譚書航

（云南省氣象臺，云南昆明）

前言

在全球變暖的大背景下，極端天氣事件發(fā)生率提高，這就導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性、穩(wěn)定性有較高的要求。各種自然災(zāi)害的頻發(fā)，容易出現(xiàn)道路沖毀，電纜損壞的情況，極端天氣對穩(wěn)定及時的氣象信息傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信技術(shù)能在惡劣的自然環(huán)境中使用[1]。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，比如暴雨、山洪、泥石流，常常伴隨著地面寬帶線路中斷。衛(wèi)星應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠確保氣象信息準(zhǔn)確及時的傳輸，從而對各個部門做好氣象服務(wù)提供保障支撐。云南省地理環(huán)境復(fù)雜，山地多，海拔差異大，存在隔里不同天的情況，對預(yù)報員的要求極高，準(zhǔn)確的天氣預(yù)報及預(yù)警離不開及時有效全面的臺站數(shù)據(jù)。

1 北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星

世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。

導(dǎo)航系統(tǒng)中，星載原子鐘用于計量時頻（時間和頻率統(tǒng)稱為時頻）是導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)。星載原子鐘的性能直接決定著衛(wèi)星定位、測速和授時功能的精度。北斗三號組網(wǎng)鐘采用一星兩鐘，同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘，采用原子鐘無縫切換技術(shù)[2]。

北斗三號系統(tǒng)是我國獨立自主設(shè)計建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2020 年7 月31 日建成并提供全球服務(wù)。北斗三號系統(tǒng)在提供定位導(dǎo)航授時服務(wù)外，還集成了星基增強和精密單點定位功能，具有高精度、高完好性，同時融合了通信數(shù)傳功能，實現(xiàn)全球、區(qū)域短報文通信及國際搜救服務(wù)。

2023 年5 月17 日10 時49 分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運載火箭，成功發(fā)射第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。增強了系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)健性，提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)有區(qū)域短報文通信容量三分之一，還有助于用戶實現(xiàn)快速高精度定位。

2 短報文傳輸

北斗區(qū)域短報文通信（regional short message communication,RMSC）技術(shù)是北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的一項通信導(dǎo)航一體化融合特色服務(wù)，它通過雙向通信技術(shù)，以北斗三號衛(wèi)星為中轉(zhuǎn)手段，根據(jù)地面站的調(diào)度規(guī)劃，將軍用用戶終端和民用用戶終端的消息發(fā)送至目標(biāo)用戶終端。北斗一代系統(tǒng)利用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星實現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ?，它將?dǎo)航定位、雙向數(shù)據(jù)通信和精密授時結(jié)合在一起，于2003 年底正式開通服務(wù)，解決了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無問題。這個系統(tǒng)能在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)提供定位、授時、短報文通信和GPS 廣域差分服務(wù)。北斗二代第一期工程在2012 年完成建設(shè)完成，覆蓋我國全境，具備亞太地區(qū)區(qū)域服務(wù)能力，既提供類似于GPS 的開放服務(wù)，也保留了北斗一代的同時提供定位和通信的服務(wù)?！氨倍啡枴毕到y(tǒng)是全球首個融合導(dǎo)航、通信與儀器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，具有雙向短報文通信功能。北斗三號系統(tǒng)區(qū)域短報文通信民用應(yīng)用服務(wù)平臺是北斗三號系統(tǒng)的重要組成部分，作為國家服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，對中國及覆蓋區(qū)國家和地區(qū)提供北斗短報文通信能力，服務(wù)國家戰(zhàn)略，保證國家資源的高效利用。其應(yīng)用場景廣泛，可應(yīng)用至電力水利、石油氣田、開采運輸、海洋漁業(yè)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，解決運輸、開采、重點人員監(jiān)管不足，重要活動過程依賴國外衛(wèi)星系統(tǒng)，緊急、偏遠(yuǎn)地區(qū)信號架設(shè)不便等痛點需求[3]。目前北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)能實現(xiàn)不同加密等級不同報文長度的區(qū)域短報文傳輸，見表1。

表1 區(qū)域短報文通信等級及電文長度說明

3 天線安裝

北斗三號應(yīng)急備份系統(tǒng)主要包括臺站北斗終端、省級北斗指揮機、省級北斗平臺三部分。北斗終端安裝在有人站，從OSSMO/ISSO 軟件獲取國家站的各種報文（主要是地面bufr 文件），通過北斗衛(wèi)星將報文回傳到省級平臺，進(jìn)行直觀展示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并推送到新一代通信系統(tǒng)。國家站與省級平臺之間可以通過北斗進(jìn)行應(yīng)急信息的交互。北斗指揮機分為主機和天線兩部分。主機和天線之間采用射頻線纜連接，天線置于樓頂。指揮機通過串口與服務(wù)器相連，長度不超過15 m。北斗指揮機有唯一的指揮機卡號，用于通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件安裝

北斗省級平臺采用資源池服務(wù)器進(jìn)行安裝，充分利用云平臺資源。使用linux 系統(tǒng)，采用B/S 架構(gòu)設(shè)計，使用java 軟件開發(fā)。省級北斗平臺應(yīng)用軟件主要分為JavaSE6.0 的安裝、Tomcat6 的安裝、MySQL 數(shù)據(jù)庫的安裝、配置本地串口動態(tài)鏈接庫、軟件文件夾的部署、設(shè)置軟件自啟動。使用WEB 瀏覽器訪問北斗衛(wèi)星回傳的氣象數(shù)據(jù)，并生成BUFR 文件或其他文件，使用消息/FTP 方式將文件推送至用戶設(shè)置的地址。

5 氣象應(yīng)急通信備份系統(tǒng)架構(gòu)

北斗氣象通信終端應(yīng)用于無人值守的自動氣象站、便攜自動氣象站中，作為一種穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵通信方式，將氣象數(shù)據(jù)采集器采集的氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過臺站isos 軟件處理，通過北斗衛(wèi)星發(fā)送給省級北斗指揮機。北斗指揮機將接收到的臺站報文信息進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)送給中心站應(yīng)用軟件進(jìn)行報文的解碼，結(jié)構(gòu)化顯示，再發(fā)送給省級通信系統(tǒng)CTS,提供給其他部門及單位作為天氣預(yù)報、應(yīng)急減災(zāi)的參考依據(jù)[4]，見圖1。

圖1 北斗氣象應(yīng)急備份系統(tǒng)架構(gòu)

6 北斗氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)傳輸流程

無人站臺站終端發(fā)送到省級北斗平臺的信息為入向信息，省級北斗平臺發(fā)送到北斗臺站終端的信息為出向信息，這是整個北斗平臺的信息傳輸流程，實現(xiàn)平臺和終端的雙向通信[2]。

入向信息主要是采集器通過臺站客戶端isos 軟件生成小時或者分鐘的bufr 格式文件或其他格式的文件，省級北斗平臺通過shbdpt-dataResend-2.1.3-SNAPSHOT.jar，shbdpt-parsingData-2.1.5-SNAPSHOT.jar，shbdpt-receiveData -2.1.4 -SNAPSHOT.jar，shbdpt -web -2.1.4-SNAPSHOT-exec.jar，springboot-composePackage-2.1.2-SNAPSHOT.jar 等java 程序?qū)ufr 格式文件Z 文件txt 文件進(jìn)行接收解碼入庫并結(jié)構(gòu)化顯示各要素在平臺上，包括報文的臺站時間氣溫降水等要素。入向信息也包括臺站終端向省級平臺發(fā)送應(yīng)急指令。

出向信息主要有省級北斗平臺向臺站終端發(fā)送未到報數(shù)據(jù)，作為地面網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膫浞?；向北斗終端發(fā)送應(yīng)急指令確保應(yīng)急通信；發(fā)送采集器指令進(jìn)行一系列操作。

整個平臺的信息流程，見圖2。

圖2 系統(tǒng)傳輸流程

7 省級北斗平臺介紹

省級北斗平臺主要分為臺站管理、數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控信息、應(yīng)急信息、日志管理、配置管理、用戶權(quán)限管理七個主要模塊，每個模塊又分為各個不同功能的子模塊。臺站管理模塊分為站點地圖顯示、站點基本信息、站點設(shè)備信息，可以顯示省內(nèi)站點位置，站點設(shè)備狀態(tài)，北斗終端詳情。數(shù)據(jù)管理可以顯示國家站到報時間、到報信息統(tǒng)計；區(qū)域站到報時間、到報信息統(tǒng)計，同時還有未到報補報幀的功能?？梢詫v史整點數(shù)據(jù)進(jìn)行補錄。

監(jiān)控信息可以監(jiān)控設(shè)備異常、數(shù)據(jù)異常并進(jìn)行告警。應(yīng)急信息是北斗三號衛(wèi)星應(yīng)急備份系統(tǒng)的重要功能，可以實現(xiàn)與臺站的北斗終端的互通，同時具有組播通播功能。能夠接收所有臺站的應(yīng)急信息進(jìn)行應(yīng)答，同時對所有臺站終端一鍵發(fā)送應(yīng)急指令。通過日常巡檢及汛期前測試可有效保障臺站報文傳輸及應(yīng)急信息互通。

北斗平臺具有科學(xué)的用戶管理功能，能夠給不同的用戶不同的權(quán)限，本省的用戶按州市進(jìn)行劃分，還能設(shè)置不同的角色進(jìn)行權(quán)限管理。

8 北斗三號應(yīng)急備份系統(tǒng)優(yōu)點

8.1 國產(chǎn)自主可控

北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，獨立自主建設(shè)、穩(wěn)定運行的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)過程中始終堅持走自主創(chuàng)新發(fā)展道路，自研百余種宇航級器部件，核心器部件完全自主可控[6]。

8.2 覆蓋范圍廣

北斗一號系統(tǒng)覆蓋范圍為北緯5 度至55 度、東經(jīng)70 度至145 度，覆蓋中國大陸所有地區(qū)和海區(qū)。北斗二號覆蓋亞太地區(qū)，服務(wù)區(qū)域為南北緯55 度，東經(jīng)55 度-180 度的區(qū)域。北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。北斗衛(wèi)星三號：2017 年開始，開始發(fā)射北斗三號全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)衛(wèi)星。2018 年完成了一帶一路國家的信號覆蓋。到2020 年，實現(xiàn)了全球覆蓋。這標(biāo)志著我國獨立自主研發(fā)的，適合我國國情的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，邁進(jìn)全球服務(wù)新時代。

8.3 可靠性高

北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星經(jīng)過精心的設(shè)計，以適應(yīng)太空環(huán)境下的高溫、低溫、輻射和真空等極端條件。衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、材料和組件都經(jīng)過嚴(yán)格的測試和驗證，以確保其能夠正常運行并抵御外界干擾。

為了提高系統(tǒng)的可靠性，北斗系統(tǒng)采用了多顆衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng)，以確保即使某顆衛(wèi)星發(fā)生故障，仍然能夠提供穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)。此外，系統(tǒng)還配置有備份地面站和冗余通信鏈路，以應(yīng)對可能的故障和干擾情況。受地形和氣候影響小，尤其低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。

8.4 兼容性

北斗三號指揮機兼容北斗二號終端和北斗三號終端，可以實現(xiàn)不同終端的數(shù)據(jù)接收指令控制。

9 常見故障處理

北斗三號指揮機兼容北斗二號終端，在與北斗二號臺站終端進(jìn)行互通的過程中，無法獲取數(shù)據(jù)的情況下，查看終端，顯示文件未找到是一種較為常見的狀況。

經(jīng)過平臺管理員的檢查和臺站的確認(rèn)，在其他回復(fù)內(nèi)容為文件未找到的情況下，需要臺站工作人員打開isos軟件，選擇參數(shù)設(shè)置導(dǎo)航欄下面的自定項目參數(shù)選框，見圖3 和圖4。

圖3 臺站isos 軟件選項卡

圖4 isos 軟件報文發(fā)送參數(shù)設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置選項頁面勾選是否發(fā)送選項卡，然后在運行日志里檢查整點報文是否發(fā)送，見圖5。

圖5 修改后臺站報文終端發(fā)送成功顯示

再在平臺的臺站終端查詢?nèi)罩具M(jìn)行檢查，看是否有整點bufr 報文發(fā)送記錄，如果修改后整點查詢有該站號bufr 格式報文發(fā)送記錄，登錄平臺進(jìn)行終端查詢，其他恢復(fù)內(nèi)容沒有提示文件未找到，說明修改正確。

10 結(jié)論

北斗三號指揮機的應(yīng)用確保了只通過北斗傳輸?shù)臒o人站的bufr 格式的氣象數(shù)據(jù)傳輸，保證在環(huán)境復(fù)雜惡劣的地方不會出現(xiàn)氣象信息盲點。同時對于其他北斗平臺的國家站和區(qū)域站bufr 格式數(shù)據(jù)作為氣象專網(wǎng)傳輸?shù)膫浞?，在山洪、泥石流等突發(fā)事件道路損毀網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下加了保險?；诒倍范虉笪牡碾p向通信保證了應(yīng)急信息的雙向傳輸。平臺提供的多種功能方便實現(xiàn)對采集器的控制。氣象應(yīng)急備份系統(tǒng)的建設(shè)為我省的氣象信息傳輸提供保障支撐。