王春芳 陳永濤 李春來 蔣克儉

（國(guó)家氣象信息中心，北京100081）

基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息發(fā)布技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

王春芳＊陳永濤 李春來 蔣克儉

（國(guó)家氣象信息中心，北京100081）

利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信功能，以廣播方式發(fā)布預(yù)警信息，可提高預(yù)警信息的覆蓋范圍和時(shí)效性，填補(bǔ)我國(guó)海洋及陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息發(fā)布空白。但北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布存在傳輸速率低、冗余信息量大、長(zhǎng)預(yù)警信息發(fā)布成功率低的問題。該文對(duì)北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系和關(guān)鍵問題開展研究，通過指揮機(jī)并聯(lián)、預(yù)警信息編碼、影響區(qū)域識(shí)別、聯(lián)合補(bǔ)包等方法，解決了北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題。在此基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)了預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議、預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議和預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議，并開發(fā)了原型系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星；預(yù)警信息發(fā)布；協(xié)議；影響區(qū)域

引 言

預(yù)警信息發(fā)布就是根據(jù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)分析的結(jié)果，在災(zāi)害發(fā)生之前向可能受到災(zāi)害影響的地區(qū)或人群發(fā)布預(yù)警信息，以減少災(zāi)害事件帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。預(yù)警信息發(fā)布是防災(zāi)減災(zāi)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是防御和減輕災(zāi)害損失的重要基礎(chǔ)［1－4］。

世界各國(guó)都在大力建設(shè)和完善基于各種傳播媒體的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)［5］。美國(guó)從20世紀(jì)60年代開始建設(shè)基于甚高頻電臺(tái)的天氣警報(bào)系統(tǒng)（NOAA Weather Radio，NWR）［6］，并繼而發(fā)展成為連接全國(guó)所有廣播電（視）臺(tái)、有線電視臺(tái)的緊急警報(bào)系統(tǒng)（Emergency Alert System，EAS）［7］。從2004年美國(guó)開始建設(shè)包含更多新型發(fā)布媒體的綜合警報(bào)系統(tǒng)（Integraged Public Alert and Warning System，IPAWS）［8］。日本已建成世界上最先進(jìn)的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與警告系統(tǒng)［9］。

經(jīng)多年建設(shè)，我國(guó)已建成了依托廣播電臺(tái)、有線電視、固定／移動(dòng)電話、互聯(lián)網(wǎng)、電子顯示屏、農(nóng)村大喇叭等多種發(fā)布手段，遍布城鄉(xiāng)的氣象災(zāi)害預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，即將升級(jí)為應(yīng)對(duì)所有災(zāi)害事件的國(guó)家突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)［10－13］。但目前我國(guó)的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)在覆蓋范圍、發(fā)布時(shí)效和規(guī)范化程度上，還存在不足?，F(xiàn)有的發(fā)布手段主要覆蓋城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)海洋、沙漠和邊遠(yuǎn)地區(qū)的覆蓋還很不夠，其中有些發(fā)布手段，如電話和手機(jī)短信等受用戶數(shù)量和端口容量限制，總時(shí)效難以保證。

北斗衛(wèi)星是我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS），并具有短報(bào)文通信功能，通信信號(hào)可覆蓋我國(guó)全境及周邊地區(qū)［14］。北斗短報(bào)文通信有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和通播兩種模式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式類似手機(jī)短信，用于兩個(gè)終端間的信息傳遞。通播模式則以廣播的方式，從一個(gè)終端向多個(gè)終端同時(shí)傳遞信息。利用通播模式進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布，可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域、多用戶預(yù)警信息的同時(shí)發(fā)布，大大提高預(yù)警信息發(fā)布的覆蓋范圍和時(shí)效性。

但是，利用北斗衛(wèi)星以廣播方式進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布存在以下3方面問題：①傳輸速率低。北斗是短報(bào)文通信系統(tǒng)，報(bào)文長(zhǎng)度和傳輸頻度均受限制［15］。支持通播模式的北斗終端（指揮機(jī)）的傳輸速率，一般是每分鐘1個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包可攜帶約120字節(jié)用戶數(shù)據(jù)（約60漢字）。當(dāng)有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)布預(yù)警信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生預(yù)警信息積壓，發(fā)布時(shí)效降低。②冗余信息量大。北斗衛(wèi)星信號(hào)覆蓋范圍非常廣，采用廣播方式發(fā)布預(yù)警信息，會(huì)導(dǎo)致終端收到大量對(duì)其所在區(qū)域沒有影響的預(yù)警信息（本文稱為冗余信息）。冗余信息不但沒有預(yù)警作用，還會(huì)干擾公眾正常生活［16－17］。③長(zhǎng)預(yù)警信息傳輸成功率低。北斗數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度比較小，丟包率比較高［18］，內(nèi)容較長(zhǎng)的預(yù)警信息，需要拆成多個(gè)包進(jìn)行傳輸。內(nèi)容越長(zhǎng)，分包數(shù)越多，整個(gè)信息的傳輸成功率越低。

上述問題是制約北斗衛(wèi)星在預(yù)警信息發(fā)布領(lǐng)域有效應(yīng)用的關(guān)鍵問題，但到目前為止，對(duì)相關(guān)問題尚未開展深入研究。本文擬對(duì)基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗發(fā)布系統(tǒng)）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、協(xié)議體系和關(guān)鍵問題開展研究，尋找可行的解決方案，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)適用于北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布的協(xié)議體系，并開發(fā)原型系統(tǒng)，通過實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布的可行性。

1 系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)際通用的基于多種媒體的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)均采用兩級(jí)架構(gòu)，由綜合發(fā)布平臺(tái)和多個(gè)媒體發(fā)布系統(tǒng)組成［8－9］，如圖1所示。綜合發(fā)布平臺(tái)是預(yù)警信息初始發(fā)布平臺(tái)。綜合發(fā)布平臺(tái)發(fā)布的預(yù)警信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給各媒體發(fā)布系統(tǒng)的發(fā)布網(wǎng)關(guān)，然后通過各媒體的發(fā)布網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給公眾。這種兩級(jí)架構(gòu)既保證了預(yù)警信息來源的唯一性，也有利于實(shí)現(xiàn)各種發(fā)布手段的整合。在這種結(jié)構(gòu)下，北斗衛(wèi)星作為一種新型發(fā)布媒體，與手機(jī)短信、互聯(lián)網(wǎng)、廣播、電視等并行運(yùn)行。

圖1 多媒體預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of multimedia warning information distribution system

北斗發(fā)布系統(tǒng)由北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)、北斗總站、指揮機(jī)組、北斗衛(wèi)星和北斗預(yù)警終端組成。北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)是預(yù)警信息接收和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，將來自綜合發(fā)布平臺(tái)的預(yù)警信息進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后通過北斗總站或指揮機(jī)組發(fā)送至北斗衛(wèi)星。北斗總站是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位總站，擁有快速、高效的上星發(fā)射能力。指揮機(jī)組是一組標(biāo)準(zhǔn)的、支持通播模式的指揮型北斗終端，也可用于預(yù)警信息的上星發(fā)射。北斗預(yù)警終端是預(yù)警信息接收和處理終端，用于接收北斗衛(wèi)星廣播的預(yù)警信息。

本文對(duì)預(yù)警信息綜合發(fā)布平臺(tái)、北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)和北斗預(yù)警終端進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)和開發(fā)。北斗總站和北斗衛(wèi)星是衛(wèi)星基礎(chǔ)平臺(tái)的重要組成部分，指揮機(jī)是通用設(shè)備，本文均未深入涉及。

1.2 協(xié)議體系

要實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息在不同設(shè)備和系統(tǒng)之間的自動(dòng)流轉(zhuǎn)，需要有完整的、用于信息交換和處理的協(xié)議體系。北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖2所示。綜合發(fā)布平臺(tái)的上層應(yīng)用程序?qū)⑤斎氲念A(yù)警信息自動(dòng)處理后，通過預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的IP／以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)布給北斗衛(wèi)星等媒體發(fā)布系統(tǒng)。北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)接收綜合發(fā)布平臺(tái)發(fā)布的預(yù)警信息，按預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議對(duì)信息進(jìn)行解析，將有用信息封裝進(jìn)預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議，再通過預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議和通用北斗通信協(xié)議，發(fā)布給北斗預(yù)警終端。北斗預(yù)警終端基于預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議和預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議，對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行接收和處理。

圖2 北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)協(xié)議棧Fig.2 Protocol stack of warning information distribution system based on Beidou satellite

1.3 關(guān)鍵問題

1.3.1 系統(tǒng)處理能力

預(yù)警信息都是簡(jiǎn)短的文字信息，傳輸和處理都很簡(jiǎn)單，即使多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)布預(yù)警信息，對(duì)綜合發(fā)布平臺(tái)、北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備造成的壓力也非常小，圖1中北斗發(fā)布系統(tǒng)的傳輸瓶頸集中在上星傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)。

北斗上星傳輸有兩種方式：一是北斗總站直接上星，二是指揮機(jī)上星。北斗總站上星傳輸能力很強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的即時(shí)傳輸。但北斗總站是衛(wèi)星基礎(chǔ)平臺(tái)，技術(shù)和管理都很復(fù)雜。本文主要研究指揮機(jī)的上星傳輸能力問題。

指揮機(jī)入網(wǎng)工作前必須申請(qǐng)IC卡，每個(gè)IC卡含1個(gè)用戶ID和1個(gè)通播ID。指揮機(jī)以被叫終端的用戶ID為目的ID發(fā)送短消息，以通播ID為目的ID發(fā)送通播信息。指揮機(jī)北斗數(shù)據(jù)包有效字節(jié)長(zhǎng)度和發(fā)送頻度均受IC卡級(jí)別限制。如配備60sIC卡的指揮機(jī)，每60s傳輸1個(gè)北斗數(shù)據(jù)包，每包攜帶120字節(jié)用戶數(shù)據(jù)。如果用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過120字節(jié)，要拆成多個(gè)包，在多個(gè)時(shí)次上發(fā)布。

提高指揮機(jī)的發(fā)送速率有兩種方式：第1種是申請(qǐng)高級(jí)別的IC卡（5～10s卡），但高級(jí)別IC卡申請(qǐng)非常困難，也沒有更大的擴(kuò)展余地。第2種是多指揮機(jī)并聯(lián)，或開發(fā)多IC卡指揮機(jī)，在多個(gè)通播ID上，同時(shí)發(fā)布預(yù)警信息［19］。設(shè)指揮機(jī)北斗數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔為T，每包攜帶的字節(jié)數(shù)是h，那么，在N臺(tái)指揮機(jī)并聯(lián)的情況下，長(zhǎng)度為H字節(jié)的預(yù)警信息的發(fā)布時(shí)間N越大，D越小。

多指揮并聯(lián)可以解決預(yù)警信息發(fā)布的時(shí)效問題，但多通播ID發(fā)送也帶來了多通播ID接收問題。現(xiàn)有的北斗用戶終端都是雙向通信終端，受IC卡限制，只能接收1個(gè)通播ID，無法滿足預(yù)警信息發(fā)布的需要。因此，開發(fā)新型北斗終端，實(shí)現(xiàn)多通播ID同時(shí)接收，是提高北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)總體傳輸能力、保證預(yù)警信息發(fā)布時(shí)效的關(guān)鍵。

1.3.2 預(yù)警信息編碼

預(yù)警信息是一段簡(jiǎn)短的文字信息，包括信息的類別、預(yù)警級(jí)別、起始時(shí)間、可能影響范圍、警示事項(xiàng)、應(yīng)采取的措施和發(fā)布機(jī)關(guān)等內(nèi)容［4］。但文字信息設(shè)備不可識(shí)別。要實(shí)現(xiàn)終端對(duì)預(yù)警信息的自動(dòng)識(shí)別和過濾，消除冗余信息，就需要在發(fā)布文字信息的同時(shí)，提供預(yù)警信息主要信息元素的編碼。美國(guó)NWR系統(tǒng)，在警報(bào)報(bào)頭中插入了警報(bào)來源、類型、影響區(qū)域、有效時(shí)間、發(fā)布時(shí)刻、發(fā)布單位的編碼，從而在接收機(jī)上實(shí)現(xiàn)了警報(bào)的選擇性接收［6］，大大減少了冗余信息。

文獻(xiàn)［17］對(duì)我國(guó)衛(wèi)星通信預(yù)警信息發(fā)布編碼技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了發(fā)布部門、發(fā)布時(shí)間，災(zāi)害類別與級(jí)別以及影響范圍的編碼方法。本文對(duì)文獻(xiàn)［17］的編碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，增加了生效時(shí)間、失效時(shí)間和多邊形影響區(qū)域編碼，為預(yù)警信息的精細(xì)化處理，提供了更好的支撐。本文對(duì)文獻(xiàn)［17］災(zāi)害類別的編碼方法進(jìn)行修改，使其與國(guó)家應(yīng)急平臺(tái)體系信息資源分類與編碼規(guī)范①國(guó)務(wù)院應(yīng)急管理辦公室，清華大學(xué)公共安全研究中心.國(guó)家應(yīng)急平臺(tái)體系信息資源分類與編碼規(guī)范（征求意見稿）.2008.保持一致。鑒于我國(guó)有權(quán)發(fā)布預(yù)警信息的部門的最低行政級(jí)別是縣級(jí)，本文對(duì)文獻(xiàn)［17］發(fā)布部門的編碼進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其中的行政區(qū)劃代碼由12位改為6位，具體預(yù)警信息編碼方法如表1所示。

表1 預(yù)警信息編碼Table 1 Coding mechanism of warning information

1.3.3 預(yù)警信息處理

表1的預(yù)警信息編碼為預(yù)警信息的交換和處理提供了有效支撐。北斗或其他媒體發(fā)布網(wǎng)關(guān)可根據(jù)發(fā)布時(shí)間、生效時(shí)間、失效時(shí)間設(shè)計(jì)發(fā)布策略，緊急插播臨近或已經(jīng)生效的預(yù)警信息，過濾失效的信息，還可根據(jù)預(yù)警級(jí)別設(shè)計(jì)排隊(duì)等待策略，優(yōu)先發(fā)送高級(jí)別的預(yù)警信息。預(yù)警終端可根據(jù)災(zāi)害類別和級(jí)別編碼調(diào)用不同顏色和圖案的預(yù)警圖標(biāo)，進(jìn)行分類別、分級(jí)別報(bào)警。

影響范圍識(shí)別和冗余信息過濾是北斗衛(wèi)星這種大區(qū)域、廣播方式預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)終端設(shè)備的必備功能。表1提出的地理碼、圓形、多邊形3種區(qū)域編碼相結(jié)合的影響范圍編碼方法，可以全面滿足陸地、海洋和移動(dòng)終端的預(yù)警需要。地理碼的處理方法是在預(yù)警終端預(yù)先存儲(chǔ)擬接收區(qū)域的地理碼，當(dāng)預(yù)警信息影響范圍地理碼與終端預(yù)存的接收區(qū)域地理碼有共同區(qū)域（存在相交或包含關(guān)系）時(shí)報(bào)警，否則不報(bào)警。圓形與多邊形的處理需要終端有自動(dòng)定位功能。當(dāng)終端所在位置處于預(yù)警信息影響范圍內(nèi)報(bào)警，否則不報(bào)警。點(diǎn)與圓的位置判別算法是計(jì)算終端位置坐標(biāo)與圓心之間的距離并與影響半徑進(jìn)行比較。點(diǎn)與多邊形的位置判別算法可采用夾角和法與鉛垂線法［24］。

1.3.4 預(yù)警信息發(fā)布成功率

北斗數(shù)據(jù)包的傳輸成功率約為96%［18］，長(zhǎng)預(yù)警信息拆成多包傳輸時(shí)成功率降低。設(shè)北斗衛(wèi)星的丟包率為P，預(yù)警信息的長(zhǎng)度（分包數(shù)）為i，預(yù)警信息發(fā)布成功的概率S＝（1－P）i，i越大，S越小。

長(zhǎng)報(bào)文傳輸成功率低是北斗通信普遍存在的問題。成方林等［15］曾就此提出長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議，通過補(bǔ)發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包來提高長(zhǎng)報(bào)文傳輸成功率。但這種方式只適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，不適合廣播。

在廣播方式下接收終端數(shù)量大，且所處的環(huán)境和工作狀態(tài)彼此存在差異，很難針對(duì)每個(gè)終端提供有效的補(bǔ)發(fā)機(jī)制。比較有效的方法是增加傳輸次數(shù)，普遍提高所有終端的接收成功率。對(duì)于單個(gè)終端，只要在一次傳輸中每個(gè)數(shù)據(jù)包均收到，則能成功重組預(yù)警信息。設(shè)傳輸次數(shù)為j，多次傳輸方案預(yù)警信息發(fā)布成功概率SMT計(jì)算公式如下：

為進(jìn)一步提高預(yù)警信息發(fā)布成功率，本文在多次傳輸?shù)幕A(chǔ)上提出聯(lián)合補(bǔ)包方案，即將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包混合在一起進(jìn)行拼包，只要每個(gè)包在多次傳輸中有一次傳輸成功，即可成功恢復(fù)出預(yù)警信息。聯(lián)合補(bǔ)包方案預(yù)警信息發(fā)布成功概率SUMC計(jì)算公式如下：

圖3給出了P為4%，i為1～20，j為1～5時(shí)，多次傳輸和聯(lián)合補(bǔ)包兩種方案預(yù)警信息發(fā)布失敗概率（lg（1－S））的比較。由圖3可以看出，無論多次傳輸還是聯(lián)合補(bǔ)包方案，增加傳輸次數(shù)j可有效降低預(yù)警信息發(fā)布失敗概率。預(yù)警信息長(zhǎng)度i＝1時(shí)，兩種方案降低失敗概率效果一樣，但隨著i的增加，聯(lián)合補(bǔ)包方案的優(yōu)勢(shì)越來越明顯，而且傳輸次數(shù)j越大，聯(lián)合補(bǔ)包方案的優(yōu)越性越明顯。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議

預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議是綜合發(fā)布平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)向北斗衛(wèi)星等多種媒體發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息的協(xié)議。預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議的設(shè)計(jì)一定要標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并兼容各媒體的發(fā)布需要。結(jié)構(gòu)化信息標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)組織（Organization for the Advancement of Structured Information Standards，OASIS）在互聯(lián)網(wǎng)預(yù)警信息共享方面做了大量工作，其制定的基于XML的通用警報(bào)協(xié)議（Common Alert Protocol，CAP），已被國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecom－munication Union，ITU）采納為 X.1303 推薦標(biāo)準(zhǔn)［25］，并在全球獲得推廣和應(yīng)用［5］。

但CAP作為國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，只定義了預(yù)警信XML文件的結(jié)構(gòu)、元素標(biāo)記和時(shí)間、地理位置等通用元素內(nèi)容的編制方法，某些元素如〈sender〉，〈severity〉，〈eventcode〉，〈geocode〉等，需要根據(jù)不同國(guó)家、不同系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)。本文根據(jù)1.3.2預(yù)警信息編碼研究的成果，對(duì) CAP協(xié)議中〈sender〉，〈severity〉，〈eventcode〉，〈geocode〉等元素內(nèi)容的編制方法進(jìn)行補(bǔ)充，形成較為完整的預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議。

2.2 預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議

CAP是適合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警信息發(fā)布協(xié)議，不適合北斗衛(wèi)星這樣的低速傳輸媒體。本文針對(duì)北斗衛(wèi)星的通信特點(diǎn)設(shè)計(jì)了預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議。該協(xié)議由起始信息、報(bào)頭、正文和結(jié)束標(biāo)識(shí)4部分組成，用16位二進(jìn)制編碼的最高位（0xFFF8—0xFFFF）作為控制字進(jìn)行隔離，報(bào)頭用于傳輸表1預(yù)警信息編碼，正文用于傳輸文字信息。

?起始信息 起始標(biāo)識(shí)：固定編發(fā)0xFFF8；報(bào)文類型：0x00—0xFF；發(fā)布平臺(tái)編號(hào)：0x00—0xFF；預(yù)警信息流水號(hào)：0x000000—0xFFFFFF；預(yù)留字節(jié)：默認(rèn)0x00。

?報(bào)頭 第1段：XXXL1L2L3L4L5L6表示預(yù)警信息發(fā)布部門；第2段：（YYMMDDHHmmss）1～3預(yù)警信息發(fā)布時(shí)間、生效時(shí)間、失效時(shí)間；第3段：T1T2T3T4T5T6KS表示預(yù)警信息類型、級(jí)別及影響區(qū)域個(gè)數(shù)標(biāo)識(shí)；第4段：（G1...G14）1～K表示影響區(qū)域地理編碼；第5段：［P（LaLa1…La6LoLo1…Lo7）1～PRRRR］1～S表示影響區(qū)域圓形及多邊形編碼。

?正文 第1段：正文開始標(biāo)識(shí)，固定編發(fā)0xFFFE；第2段：正文內(nèi)容，GB2312簡(jiǎn)體中文及ASCII碼。

?結(jié)束標(biāo)識(shí) 預(yù)警信息結(jié)束標(biāo)識(shí)，固定編發(fā)0xFFFF。

為了便于終端程序處理，本協(xié)議報(bào)頭第3段最后，給出兩個(gè)標(biāo)識(shí)碼K和S，K表示第4段地理碼個(gè)數(shù)，S表示第5段圓形和多邊形區(qū)域個(gè)數(shù)。K為0時(shí)，無第4段代碼；S為0時(shí)，無第5段代碼。報(bào)頭第5段的P為坐標(biāo)代碼LaLa1…La6LoLo1…Lo7個(gè)數(shù)標(biāo)識(shí)，RRRR為半徑代碼（單位：km），當(dāng)且僅當(dāng)P為1時(shí)存在。P＝1時(shí)，第5段由1組LaLa1…La6LoLo1…Lo7代碼和RRRR代碼組成，依次表示圓心坐標(biāo)和半徑；P為2時(shí)，第5段由2組LaLa1…La6LoLo1…Lo7代碼組成，依次表示矩形兩對(duì)角點(diǎn)的坐標(biāo)；P不小于3時(shí)，第5段由P組LaLa1…La6LoLo1…Lo7代碼組成，依次表示多邊形的P個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

2.3 預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)1.3.4聯(lián)合補(bǔ)包方案，本文在預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議和通用北斗通信協(xié)議之間，設(shè)計(jì)了預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議，如圖4所示。該協(xié)議將上層發(fā)布協(xié)議預(yù)警信息分割成多個(gè)片段，分別添加4字節(jié)的傳輸包頭，然后作為用戶數(shù)據(jù)，封裝進(jìn)下層通用北斗通信協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行上星傳輸。片段的長(zhǎng)度取決于北斗數(shù)據(jù)包可攜帶的用戶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。傳輸包頭由發(fā)布平臺(tái)編號(hào)，拆包流水號(hào)、總拆包數(shù)和本包序號(hào)組成，采用二進(jìn)制編碼，共4個(gè)字節(jié)。本協(xié)議實(shí)施的關(guān)鍵是北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)對(duì)每一條預(yù)警信息進(jìn)行多次發(fā)送時(shí)，使用相同的拆包流水號(hào)，預(yù)警終端基于相同的發(fā)布平臺(tái)編號(hào)和拆包流水號(hào)，進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)包，恢復(fù)出正確的預(yù)警信息。

圖4 預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議封裝格式Fig.4 Encapsulation format of transmission protocol of BDS warning information

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)開發(fā)

為驗(yàn)證北斗預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)建設(shè)和協(xié)議設(shè)計(jì)的可行性，本文基于1.1節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了北斗預(yù)警信息發(fā)布原型系統(tǒng)，開發(fā)了綜合發(fā)布平臺(tái)、北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)和北斗預(yù)警終端。

3.1.1 綜合發(fā)布平臺(tái)

綜合發(fā)布平臺(tái)為一臺(tái)服務(wù)器，采用B／S結(jié)構(gòu)，為用戶提供預(yù)警信息編輯、校對(duì)、審核和發(fā)布的工作界面，并具有系統(tǒng)管理、系統(tǒng)監(jiān)控的功能。綜合發(fā)布平臺(tái)的界面如圖5所示，其中信息編輯界面是預(yù)警信息錄入的界面，提供標(biāo)題、正文、發(fā)布部門、災(zāi)害類別、預(yù)警級(jí)別、生效時(shí)間、失效時(shí)間和影響區(qū)域的錄入接口。影響區(qū)域的編輯可通過勾選行政區(qū)劃名稱或在地圖上繪制圓和多邊形區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。綜合發(fā)布平臺(tái)內(nèi)保存了機(jī)構(gòu)代碼［20］、行政區(qū)代碼［21，23］、國(guó)家應(yīng)急平臺(tái)資源分類與編碼的基礎(chǔ)代碼表①，可根據(jù)編輯界面錄入的信息，自動(dòng)生成預(yù)警信息編碼。綜合發(fā)布平臺(tái)生成的預(yù)警信息，通過2.1節(jié)預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議發(fā)布給北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)。

圖5 綜合發(fā)布平臺(tái)預(yù)警信息編輯界面Fig.5 Warning information edition on integrated distribution platform

3.1.2 北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)

北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)也是一臺(tái)服務(wù)器，主要功能是預(yù)警信息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)從符合2.1節(jié)預(yù)警信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布協(xié)議的XML預(yù)警信息文件中，獲取預(yù)警信息正文和信息元素編碼，然后按2.2節(jié)預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議生成北斗衛(wèi)星預(yù)警信息，按2.3節(jié)預(yù)警信息傳輸協(xié)議進(jìn)行處理后，通過指揮機(jī)進(jìn)行上星發(fā)布。北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)帶指揮機(jī)串口分配器和指揮機(jī)調(diào)度模塊，可連接多臺(tái)指揮機(jī)并行發(fā)送預(yù)警信息。

為更好地滿足不同級(jí)別預(yù)警信息發(fā)布時(shí)效要求，北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)還對(duì)發(fā)布隊(duì)列的管理進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，優(yōu)先發(fā)布高級(jí)別預(yù)警信息。同一級(jí)別的預(yù)警信息則以到達(dá)的先后順序發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間擁堵時(shí)，系統(tǒng)管理員也可手工調(diào)整發(fā)送次序或刪除排隊(duì)等待的預(yù)警信息。

北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)還可為不同級(jí)別的預(yù)警信息配置不同的傳輸次數(shù)，保證高級(jí)別的預(yù)警信息有較高的發(fā)布成功率。北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)預(yù)警信息監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)預(yù)警信息監(jiān)控界面Fig.6 Monitor and control of waning information on Beidou satellite distribution gateway

3.1.3 北斗預(yù)警終端

北斗預(yù)警終端是針對(duì)北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布設(shè)計(jì)的新型北斗終端。它是單收型衛(wèi)星終端，無上星發(fā)射模塊和IC卡管理模塊，成本低，功耗小，可接收的通播ID數(shù)為256。該終端可對(duì)符合2.3節(jié)預(yù)警信息北斗傳輸協(xié)議和2.2節(jié)預(yù)警信息北斗發(fā)布協(xié)議的預(yù)警信息進(jìn)行自動(dòng)接收和處理。作為預(yù)警設(shè)備，該終端具有分級(jí)別報(bào)警功能，可根據(jù)預(yù)警信息的級(jí)別，啟動(dòng)紅、橙、黃、藍(lán)等不同級(jí)別的報(bào)警，報(bào)警方式有正文顯示、語音朗讀、圖標(biāo)閃爍、振鈴等。在影響范圍的識(shí)別上，該終端配備自動(dòng)定位模塊和本機(jī)地理碼輸入模塊，支持地理碼、圓、多邊形3種區(qū)域過濾功能。

3.2 原型系統(tǒng)測(cè)試

本文開發(fā)的原型系統(tǒng)，于2012年12月在北京進(jìn)行了測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容包括綜合發(fā)布平臺(tái)對(duì)預(yù)警信息的編輯、校對(duì)、審核、發(fā)布，北斗發(fā)布網(wǎng)關(guān)對(duì)不同級(jí)別預(yù)警信息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，北斗預(yù)警終端對(duì)預(yù)警信息的接收與處理。測(cè)試使用的北斗終端設(shè)備包括1臺(tái)指揮機(jī)和5臺(tái)預(yù)警終端。

影響范圍的識(shí)別與過濾是北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布的重要功能，也是系統(tǒng)測(cè)試的重點(diǎn)。測(cè)試過程中將5臺(tái)預(yù)警終端分成3個(gè)組，模擬不同地理區(qū)域的終端，以對(duì)比的方式，詳細(xì)測(cè)試了地理碼、圓和多邊形區(qū)域過濾功能。

原型系統(tǒng)為不同級(jí)別的預(yù)警信息設(shè)置了不同的發(fā)送次數(shù)：紅色3次，橙色2次，黃色和藍(lán)色均為1次。由于使用了聯(lián)合補(bǔ)包技術(shù)，各種長(zhǎng)度的預(yù)警信息均能完整接收。預(yù)警信息的發(fā)布時(shí)效與信息長(zhǎng)度有關(guān)，短的1分鐘可發(fā)布完成，長(zhǎng)的需要幾分鐘。

4 結(jié)論與討論

本文設(shè)計(jì)了北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布協(xié)議體系并開發(fā)了原型系統(tǒng)，取得如下主要進(jìn)展：

1）采用多指揮并聯(lián)，多通播ID同時(shí)發(fā)送的方式，提高了系統(tǒng)上星傳輸速率，提高了預(yù)警信息發(fā)布時(shí)效。

2）通過預(yù)警信息主要信息元素，特別是影響范圍的編碼與處理，實(shí)現(xiàn)了北斗預(yù)警終端對(duì)預(yù)警信息的自動(dòng)識(shí)別與過濾，消除了衛(wèi)星大區(qū)域廣播帶來的冗余信息。

3）通過將多次傳輸?shù)念A(yù)警信息進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)包的方法，提高了預(yù)警信息，特別是長(zhǎng)預(yù)警信息的發(fā)布成功率。

4）通過原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息的有效發(fā)布。

在我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)布媒體中，只有北斗衛(wèi)星的信號(hào)可以覆蓋我國(guó)全部領(lǐng)土及廣闊海域，是海洋和陸續(xù)地邊遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息發(fā)布的重要手段。文獻(xiàn)［26］指出，要以提高預(yù)警信息發(fā)布時(shí)效性和覆蓋面為重點(diǎn)，加快推進(jìn)預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)建設(shè)，積極拓寬預(yù)警信息傳播渠道，消除預(yù)警信息發(fā)布“盲區(qū)”，這將有力地推動(dòng)基于北斗等新型傳播媒體的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的建設(shè)。今后將密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外預(yù)警信息發(fā)布技術(shù)以及北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，不斷完善北斗預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，為公眾提供更好的預(yù)警服務(wù)。

［1］ 周秉榮，李鳳霞，申雙和，等.青海高原雪災(zāi)預(yù)警模型與GIS空間分析技術(shù)應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（3）：373－379.

［2］ 羅慧，李良序，胡勝，等.公路交通事故與氣象條件關(guān)系及其氣象預(yù)警模型.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（3）：350－357.

［3］ 劉勇洪，房小怡，扈海波，等.冰雪災(zāi)害對(duì)北京城市交通影響的預(yù)警評(píng)估方法.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2013，24（3）：373－379.

［4］ 國(guó)家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案.［2006－01－08］.http：∥www.gov.cn／yjgl／2006－01／08／content＿21048.htm.

［5］ Report on CAP Implementers Workshop 9－10December 2008.［2008－09－20］.http：∥www.wmo.int／pages／prog／www／ISS／Meetings／WIS－CAP＿Geneva2008／DocPlan.html.

［6］ National Weather Service NOAA Weather Radio（NWR）Transmitters NWR Specific Area Messgae Encoding.［2011－10－03］.http：∥www.nws.noaa.gov／directives／sym／pd01017012curr.pdf.

［7］ Linda K Moore.The Emergency Alert System（EAS）and All－Hazard Warnings.［2010－12－14］.http：∥www.fas.org／sgp／crs／homesec／RL32527.pdf.

［8］ 夏保成.美國(guó)IPAWS系統(tǒng)及對(duì)我國(guó)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的啟示.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)：社科版，2011，13（4）：2－5.

［9］ Warning Sub－Committee of the Inter－Ministerial Committee on International Cooperation for Disaster Reduction.Japan’s Natural Disaster Early Warning Systems and International Cooperative Efforts.2006.http：∥www.bousai.go.jp／kokusai／kyoryoku／pdf／soukikeikai.pdf.

［10］ 張永華，肖文名，何婉文，等.基于ArcGIS Server和VML的氣象信息發(fā)布平臺(tái).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2011，22（4）：498－504.

［11］ 孫利華，吳煥萍，鄭金偉，等.基于Flex的氣象信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（6）：754－761.

［12］ 王赟，段燕楠，姚愚，等.基于Web Service的氣象預(yù)警短信發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).氣象科技，2012，40（3）：384－387.

［13］ 裴順強(qiáng)，孫健，繆旭明，等.國(guó)家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì).中國(guó)應(yīng)急管理，2012（8）：32－35.

［14］ 楊軍，曹沖.我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求及效益分析.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2004，29（9）：775－777.

［15］ 成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議.海洋技術(shù)，2008，27（1）：26－28.

［16］ 王春芳，李湘，陳永濤，等.中國(guó)氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMACast）設(shè)計(jì).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2012，23（1）：113－120.

［17］ 王春芳，李春來，陳永濤，等.衛(wèi)星通信預(yù)警信息發(fā)布編碼研究.電信科學(xué)，2009，25（12）：36－40.

［18］ 鄧玉芬，張博，沈明，等.基于北斗衛(wèi)星的海洋測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng).海洋測(cè)繪，2009，29（4）：67－69.

［19］ 文斌，寧志強(qiáng)，陳愛萍，等.多SIM卡復(fù)用的“北斗”通信終端設(shè)計(jì).電信技術(shù)，2010，50（12）：23－27.

［20］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中央黨政機(jī)關(guān)、人民團(tuán)體及其他機(jī)構(gòu)代碼 （GB／T 4657—2009）.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009－11－01.

［21］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中華人民共和國(guó)行政區(qū)劃代碼（GB／T 2260—2007）.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008－02－01.

［22］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.縣級(jí)以下行政區(qū)劃代碼編制規(guī)則（GB／T 10114—2003）.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004－04－09.

［23］ 統(tǒng)計(jì)用區(qū)劃代碼和城鄉(xiāng)劃分代碼編制規(guī)則.［2009－11－25］.http：∥www.stats.gov.cn／tjbz／t20091125＿402603209.htm.

［24］ 王潤(rùn)科，張彥麗.判斷點(diǎn)與多邊形位置關(guān)系的算法綜述.甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，20（6）：32－35.

［25］ Common Alerting Protocol Version 1.2，OASIS Standard，01 July 2010.［2010－12－02］.http：∥docs.oasis－open.org／emergency／cap／.

［26］ 國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警及信息發(fā)布工作的意見.［2011－07－14］.http：∥www.gov.cn／zwgk／2011－07／14／content＿1906176.htm.

Technology and Implementation of Warning Information Distribution Based on Beidou Satellite

Wang Chunfang Chen Yongtao Li Chunlai Jiang Kejian
（National Meteorological Information Center，Beijing100081）

Warning information distribution（WID）is a key aspect in effective disaster risk reduction.All countries in the world are engaged in establishment and improvement of WID system over all kinds of transmission media.China has established an effective meteorological WID system based on radio，television，telephone，Internet，short message service，LED screen，village horn，etc.The system will be upgraded into a national level public emergencies WID system for all hazard events.But due to signal coverage，some areas of China are still uncovered and the time effect of WID still needs improving.

Beidou satellite（BDS）is a navigation satellite system of China with short message communication capability.Its communication signal can cover all Chinese territory and surrounding areas.BDS has two communication methods，peer to peer and broadcast.The broadcast manner is of great value in improving the coverage and time effect of WID in China，especially in marine and distant land areas.

However，WID based on BDS has some key problems such as low transmission rate，huge amount of redundant information（having no relevance to local area）and low reliability of long message distribution.To solve these problems，improved schemes are proposed on the system architecture，protocol stack and key issues of WID based on BDS.Feasible solutions including parallel transmission of uplink terminal，warning information encoding，affected area perception and unified message compensation are given.Based on those methods，aprototype system is established based on the protocol design including warning information network distribution，warning information BDS distribution and warning information BDS transmission.

The prototype system is composed of integrated distribution platform，BDS distribution gateway，BDScommand and control terminal，BDS，and BDS warning terminal.Integrated distribution platform is used for warning information input，revision，verification and distribution.BDS distribution gateway is used for protocol conversion from network distribution to BDS distribution.BDS warning terminal is used to receive warning information from BDS，filter out redundant information and give out severity discriminated warnings.Redundant information filtering is based on affected area encoding of warning message in three manners which are geocode，circle and polygon.Results can provide comprehensive analytical methods and practical experience to the establishment of WID system based on BDS or other satellite systems.

Beidou satellite；warning information distribution；protocol；affected area

王春芳，陳永濤，李春來，等.基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息發(fā)布技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（3）：375－384.

2013－02－19收到，2014－01－03收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（CYHY200806013）

＊email：wangcf＠cma.gov.cn