作者：漆凌云

摘要：超短波水情自动测报系统由于通信可靠、技术成熟，而在国内普遍应用，中继站是整个系统的重要环节，是确保系统正常运行的关键，要求中继站可靠性要高。本文结合天鹅山中继站从信道质量、抗干扰能力，防雷措施和电源系统四个方面深入研究了影响可靠性的因素，并提出了改进或控制措施。

关键词：中继站　超短波　水情自动测报系统　抗干扰　可靠性

1前言

水情自动测报系统自1978年在北京怀柔水库和湖南省黄石水库进行试点以来，走过了26年的风雨历程，在目前流行的超短波、Inmarsat-C、VSAT和GSM四种通信方式中，由于超短波通信是一个独立的通信网络，不借助全球定位系统和通信卫星，不受外部条件的制约，这种通信方式最可靠，倍受广大用户青睐。

但是，超短波水情自动测报系统也有致命的弱点：大多数遥测站的信号不能直接传递到中心站，要进行中继转发，而且往往需多级中继，中继站出了问题便可能导致整个系统瘫痪，严重威胁水库的防洪安全，影响水库的经济效益。因此，提高中继站的可靠性成为系统管理人员研究的重点。根据作者十年来的管理经验认为：提高中继站的可靠性主要是提高信道质量、抗干扰能力、防雷能力和电源安全性四个方面。

2　提高中继站信道质量
在中继站选址时，首先要考虑信道质量。信道质量的优劣是水情自动测报系统数据准确传输的关键。目前，有些大、中型水库的流域面积还是人烟稀少的原始森林区，若每条线路都去现场测量，既耗费时间，又耗费精力、财力。这就要求首先根据地形图计算水情自动测报系统信道质量指标，再进行测量和论证。

对于一个水情自动测报系统，遥测站发射功率Pt的无线电波，经过路径损耗L和外部噪声功率N的影响，到达中继站的输入功率Pr与接收机的门限电平Pro之差，应大于信号的衰减余额M，则该信道质量满足要求。例如：四都遥测站海拔800m，天鹅山中继站海拔1058m，通信距离24km，中间距中继站16km有平均海拔1600米的八面山（山峰海拔2084m但不在信道上）阻隔，通信频率230MHz，发射功率20W，通过计算，信道系统余值与衰落余值之差为26.33dB，信道质量很好。
在系统设计和管理中可以采取下列措施来提高信道质量。

2.1合理选择中继站站址
在选择中继站时，既要考虑水情数据的代表性，又要考虑信道质量，同时还要兼顾到设备的维护、交通等问题，因此，选择合理的站址是改善信道质量的关键。

2.2　数据传输速率不要太大
数据传输速率的大小也是影响信道质量的重要因素之一。数据传输速率越小，则抗干扰能力越强，信道误码率越小，但不能适应当今高速发展的计算机处理技术的要求。在超短波水情自动测报系统中，频段是水情遥测专用，一般的工业干扰、无线电干扰均可抑制，因此，国内基本上使用300bit/s的数据传输速率。

2.3　从硬件设备上改进信道质量
在实际工作中可以采取如下措施改进信道质量：
a.提高遥测站、中继站的天线增益，东江遥测站采用8dB五元八木定向天线，中继站采用8dB全向天线。
b.在允许的范围内适当地增加电台发射功率，东江水情自动测报系统均采用20W，因为发射功率愈大，信号愈好，但是耗电愈大。
c.提高中继站电台灵敏度。
d.如果一个中继站信号满足不了要求，可以增加中继站的级数，实行多级通信。
e.在天线与铁塔之间安装环氧绝缘棒，避免信号通过铁塔到地而衰减。

3　提高中继站抗干扰能力
水情自动测报系统中继站选址时，通常选择通信质量好、交通方便、有交流电的高山上，这必然使同一座山顶上存在多个互不相关的单位，并分别独立组建无线通信网(包括水情自动测报系统)，使该高山成为集中式台址，造成多个无线电频率、多种工作方式的无线通信天线设备十分靠近地架设在一个台址上，并且同时工作，如果处理不好则会产生互调干扰、邻频道干扰、同频干扰。因此，解决中继站的干扰问题是保证水情自动测报系统正常可靠工作的必要条件。

3.1　同频干扰及控制措施
水情自动测报系统有自报式和应答式两种工作体制。自报式体制具有结构简单、维护量小、投资少等优点，目前几乎被所有水情自动测报系统采用。但自报式体制最大的缺点是：在站点多、布网密的系统中比较容易发生同频干扰(也叫同频碰撞)现象，特别是在大暴雨的情况下，同频干扰现象更加严重。

同频干扰的概率与以下三个参量有关：
a.遥测站每次上报数据所占用信道的时间t，该参数与信息量大小及发报速率有关。
b.同一遥测站相邻两次发报最小时间间隔T，该参数与最大降雨强度有关，即为最大暴雨时，1mm降雨量所需的最短时间。
c.通过中继站转发的遥测站数N。

在水情自动测报系统中，翻斗雨量计的误差在最大雨强时不大于3，而且测站发射的数据是累加值，因此，由本系统所造成的同频干扰使数据丢失而引起的系统误差比较小。为了避免或减少碰撞次数，可以采取如下一些措施：①尽可能缩短发送数据的时间；②限制相邻两次数据发送的最小间隔时间；③大型的水情自动测报系统可以采取遥测站在不同频率发送数据，中继站双机异频接收，同频发射。

3.2　互调干扰及其控制措施
国家无线电管理委员会公布的民用超短波通信频率以25kHz间隔均匀连续排列。等间隔均匀排列的频率将产生互调波，如果这些互调波与应用频带内的频率相同，会形成干扰。在等差排列的频率中选出一组频率，使其任何两个频率差不等于其他任何两个频率差，它们所产生的互调波不会落到序列内的任何一个工作频率上，这样虽然能控制互调干扰，但会降低频率的利用率。因此，在实际组网时不可避免地存在3阶互调波，必须根据具体情况采取相应措施。

a.将天线垂直隔离。在超短波通信的一组频率序列中，如存在两两频率之差相等，则在有关的频率之间将产生3阶互调波，反之，在一组频率系列中，如要求不产生3阶互调波，则必须任意两两频率之差不相等，产生3阶互调波有两种类型。例如：某中继站址有4组频率在工作，分别是224.0MHz、224.1MHz、224.2MHz、224.3MHz，则显而易见会产生两种类型的3阶互调波。为了消除干扰，将四个频率分成两组，第一组是224.0MHz和224.2MHz，第二组是224.1MHz和224.3MHz。将两组天线垂直拉开3个波长，即4m之后，存在的三阶互调波是：223.8MHz、224.4MHz、223.9MHz、224.5MHz对系统无干扰影响。

b.在电台输出端加环形器。当中继站有多台双频双工电台时，会出现一台电台发出的无线电波通过天线倒灌进另一台电台的末级，由于非线性而产生与中继站中某一电台接收频率相同的干扰波致使该机误工作。此时在电台的输出端装上适当的环行器，使电台之间的耦合衰减增大，致使倒灌波受到很大的衰减，而不会影响电台的正常工作。

3.3　邻频道干扰及其控制措施
由于电台接收机的选择性不够或者邻频道发射机边带太宽，致使射频信号溅入邻频道，从而产生邻频道干扰。若接收机的接收频率与邻频道发射机的发射频率之差越小，邻频道干扰就越大。由于发射和接收频率受温度变化、电源电压变动和经年变化等因素的影响，使工作频率变动。因此，在电台设计时，对接收机的选择性和发射机的发射频宽等指标要留有余量。
邻频道干扰的控制措施一般有以下3个方面：

a.采用特定频道分配方式。不将邻频道分配给同一个中继站，这是控制邻频道干扰非常有效而又非常简单的方法。
b.瞬时频偏控制电路(IDC)。当高电平调制信号输入时，若加入一个频偏不超过±5kHz的IDC，则在宽的边带上就不会产生邻频道干扰
c.邻频道干扰滤波器。在IDC与调制器之间，加一个低通滤波器，即邻频道干扰滤波器，使频带外的高次谐波衰减从而消除邻频道干扰。

4　改进中继站防雷系统
水情自动测报系统中继站一般都是建在高山上，这正是雷电多发地区，如果遭受雷击，会使信号中断，造成整个系统瘫痪，严重影响防洪防汛。因此，中继站的防雷效果如何，直接影响整个系统的正常运行。要有一个良好的防雷系统，必须要有低阻抗的接地系统和安全先进的避雷设施。

4.1　接地系统
接地系统是由接地电极组、接地引入线、公共接地母线和地线网络组成。原则上接地电极埋入地下越深越好，但中继站地处高山，电极打入太深施工难度太大，加上土地并不潮湿，要达到接地电阻小于1Ω很困难。在实际施工中可以把多个单位的多个接地网络连成一片，天鹅山中继站就是把森林防火台和BB机寻呼台、中国移动、水文局水情自动测报系统的接地网络焊接在一起，大大降低接地电阻，中继站一般要求接地电阻小于10Ω。

4.2　防雷措施
中继站防雷包括天线防雷、通信设备防雷和太阳能光板防雷三个方面。
a.天线防雷。对中继站来说，天线是最主要的引雷设备，传统的防雷措施是在天线上方安装避雷针，在馈线上安装同轴避雷器。避雷针的作用是将一定范围云层中的电荷引入大地，以避免通过天线进入通信设备。普通铁棒避雷针的保护范围为一双曲函数，其边界为一双曲线，在安装时，根据上式计算出避雷针的高度，作出保护范围的双曲函数图形，把天线安装在保护范围内，使之得到保护。如果遭雷击时保护失效，强大电流仍然会通过馈线进入通信电台，这时候同轴避雷器发挥作用，把雷引入大地，实行双重保护。普通避雷针结构简单，造价低，但效果不太理想，天鹅山中继站使用的是法国依丽达公司的Pulsar（高压脉冲式提前放电避雷针）。这种避雷针的独特效果是来源于一种可控制的启动抢先性能，在雷雨天气中，环境电场可能会升高到10-20kV/m2，一旦电场超过这个临界值，避雷针即开始工作，在自然的上升先导形成之前，避雷针会率先产生一个先导，迅速地向雷电方向传播直至扑获雷电，并将其导入大地。这种避雷针在国内外已广泛应用。

b.通信设备防雷。天鹅山中继站房屋由钢铁建造并接地，房屋就是一个法拉第笼，通信设备处于等电位体内，同时，设备放在绝缘板上通过电瓷瓶与地绝缘，相当安全。

c.太阳能发电板防雷。设计避雷针时，除保护天线外，还要保护中继站其它设备，包括太阳能发电板。因为太阳能发电板引雷的机率较小，一般的中继站没有特殊的避雷措施。天鹅山中继站于96年被雷击，经仔细分析研究，确定是交流电引雷，通过太阳能发电板电源线将设备击坏，遂在太阳能发电板电源线上安装氧化锌避雷器，这种避雷器没有火花间隙，采用了抗老化性能好，工频电压耐受能力强和保护特性优良的氧化锌阀片，具有极强的耐污性和较高的泄露比距，体积小，重量轻，密封防潮，防爆性好等优点，很适合中继站复杂的环境。在太阳能发电板上方拉铁丝防雷网并接地，实行双重保护。

5　提高中继站电源安全性
天鹅山中继站地形环境十分复杂，人烟稀少，交流电源很不可靠，通过论证，使用大容量蓄电池和太阳能发电板浮充方式供电。因为太阳能发电板可靠性高，阵列模块化，可以方便地随负载增加而扩容、安装，运行简单，不需任何原料，不产生任何污染和嘈声；而蓄电池电压稳定，能提供足够的冲击电流，在无阳光时仍可提供负载所需的足够能源。两者结合，即可提供可靠的电源。在梅雨季节，有时10多天不见阳光，冬季又有冰冻，严重阻碍太阳能发电板充电，只能靠蓄电池单独工作。蓄电池和太阳能发电板容量太小，可能引起系统通信中断，容量太大又是一种浪费。因此，太阳能发电板和蓄电池的设计应遵循既经济又可靠的原则。

5.1　蓄电池设计原则和使用方法
蓄电池设计时要保证阴雨季节单独工作的天数不小于40d，应该考虑收发信号耗电、守候电路耗电及电池自身漏掉的电能。对于新电池，在常温下，月自放电率通常小于总容量的5，旧电池月自放电率可增至10，具体计算蓄电池容量的方法是：中继站单独工作40d消耗能量加20的蓄电池因子，再加上10的电池自放电率。

天鹅山中继站安装时选用额定电压1.25V，额定容量300AH的碱性镉镍蓄电池，11节串联电压13.8V，1999年购买一组Fm阴极吸收式全密闭铅酸电池，免维护，效果很好。

蓄电池第一次使用之前，用交流充电机按照规程充电到额定容量，接线时注意正、负电极，千万别短路，否则会损坏电池。要保持蓄电池的电解液比重和电解液高度，及时补充软水。

5.2　太阳能发电板设计和安装技术
硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能发电功率的设计。设计时，先算出太阳电池阵列工作电流，再算出太阳电池阵列工作电压，即可算出太阳能发电功率，从而得出太阳能发电板容量。天鹅山中继站选用工作电压17.1V、工作电流1.9A，输出功率32W的平板式太阳能发电板3块并联而成。

太阳能发电板安装的最佳倾角应是光线垂直照射发电板表面的倾角，按全年平均接收角安装时，倾角应为当地纬度数再加5ｏ，天鹅山中继站在北纬26ｏ，因此，太阳能发电板倾角为31ｏ，方向朝南，使太阳光照射时间最久。安装时要选择周围无遮挡太阳光的位置，太阳能发电板的支架能经受大风和大雪的考验。

6　结语
超短波水情自动测报系统由于其独特的组网方式，在国内应用最普遍，要确保中继站正常工作，应严格按照标准设计施工，并在管理过程中及时进行技术革新和改造。东江水情自动测报系统于1994年投入运行以来，除19996年森林防火台交流电引雷，设备被损坏外，其余工作均正常，为东江水力发电厂安全度汛和经济运行打下了坚实基础。

[参考文献]
[1]张亦明，移动通信，黑龙江科学技术出版社，1985
[2]杨恩耀、杜加聪，天线，电子工业出版社，1984
[3]朱华，水情自动测报系统，水利电力出版社，1992