● 文 |.中國(guó)氣象局發(fā)展研究中心 .中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司 陳鵬飛 周勇 劉東君
2013年秋天,習(xí)近平主席提出共建絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和21世紀(jì)海上絲綢之路,即“一帶一路”倡議(簡(jiǎn)稱“一帶一路”)?!耙粠б宦贰毖鼐€國(guó)家和地區(qū)具有氣候類型多樣、自然條件較差、氣象災(zāi)害種類多等特點(diǎn),如果沒(méi)有可靠的氣象服務(wù)作為支撐和保障,“一帶一路”順利推進(jìn)將難以保證,做好“一帶一路”氣象服務(wù)保障既是國(guó)家發(fā)展大局要求,也是氣象部門義不容辭的責(zé)任和事業(yè)發(fā)展需求,中國(guó)氣象局高度重視、積極落實(shí)有關(guān)工作,已與世界氣象組織(WMO)簽署了《中國(guó)氣象局與世界氣象組織關(guān)于推進(jìn)區(qū)域氣象合作和共建“一帶一路”的意向書》[1],并圍繞國(guó)家重大工程建設(shè)、助力提升“一帶一路”沿線氣象防災(zāi)減災(zāi)水平、聯(lián)合應(yīng)對(duì)氣候變化、深化業(yè)務(wù)技術(shù)交流合作等開展了大量有成效的工作[2]。
隨著“一帶一路”深入推進(jìn),氣象服務(wù)保障工作面臨新的挑戰(zhàn)和遇到新的問(wèn)題,其中,氣象通信能力不足,尤其是境外和海洋氣象通信能力薄弱,已成為制約“一帶一路”氣象資料獲取和氣象預(yù)警預(yù)報(bào)信息發(fā)布的瓶頸問(wèn)題。目前,了解衛(wèi)星通信在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,掌握“一帶一路”框架下的氣象服務(wù)通信需求,展望衛(wèi)星通信系統(tǒng)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用前景,從而進(jìn)一步科學(xué)合理地利用衛(wèi)星通信技術(shù),增強(qiáng)電信基礎(chǔ)設(shè)施較差的山區(qū)、沙漠、海島等區(qū)域氣象通信能力,對(duì)于更加有效開展“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
衛(wèi)星通信技術(shù)不僅在廣播電視上廣泛應(yīng)用,也是氣象領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳播的重要途徑之一,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)警預(yù)報(bào)信息發(fā)布、天氣預(yù)報(bào)會(huì)商、氣象應(yīng)急保障服務(wù)等氣象行業(yè)的諸多業(yè)務(wù)領(lǐng)域。其中,與氣象服務(wù)保障“一帶一路”密切相關(guān)的衛(wèi)星通信主要有兩個(gè)方面:一是中國(guó)氣象局對(duì)周邊國(guó)家和地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播;二是基于中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)收集和預(yù)警信息發(fā)布。
高分三號(hào)黃河三角洲衛(wèi)星影像圖
該圖為2016年11月5日高分三號(hào)衛(wèi)星影像圖。該圖為全極化條帶1成像模式數(shù)據(jù)。采用空間多視、NL濾波、極化分解、偽彩色合成、圖像增強(qiáng)等技術(shù)制作。圖為黃河三角洲,其中不同顏色代表了不同的極化散射特征,這是由于植被覆蓋、建筑、裸地等實(shí)際地物不同造成的。
中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所_供圖
中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CMACast系統(tǒng))自1998年開始業(yè)務(wù)運(yùn)行,已演進(jìn)至第三代(如圖1),新一代于2012年6月1日正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行,與美國(guó)GEONETCast American衛(wèi)星廣播系統(tǒng)和歐洲的EUMET Cast衛(wèi)星廣播系統(tǒng)一起,共同構(gòu)成了世界氣象組織地球觀測(cè)數(shù)據(jù)衛(wèi)星分發(fā)系統(tǒng)(GEONETCast)。其中,CMACast系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供覆蓋亞太區(qū)的WMO全球交換資料數(shù)據(jù)分發(fā)和風(fēng)云系列衛(wèi)星云圖產(chǎn)品的廣播[3],最西端可覆蓋到伊朗,最東端可覆蓋到新西蘭。目前,CMACast系統(tǒng)是氣象數(shù)據(jù)資料廣播分發(fā)業(yè)務(wù)的主渠道,是氣象服務(wù)保障“一帶一路”的基礎(chǔ)支撐,隨著“一帶一路”繼續(xù)推進(jìn),必將為中亞、東亞、南亞、西亞乃至部分歐洲區(qū)域的互聯(lián)互通做出更大貢獻(xiàn)。
新一代CMACast系統(tǒng)使用亞洲4號(hào)衛(wèi)星C6H轉(zhuǎn)發(fā)器,上行中心頻率6065MHz,下行中心頻率3840MHz,廣播帶寬36 MHz,采用8PSK、FEC5/6調(diào)制及第二代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2),廣播信息速率可達(dá)70Mbit/s[4]。2017年11月,CMACast系統(tǒng)轉(zhuǎn)星工作順利完成,亞洲4號(hào)通信衛(wèi)星由同軌亞洲9號(hào)通信衛(wèi)星替代。CMACast系統(tǒng)播發(fā)數(shù)據(jù)除常規(guī)氣象資料外,還包括了全國(guó)雷達(dá)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及國(guó)際交換氣象數(shù)據(jù),同時(shí)還提供氣象頻道、氣象會(huì)商等實(shí)時(shí)高清視頻流媒體廣播。至2017年,CMACast系統(tǒng)注冊(cè)接收站已達(dá)2680個(gè)[5],包括印度尼西亞、巴基斯坦、澳大利亞等24個(gè)國(guó)外接收站,播發(fā)數(shù)據(jù)量每日接近300GB。
CMACast系統(tǒng)作為地球觀測(cè)數(shù)據(jù)分發(fā)平臺(tái)的重要組成部分,在促進(jìn)亞太地區(qū)地球觀測(cè)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用方面做出了重要貢獻(xiàn)。例如,2015年4月25日,尼泊爾發(fā)生8.1級(jí)地震,造成大量建筑物坍塌,當(dāng)?shù)厮谢ヂ?lián)網(wǎng)、電話等系統(tǒng)全部中斷。地震發(fā)生后,CMACast系統(tǒng)由于不依賴當(dāng)?shù)氐耐ㄐ艞l件,成為了尼泊爾氣象局地震后24小時(shí)內(nèi)的主要天氣預(yù)報(bào)平臺(tái),為尼泊爾氣象局做好抗震救災(zāi)氣象保障服務(wù)和災(zāi)后搜救工作提供了有力保證[6]。
圖1 CMACast系統(tǒng)發(fā)展演進(jìn)示意圖
中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有授時(shí)、定位、短報(bào)文三大功能,覆蓋范圍包括了中國(guó)全境及亞洲大部分地區(qū),已成功于測(cè)繪、氣象、水利、漁業(yè)、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域。氣象領(lǐng)域是最早應(yīng)用我國(guó)北斗系統(tǒng)的重要領(lǐng)域之一,北斗衛(wèi)星氣象系統(tǒng)主要利用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信功能,進(jìn)行氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)收集和預(yù)警信息發(fā)布。目前,主要用在新疆、西藏、云南、海南、福建等我國(guó)境內(nèi)與“一帶一路”密切相關(guān)的重要樞紐和窗口地區(qū)。隨著北斗系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大,將逐步擴(kuò)展到更大范圍。
在氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的收集方面,北斗衛(wèi)星氣象應(yīng)用系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)山區(qū)、海島、海上船舶、浮標(biāo)等處自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的上傳業(yè)務(wù)[7-11]。主要采用兩種組網(wǎng)方式:一是以北斗系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)單位的服務(wù)平臺(tái)為遠(yuǎn)端站數(shù)據(jù)匯集點(diǎn),再通過(guò)地面專線或互聯(lián)網(wǎng)傳給氣象部門,如:中國(guó)氣象局與中國(guó)東方紅衛(wèi)星股份有限公司聯(lián)合承擔(dān)的國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“基于北斗的氣象監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范工程”采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖2);另一種是以北斗指揮機(jī)為遠(yuǎn)端站數(shù)據(jù)匯集點(diǎn),北斗指揮機(jī)與氣象部門業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)連接,接收的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入本地氣象通信系統(tǒng),如:海南、福建、新疆、寧夏等?。▍^(qū))氣象局的北斗自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(圖3)。前者更適于大規(guī)模布點(diǎn)應(yīng)用,后者雖受到北斗指揮機(jī)通信容量限制,站網(wǎng)規(guī)模一般不超過(guò)100個(gè)站,但已能滿足省級(jí)氣象部門在數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控方面的需求,因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。
北斗衛(wèi)星通信的覆蓋面積廣,而且還具備全天候無(wú)盲區(qū)的功能。在預(yù)警信息發(fā)布方面,北斗衛(wèi)星已經(jīng)成為國(guó)家突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)的重要組成部分[12]。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,有效提高了預(yù)警信息的覆蓋范圍和時(shí)效性,增強(qiáng)了我國(guó)海洋及陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息發(fā)布能力[13,14]。目前,供電和短報(bào)文長(zhǎng)度不足問(wèn)題是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)收集和預(yù)警信息發(fā)布領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)遇到的主要問(wèn)題。前者一般采用太陽(yáng)能或風(fēng)能供電的方式解決;后者一般采用數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)分包傳輸?shù)姆绞浇鉀Q[15]。
圖2 采用中國(guó)衛(wèi)星北斗綜合信息服務(wù)平臺(tái)的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖3 采用北斗指揮機(jī)的自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
隨著“一帶一路”不斷推進(jìn),國(guó)際化氣象服務(wù)需求大增,表1列出了氣象服務(wù)保障“一帶一路”涉及典型業(yè)務(wù)應(yīng)用的通信需求,境外、特別是海上氣象通信面臨著新的挑戰(zhàn),同時(shí),也為衛(wèi)星通信技術(shù)在氣象領(lǐng)域更加廣泛、深入應(yīng)用帶來(lái)了新機(jī)遇。
一是從氣象服務(wù)領(lǐng)域拓展層面來(lái)看,“一帶一路”框架下的氣象通信能力亟待進(jìn)一步提升。根據(jù)《氣象“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃(2017—2025年)》,“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作在陸上以沿線中心城市為支撐,為重點(diǎn)經(jīng)貿(mào)產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供氣象服務(wù),與沿線國(guó)家就新亞歐大陸橋、中蒙俄、中國(guó)-中亞-西亞、中國(guó)-中南半島等國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作走廊共同提供氣象保障;海上以重點(diǎn)港口為節(jié)點(diǎn),氣象保障通暢、安全、高效的運(yùn)輸大通道;大力提升中巴經(jīng)濟(jì)走廊、孟中印緬經(jīng)濟(jì)走廊氣象防災(zāi)減災(zāi)與公共服務(wù)的能力,提供優(yōu)質(zhì)氣象保障[16]。我國(guó)努力為“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)提供相對(duì)完善的氣象服務(wù),即氣象服務(wù)涉及地理范圍明顯擴(kuò)大、服務(wù)對(duì)象顯著增加。氣象服務(wù)質(zhì)量要跟上,必然要求氣象通信能力進(jìn)一步加強(qiáng),尤其偏遠(yuǎn)地區(qū)、境外的氣象通信能力亟待提升。目前,衛(wèi)星通信具備不受時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境等因素限制、通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、開通時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn),是氣象服務(wù)中最有保障的通信手段之一,可滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋和災(zāi)害破壞情況下的氣象通信需求,而且對(duì)有效提供“一帶一路”地區(qū)、海洋氣象服務(wù)保障極為重要,是我國(guó)氣象服務(wù)“走出去”的重要基礎(chǔ)支撐。
二是從氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用層面來(lái)看,主要在氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、氣象信息發(fā)布和天氣預(yù)報(bào)會(huì)商等3類典型應(yīng)用(表1)方面需要衛(wèi)星通信技術(shù)支撐,從而為更好地做好“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作夯實(shí)基礎(chǔ)。就傳輸時(shí)效而言,天氣預(yù)報(bào)會(huì)商和預(yù)警信息發(fā)布的時(shí)效要求最高,需要達(dá)到實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)通信;自動(dòng)氣象站、雷達(dá)等觀測(cè)數(shù)據(jù)采集和國(guó)際共享交換數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)效一般需要達(dá)到分鐘級(jí);根據(jù)內(nèi)容不同,天氣預(yù)報(bào)和服務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)布一般為分鐘級(jí)到小時(shí)級(jí)。就傳輸數(shù)據(jù)量而言,數(shù)據(jù)量最大的是氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),日增量2014年約為2TB,到2020年預(yù)期將達(dá)到30TB[17];其次是天氣雷達(dá),按照目前常規(guī)業(yè)務(wù)模式,單部天氣雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)每日增量就可達(dá)到GB級(jí);自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)量較小,一般一份報(bào)文在1kB左右;文字類型的天氣預(yù)警預(yù)報(bào)信息一般每條不超過(guò)1kB。就移動(dòng)性而言,車載、船載設(shè)備通信需要具備“動(dòng)中通”功能;浮標(biāo)站漂浮于海面,也宜采用移動(dòng)通信方式。就拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸方向而言,觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集一般為“多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)”的單向傳輸方式,在使用衛(wèi)星通信時(shí),星狀結(jié)構(gòu)比分級(jí)樹狀結(jié)構(gòu)更有助于提高傳輸時(shí)效;預(yù)警、預(yù)報(bào)和服務(wù)等信息發(fā)布一般采用“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的星狀結(jié)構(gòu),單向傳輸;天氣預(yù)報(bào)會(huì)商則屬于網(wǎng)狀雙向通信。此外,雖然觀測(cè)數(shù)據(jù)只需從觀測(cè)站到中心站的單向通信,但為實(shí)現(xiàn)海上和境外觀測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,還需要采用半雙工或全雙工方式的雙向通信信道。
表1 氣象服務(wù)保障“一帶一路”涉及典型業(yè)務(wù)應(yīng)用的通信需求
續(xù)表
三是從衛(wèi)星通信系統(tǒng)選擇層面看,要有效提升“一帶一路”氣象服務(wù)保障的質(zhì)量和效益,需要科學(xué)合理地選擇適合我國(guó)氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)工作的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。不同的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),單一的或是某方面的衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用是難以滿足氣象通信業(yè)務(wù)的。以海上氣象通信為例,當(dāng)前北斗衛(wèi)星雖已用于海島氣象站和船舶通信[11],但受短報(bào)文字符數(shù)和發(fā)報(bào)間隔時(shí)間的限制,通信能力難以滿足較大數(shù)據(jù)量的氣象通信需求;甚小口徑終端(VSAT)衛(wèi)星通信雖然通信能力較強(qiáng),且有長(zhǎng)期的氣象應(yīng)用基礎(chǔ)[18],但受定向天線對(duì)星條件限制,難以滿足船舶或浮標(biāo)“動(dòng)中通”的通信業(yè)務(wù)需求;海事衛(wèi)星、全球星、銥星等國(guó)外衛(wèi)星通信系統(tǒng)[19-21]雖從功能角度講,可部分滿足業(yè)務(wù)需求,但從國(guó)家安全角度出發(fā),不宜長(zhǎng)期、大范圍應(yīng)用于海洋氣象通信業(yè)務(wù)中??梢?,“一帶一路”氣象服務(wù)保障的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的選擇是需要從多方面考慮的,且應(yīng)首選我國(guó)自主可控的衛(wèi)星通信系統(tǒng),最大化挖掘其氣象通信應(yīng)用潛力。
20世紀(jì)90年代以來(lái),中國(guó)的衛(wèi)星通信事業(yè)蓬勃發(fā)展[22]。2015年10月,國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)發(fā)布了《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》,明確提出將發(fā)展面向行業(yè)及市場(chǎng)應(yīng)用,以商業(yè)化模式為主,保障公益性發(fā)展需求的衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng),主要發(fā)展固定通信廣播衛(wèi)星和移動(dòng)通信廣播衛(wèi)星,逐步建成覆蓋全球主要地區(qū)、與地面通信網(wǎng)絡(luò)融合的衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)[23]。國(guó)家支持鼓勵(lì)衛(wèi)星通信事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展,衛(wèi)星通信廣播資源將不斷豐富,一定能夠?yàn)椤耙粠б宦贰睔庀蠓?wù)提供更強(qiáng)有力的通信支撐。衛(wèi)星通信在我國(guó)氣象領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多,例如,天通衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、“海星通”系統(tǒng),以及CMACast系統(tǒng),都能在“一帶一路”氣象服務(wù)保障中發(fā)揮重要作用(表2)。
表2 中國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要特點(diǎn)及在氣象服務(wù)保障中的應(yīng)用[24-28]
續(xù)表
天通、北斗衛(wèi)星工作于S、L等頻段,抗雨衰能力強(qiáng),且覆蓋范圍大,在“一帶一路”乃至全球范圍天氣預(yù)警信息發(fā)布和小數(shù)據(jù)量氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中,將起到不可或缺的作用。“海星通”系統(tǒng)具有豐富的Ku和C頻段衛(wèi)星通信資源和門類齊全的衛(wèi)星通信終端設(shè)備,適用于高速、大數(shù)據(jù)量的氣象數(shù)據(jù)通信和視頻天氣會(huì)商。CMACast系統(tǒng)采用C頻段衛(wèi)星資源,較Ku、Ka頻段抗雨衰能力強(qiáng),較S、L頻段衛(wèi)星通信容量大,將能夠?yàn)楦唷耙粠б宦贰毕嚓P(guān)國(guó)家政府、組織和企業(yè)提供高效、高可靠的數(shù)據(jù)廣播服務(wù),提高中國(guó)氣象的國(guó)際影響力。此外,正在迅速發(fā)展的Ka頻段衛(wèi)星通信資源,容量大、通信速率高,雖然受云、霧、雨、雪、霜等天氣影響大[29],與氣象服務(wù)需求強(qiáng)度相悖,但可采用提升功率、分集、編碼等措施加以抑制[30,31],在“一帶一路”氣象服務(wù)保障中也具有很大的應(yīng)用潛力。
我國(guó)衛(wèi)星通信事業(yè)有著良好的發(fā)展前景,在“一帶一路”框架下,衛(wèi)星通信技術(shù)在氣象領(lǐng)域必將得到更加廣泛、深入的應(yīng)用。我國(guó)自主可控的衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)將是“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作中衛(wèi)星通信的主力。無(wú)論從需求牽引和技術(shù)推動(dòng)角度看,還是從我國(guó)民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和天通、北斗、“海星通”等系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃上看,到“十三五”末期,科學(xué)合理利用我國(guó)自主可控的衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)將能夠滿足“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作對(duì)衛(wèi)星通信的需求。而現(xiàn)階段,以海事衛(wèi)星為代表的國(guó)外衛(wèi)星通信資源在部分地區(qū)、部分業(yè)務(wù)應(yīng)用中還有明顯優(yōu)勢(shì)。因此,在“一帶一路”氣象服務(wù)保障能力建設(shè)中,要注重頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌規(guī)劃、合理安排,兼顧當(dāng)前應(yīng)用和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求,有效提高氣象投資效益和服務(wù)質(zhì)量。