氣象觀測數據傳輸的影響因素定性分析

高健

摘 要：氣象觀測數據的傳輸質量直接影響到了整個氣象觀測系統的實時性與準確性，因而成為了該領域內研究的重點內容。本文根據工作實踐，對數據傳輸過程中可能對通信質量造成影響的各種潛在因素進行了逐一的分析，從大氣環境方面、電磁干擾方面、電纜感應電動勢方面以及地線影響等各個層面進行了綜合探討與細致的研究，并在此基礎上對設備安裝及維護保養工作提出了一些合理化建議，對保障氣象觀測數據傳輸質量起到了積極的促進作用。

關鍵詞：氣象觀測設備；數據傳輸；信號質量；影響因素

隨著氣象觀測業務的發展和自動化觀測設備的大量使用，數據傳輸與信號通信環節的維護工作重要性不斷提高，也給地面氣象觀測設備保障人員帶來了更高的技術挑戰。本文結合實際工作經驗，對氣象數據傳輸的影響因素進行定性分析，深入研究這些因素對通信信號的影響模式，以及如何進行避免和改善，現總結如下。

1 運行環境的信號干擾影響

1.1 大氣環境變化影響分析

在氣象觀測設備當中，大量使用了GPRS技術作為無線通信的核心技術，該技術是基于GSM的無線分組交換技術，由此可以看出，氣象數據的傳輸大部分是依賴電磁波作為載體的，這就勢必會受到大氣環境的影響。從信號學理論方面分析，由于目前使用的電磁波波長遠遠超過了氣體分析直徑，因此可將后者忽略不計，把氣體分子對信號的影響作用近似的等價于電磁波和球形粒子的相互作用。從實際應用方面分析，大氣折射、大氣閃爍、電離層閃爍和法拉第旋轉等自然現象都會對氣象信號傳輸構成負面影響，形成信號的衰減和起伏；另一方面，也必須考慮到大氣湍流的運動對一系列大氣環境參數構成的影響，從而間接影響到氣象數據的傳輸質量，使得信號噪聲增大，數據包的誤碼率上升。

1.2 電磁干擾影響分析

電磁干擾往往由有源設備發出，并隨功率的提升而增大，這類干擾對電磁波信號的影響相當大，是干擾電纜信號并降低信號完好性重點因素。在GPRS信號傳輸過程中，電磁干擾的作用模式往往是通過空間將其信號耦合（干擾）到另一個信號網絡，從而對該網絡內的信號構成嚴重的影響，導致其失真。干擾信號的輻射傳輸特點使得其以球狀發散的方式從源頭向四周擴散，影響效果隨著距離的增加而逐漸減弱。

1.3 環境干擾源的分析與解決

在設備安裝和維護過程中，針對環境因素的干擾問題，一方面可針對網絡傳輸設備中的物理層模塊進行優化與改進，例如強化其差錯控制機制，使得設備對偶發的傳輸異常具有自檢定和自排查功能；另一方面也可通過高層協議來添加相關的數據異常解決功能，如在應用層設置差錯控制機制，對丟失、出錯、失序的數據包進行重傳，對重復的數據包也能夠可靠的檢查并丟棄；針對電磁干擾，可首先考慮設定科學合理的設備間距，以及各個設備的運行功率，前者可使得設備遠離干擾源，并將干擾的影響降到最低，而后者則從源頭上減少干擾信號的功率，縮減其影響范圍。

2 氣象觀測設備間的信號干擾影響

2.1 電纜感應電動勢的影響

為了確保通信質量，地面站觀測設備間往往采取各種有線連接方式，借助通信電纜來實現整個系統的網絡化。各個采集器和傳感器所連接的通信電纜均需要埋設在地下井平行布設，而電源線路也在其中。根據電磁理論，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，會對通信線路中的信號造成程度不等的影響。數字信號的抗干擾能力較強，識別性能較好，因此受到此干擾時，基本不會影響到接收端的采樣精度，而當線路中為模擬信號（如傳感器與采集器防雷板時間）時，則會受到較強的干擾影響，甚至破壞信號波形狀態，大大提高了接收端的采樣誤差，從而導致數據傳輸誤碼率和丟包率的上升。

2.2 地線造成的電磁干擾影響

眾所周知，地線中存在阻抗，而正是這一因素導致了在傳輸信號的過程中，地線上會產生電壓，從而會產生地線環路電流，形成地環路干擾。另一方面，當兩個電路連接在同一根地線上時，還會形成所謂的公共阻抗干擾，即耦合現象。而在長時間的臺建工作中發現，多數傳感器設備均貫通地線，形成多個電路共享同一根地線的情況，這會導致地線環路干擾極大的影響模擬信號的傳輸；此外，若采集器和電源系統同時貫通地線，則地線往往呈現較大的阻抗，這會導致原本抗干擾能力較強的數字信號的傳輸同樣受到公共阻抗耦合問題的影響。下圖中給出了地線環路電流干擾模型，圖中兩個接地的電路均受到了地線阻抗的影響，地線中有電流經過時，就會產生電壓。尤其當地線附近有大功率設備開啟運轉時，這一電流強度也會明顯提高，帶來強烈的干擾，且由于電路的不平衡性，各條線路中的電流強度均存在差異，而由此也會產生差模電壓，最終也對數據信號的傳輸構成了負面干擾。

2.3 設備間干擾影響的分析與解決

從誤差機制方面分析，數字信號傳輸距離較近，且帶寬相對較低，因此可使用多種機制的差錯解決方案。如采取多次采樣信號，并使用加權平均方法對樣本集進行分析。雖然單次采樣仍然會出現各種測量誤差，且因為干擾因素的不同而呈現出不規則和無法預測的特征，但總體上看，樣本群體依舊會服從統計規律，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。

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。從硬件配置環節進行分析，可采取以下策略。首先可以考慮為傳感器節點設備添加干擾濾波器，該器件的感應部分是一個高頻截止元件，其他部分則使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲，通過這種方法可以很好的將高頻噪聲與敏感電路相隔離，使得其無法進入到敏感電路中并對其發出的信號造成負面影響。電磁干擾濾波器正是通過這種模式顯著降低或衰減了干擾信號，可靠的保護了通信質量。

3 結語

氣象觀測數據的傳輸問題涉及的環節較多，又與多種不同類型的觀測設備的運行特點相關聯。近年來，雖然氣象觀測工作的自動化水平不斷提高，很大程度上減輕了地面氣象人員的工作負荷，但各種維護保養工作的壓力卻逐漸提高，而確保氣象觀測數據準確性和完備性的必要條件之一就是可靠的數據通信。以往的檢修維護工作對設備本身的問題較為重視，但往往忽視了周圍環境對信號傳輸造成影像。結合實際工作經驗，本文認為在氣象觀測設備的安裝及運維工作過程中，應當針對無線傳輸的干擾影響，盡可能的控制和減少區域站運行環境的干擾因素，并積極與其他部門保持溝通，如當地環保部門和移動供應商等，共同保障氣象觀測數據的正常通信。

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