制協議解決傳輸錯誤，如重傳措施等。運行環境中由于干擾源本身的原因以及設備濾波器帶外抑制的限制，在干擾設備的工作頻帶外會產生雜散、諧波、互調等無用信號，其信號強度除了與干擾源本身的質量有關以外，還與2個因素有關:自身的輸出功率越大，無用信號的輸出越大;偏離工作帶寬的程度，離工作帶寬越遠，無用信號越小。此外，干擾源對區域氣象觀測設備的干擾還取決于2個設備工作頻段的間隔和收發信機空間隔離等因素。這些無用信號落到區域氣象站的工作頻帶內，就會對其形成干擾［2］。所以在建設安裝過程中，首先分析設備安裝位置附近干擾源的具體參數，遠離其工作帶寬覆蓋范圍。

區域氣象觀測設備對外來干擾的承受能力也與2個因素有關:①本身信號的強度。信號越強受干擾的機會越少;②干擾信號的大小，干擾信號電平越小，信號受干擾程度越低。在處理維修過程中，首先要有效保障觀測設備自身信號強度穩定。對于附近干擾源狀況難以排查的情況，可以考慮提高濾波精度，提高濾波精度解決方法是在DTU的無線收發系統基礎上，通過使用高精度濾波器或附加濾波器來進一步提高發射機或接收機的濾波特性，達到系統間共存所需的隔離度。提高濾波精度是有效解決干擾的途徑之一，但也意味著提高通訊模塊成本，進而提高整個區域氣象站的成本。其次是優化天線安裝包括天線傾角、方位角、垂直和水平隔離等，通過采取一些優化措施，提高天線間的耦合損失，降低干擾［2］。這個對于數量龐大的區域氣象觀測設備來說是一個比較繁雜的工作，技術要求比較高。

2 地面常規站氣象觀測設備運行環境對信號傳輸影響分析

2.1 電纜感應電動勢的影響 現在的地面氣象觀測站大多采用有線傳輸方式。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，采集器、傳感器等通信電纜在下線井中與設備電源線平行鋪設，并貫通地線。以電磁理論為依據，電纜回路的磁場瞬值變化對通信線產生感生電動勢，該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流(感生電流)。當線路中為數字信號傳輸時，基于數字信號的原理以及抗干擾能力強、無噪聲積累特點，即使線路中產生感生電流對其影響可以忽略不計。而傳感器到采集器防雷板之間信號傳輸模式為模擬信號，基于其傳輸的信號值為一連貫、自然的高低電平的波形特點，感生電動勢會對其造成影響。根據感應電動勢公式E=nΔΦ/Δt(平均電勢)、磁通量Φ=BS(B為勻強磁場的磁感應強度，S為正對面積)，E=BLVsinA(瞬時電勢)，式中，E為瞬時電勢，L為長度，V為速度，sinA為V或L與磁感線的夾角［3］。當磁場瞬值變化時就會產生一定量值的電動勢對模擬信號進行干擾。尤其觀測站供電系統接入當地農業電網時，農業電電壓質量較難達到標準，電壓峰值差較大且變化不穩定，造成磁通量值變化明顯。同時電源線與傳感器通信線平行鋪設，二者皆有老化現象并傳感器通信線在外界因素影響造成擺動時，感應電動勢瞬值更明顯，容易造成信號傳輸故障。結合該地區出現的實例，地溫出現跳變情況，排查設備硬件無效后，檢查發現該問題，情況大有改觀。

2.2 地線造成的電磁干擾影響 地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下，會產生地線環路電流，形成地環路干擾。當2個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗干擾(耦合)［4］。結合臺站建設情況，如果所有的傳感器設備貫通地線，信號傳輸為模擬量值的傳感器很容易受到地環路干擾，由于雷擊或附近大功率設備啟動時造成信號失真影響;如果所有傳感器與采集器、電源系統貫通地線，采集器以及一些傳感器傳輸為數字信號，由于信號的頻率較高，地線往往呈現較大的阻抗。這時，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現公共阻抗耦合的問題。如圖1中2個接地的電路。由于地線阻抗的存在，當電流流過地線時，就會在地線上產生電壓。當電流較大時，這個電壓可以很大。如附近有大功率用電器啟動時，會在地線中流過很強的電流。這個電流會在2個設備的連接電纜上產生電流。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產生差模電壓，對電路造成影響。

在數字電路中，可能出現公共阻抗耦合問題，產生有害噪聲信號對氣象觀測設備處理單元造成誤判斷。如圖2說明了一種干擾現象。以華云氣象儀器CAWS600－SE為例，通信線傳輸為數字信號，兩端為R232串口連接，設定基站通信線與電源線共地組成一個由4個門電路組成的簡單電路。假設門1的輸出電平由高變為低，這時電路中的寄生電容(門2為采集器中的電壓控制電路有濾波電容)會通過門1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會在地線上產生尖峰電壓，如果這時門3的輸出是低電平，則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端、門4的輸入端，如果這個尖峰電壓的幅度超過門4的噪聲門限，產生門限效應，就會造成門4的誤動作［5］。門4電路連接CAWS－QJ01通訊預處理單元，其通過RS－232C標準串行通訊口與主機和采集單元通訊，中央處理器(CPU)為80C31單片機［6］。門4誤動作會造成單片機錯誤判斷處理數據，從而導致采集數據預處理異常。主控機無法對數據按要求進行處理，造成觀測數據丟失、跳變等。

圖1 地線環路電流示意圖

圖2 公共阻抗耦合示意圖

2.3 地線電磁干擾影響通信傳輸的解決方法 地面有線的純數字傳輸，如RS232標準，傳輸距離近，通信速率低。可以采取多種方式解決隨機差錯。在相同的測量條件下，對同一量值進行多次等精度測量時，仍會有各種偶然的、無法預測的不確定因素干擾而產生測量誤差，其絕對值和符號均不可預知。雖然單次測量的隨機誤差沒有規律，但多次測量的總體卻服從統計規律，通過對測量數據的統計處理，能在理論上消除對測量結果的影響。在實際觀測過程中，應對某一數據異常的觀測要素進行多次單要素測量，通過數據統計處理觀測到的數據。結合建站實際情況，解決地環路干擾的方法有切斷地環路、增加地環路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯單點接地，徹底消除公共阻抗。

在硬件方面，首先可以在傳感器通信線兩端加載電磁干擾濾波器，但要保證濾波器成對安裝，在傳感器端與采集器防雷板端同時安裝。電磁干擾濾波器的感應部分被設計為一個高頻截止器件，電磁干擾濾波器的其他部分使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，使這些有害的高頻噪聲不能到達敏感電路。這樣，電磁干擾濾波器顯著降低或衰減了所有要進入或離開受保護電子器件的有害噪聲信號。將通信線一端的設備浮地，就切斷了地環路，因此可以消除地環路電流。但出于安全的考慮，往往不允許電路浮地，這時可以考慮將設備通過一個電感接地，這樣對于50 Hz的交流電流設備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設備接地阻抗較大，減小了地環路電流。消除公共阻抗耦合的途徑有2個:①減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合;②通過適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線、數字電路和模擬電路共用地線。減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感，這包括使用扁平導體做地線、用多條相距較遠的并聯導體作接地線。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯單點接地，如可以將電路按照強信號、弱信號、模擬信號、數字信號等分類，然后在同類電路內部用串聯單點接地，不同類型的電路采用并聯單點接地［4］。

3 結束語

地面氣象觀測設備在運行過程中出現通信故障時，應從多角度考慮分析。對于比較抽象的運行環境干擾因素，大家容易忽視。針對無線傳輸的干擾影響，積極與當地移動提供商協商，減少區域站運行環境的干擾因素。在地面氣象觀測站建設中，充分考慮到電磁干擾因素，避免通信電纜與電源電纜共地。觀測場周圍不能有強干擾源，如通信或電視廣播發射塔等，若有，必須把通信電纜線穿到帶屏蔽的PVC管中并埋在地溝中走線等。

［1］江海榮.空間環境對衛星傳輸的影響［J］.邯鄲學院學報，2007，13(7):83－84.

［2］侯江生，鄒哲馨，段利軍，等.淺談信號干擾對區域自動氣象站的數據傳輸影響［J］.氣象研究與應用，2014，35(1):85 －87.

［3］徐送寧.大學物理［M］.北京:科學出版社，2011.

［4］何宏.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京:國防工業出版社，2007.

［5］徐新艷.數字電子技術及其應用［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［6］李黃.自動氣象站實用手冊［M］.北京:氣象出版社，2007:15－48.