劉一謙，張常亮，余嘉

（1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都　610072；2.德陽(yáng)市氣象局，德陽(yáng)　618000）

基于北斗的縣級(jí)氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉一謙1，張常亮1，余嘉2

（1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都610072；2.德陽(yáng)市氣象局，德陽(yáng)618000）

512和420地震都對(duì)四川地震災(zāi)區(qū)通信和氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，為解決全省氣象信息網(wǎng)絡(luò)僅僅依靠地面網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不足進(jìn)行分析，構(gòu)建一套采用北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能的縣級(jí)氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)完成以來(lái)運(yùn)行總體穩(wěn)定，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，作為地面氣象信息網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，該系統(tǒng)發(fā)揮良好效益，為氣象系統(tǒng)防災(zāi)減災(zāi)氣象服務(wù)做出貢獻(xiàn)。

北斗系統(tǒng)；短報(bào)文；應(yīng)急通信；防災(zāi)減災(zāi)

0　引言

四川省幅員遼闊，境內(nèi)地貌復(fù)雜，大部分為丘陵、山地和高原，四川西部高原山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高危點(diǎn)多，汛期地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成道路和通信中斷，受災(zāi)地區(qū)氣象臺(tái)站無(wú)法與外界信息溝通，嚴(yán)重影響氣象業(yè)務(wù)正常開(kāi)展，特別是2008年512汶川地震和2013年420蘆山地震，造成震區(qū)地面氣象寬帶網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重受損，災(zāi)區(qū)受損災(zāi)情和人員傷亡情況不能及時(shí)傳送到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)，同時(shí)地震后災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率和危害性明顯增加，進(jìn)一步加大了全省氣象業(yè)務(wù)正常開(kāi)展的難度。這就迫切需要我們探索一條新的可靠的技術(shù)路線對(duì)現(xiàn)有氣象信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充，解決四川省氣象廣域網(wǎng)絡(luò)僅僅依托于運(yùn)營(yíng)商地面網(wǎng)絡(luò)，在地震、山洪、泥石流以及塌方等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)極易受到損害，影響國(guó)家級(jí)臺(tái)站應(yīng)急信息和取消資料傳輸?shù)谋∪醐h(huán)節(jié)，因此，建設(shè)一套基于衛(wèi)星通信的應(yīng)急通信系統(tǒng)是十分迫切和有必要的。

1　全省氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分析

2007年四川省啟動(dòng)了全省氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)，通過(guò)租用電信的SDH專線，構(gòu)建一套星型與樹(shù)型相結(jié)合的、覆蓋全省的省市縣三級(jí)氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中，省-市帶寬為4M，市-縣帶寬為2M。同時(shí)，為提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性，采用基于Internet的VPN建設(shè)了一套備份線路，通過(guò)動(dòng)態(tài)路由調(diào)度，實(shí)現(xiàn)備份線路的熱備份功能。2008年512汶川大地震導(dǎo)致了地震災(zāi)區(qū)的氣象寬帶網(wǎng)絡(luò)全面中斷，雖然VPN在一定程度上對(duì)專線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了補(bǔ)充，但是單運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在大災(zāi)害發(fā)生時(shí)仍然顯得十分脆弱［1］。

為了提高整個(gè)氣象廣域網(wǎng)絡(luò)的健全性與穩(wěn)定性，2011年全省引入了第二運(yùn)營(yíng)商SDH專線，構(gòu)建了“雙寬帶并用、業(yè)務(wù)分流、互為熱備”的氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。正常情況下，常規(guī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸以電信線路為主通道，移動(dòng)線路路作為備份，在電信線路出現(xiàn)故障后，自動(dòng)切換到移動(dòng)線路；視頻會(huì)商數(shù)據(jù)以移動(dòng)線路為主通道，電信線路作為備份。雖然雙運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有互補(bǔ)作用，但是2013年420蘆山地震發(fā)生后，整個(gè)運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施基本被摧毀，雖然擁有了雙運(yùn)營(yíng)商線路，但是重災(zāi)區(qū)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都是失聯(lián)的信息孤島，人員財(cái)產(chǎn)損失情況上報(bào)和氣象資料傳輸都受到極大的影響。

四川省一共有156個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站，目前業(yè)務(wù)開(kāi)展和資料傳輸、共享主要依賴于全省氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本能夠滿足全省氣象業(yè)務(wù)目前的需求，然而考慮到西部邊遠(yuǎn)臺(tái)站和地震災(zāi)區(qū)極易受到地址災(zāi)害的影響，在各種自然災(zāi)害發(fā)生的時(shí)候，相關(guān)氣象服務(wù)工作的各種需求陡增，這種時(shí)候，氣象通信及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性就顯得尤為重要。我們需要考慮一種不基于地面線路的應(yīng)急通信系統(tǒng)［2］。

圖1　全省氣象廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制，正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星是繼美國(guó)“GPS”系統(tǒng)和俄羅斯“GLONASS”系統(tǒng)后世界上第三個(gè)實(shí)際運(yùn)行的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。第一代導(dǎo)航系統(tǒng)“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)”于1995年正式啟動(dòng)工程研制，并在2003年正式開(kāi)始提供較為完整的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航。2003年之后，第二代“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”開(kāi)始建構(gòu)，計(jì)劃于2020年建成并覆蓋全球，總共由35顆衛(wèi)星組成。2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式向亞太大部分地區(qū)正式提供各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力［3］。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)由省級(jí)中心管理系統(tǒng)、臺(tái)站終端系統(tǒng)組成。應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。臺(tái)站終端系統(tǒng)包括北斗終端、計(jì)算機(jī)、北斗終端數(shù)據(jù)處理軟件，北斗終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式連接到部署終端數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)；省級(jí)中心管理系統(tǒng)包括北斗衛(wèi)星中心管理系統(tǒng)接入終端（北斗指揮機(jī)）、服務(wù)器、中心管理系統(tǒng)軟件。

圖2　應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力。系統(tǒng)主要采用的是北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能，采用106字節(jié)/分的四級(jí)卡，對(duì)應(yīng)急信息和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的壓縮并傳輸，依托北斗通信系統(tǒng)，建立完成高原三州及地震災(zāi)區(qū)縣級(jí)氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下受災(zāi)點(diǎn)與省局及周邊臺(tái)站信息傳遞功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)資料應(yīng)急傳輸，完善資料應(yīng)急傳輸流程，應(yīng)急通信系統(tǒng)具備以下功能：

（1）應(yīng)急信息傳輸

在發(fā)生極端自然災(zāi)害，地面通信網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，能夠通過(guò)該應(yīng)急通信系統(tǒng)，將臺(tái)站人員安全情況、設(shè)備及建筑受損等情況，上報(bào)到省氣象局及知會(huì)周邊臺(tái)站，能夠與省局現(xiàn)有短信平臺(tái)有效結(jié)合，將臺(tái)站上報(bào)的信息有選擇的通過(guò)短信平臺(tái)發(fā)送給相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)省局能夠通過(guò)該系統(tǒng)將應(yīng)急指導(dǎo)意見(jiàn)傳達(dá)到地面通信中斷的臺(tái)站，確保極端自然災(zāi)害波及的臺(tái)站不會(huì)與外界失去聯(lián)系。應(yīng)急信息處理流程圖如圖4所示。

圖3　系統(tǒng)功能模塊示意圖

圖4　應(yīng)急信息處理流程圖

（2）氣象資料傳輸

根據(jù)北斗通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力考慮，作為應(yīng)急通信系統(tǒng)，在非應(yīng)急狀態(tài)下維持資料傳輸主要是為了檢驗(yàn)確保系統(tǒng)的工作狀態(tài)，北斗系統(tǒng)能滿足自動(dòng)站文件的傳輸需求，同時(shí)能夠作為資料傳輸?shù)膫浞莘绞健１倍窇?yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)傳輸自動(dòng)站每個(gè)時(shí)次的正點(diǎn)資料，手動(dòng)選擇發(fā)送自動(dòng)站加密資料、自動(dòng)站日照文件、自動(dòng)站輻射文件、自動(dòng)站狀態(tài)文件等，同時(shí)還能夠根據(jù)需要利用該應(yīng)急系統(tǒng)傳輸指定文件。數(shù)據(jù)傳輸處理流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)傳輸處理流程圖

2.4省級(jí)中心端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

省級(jí)中心端系統(tǒng)主要用來(lái)接收從臺(tái)站系統(tǒng)通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)文件以及應(yīng)急信息等。具體功能模塊分為用戶管理、站點(diǎn)管理、應(yīng)急信息、國(guó)家站數(shù)據(jù)、監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)、日志管理、系統(tǒng)設(shè)置和北斗監(jiān)控。省級(jí)中心系統(tǒng)自動(dòng)從與指揮機(jī)連通的串口接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)組包、數(shù)據(jù)補(bǔ)幀以及后期數(shù)據(jù)處理。

2.5臺(tái)站終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺(tái)站終端系統(tǒng)在原有通信傳輸方式 （地面寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸）的基礎(chǔ)上，通過(guò)在業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)上安裝北斗終端數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息編輯、發(fā)送、接收、顯示，完成數(shù)據(jù)處理、終端控制等所需的功能操作。數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)庀笥^測(cè)報(bào)文進(jìn)行壓縮、分包、發(fā)送，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手工兩種傳輸方式。應(yīng)急信息界面設(shè)計(jì)一個(gè)站點(diǎn)選擇列表，能夠?qū)π枰l(fā)送應(yīng)急信息的點(diǎn)進(jìn)行方便快捷的選擇，且所有臺(tái)站的站點(diǎn)選擇列表在省級(jí)中心管理系統(tǒng)信息更新后能夠進(jìn)行及時(shí)同步。

3　應(yīng)急通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中心管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收所有縣級(jí)臺(tái)站通過(guò)北斗終端發(fā)送來(lái)的應(yīng)急信息和氣象數(shù)據(jù)，中心管理系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6　省級(jí)中心平臺(tái)界面

當(dāng)系統(tǒng)接收到應(yīng)急信息時(shí)，將該信息接入省級(jí)現(xiàn)有短信平臺(tái)，并通過(guò)告警功能提示省中心系統(tǒng)值班人員處理該信息，應(yīng)急信息交互界面如圖7所示。對(duì)于接收到的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)則進(jìn)行解包、整合，還原為完整的觀測(cè)報(bào)文。若出現(xiàn)缺報(bào)或丟包的情況，中心管理系統(tǒng)即向下屬站點(diǎn)發(fā)送補(bǔ)發(fā)指令，下屬站點(diǎn)接收到補(bǔ)發(fā)指令后把丟失的數(shù)據(jù)重新上傳到北斗中心管理系統(tǒng)。中心管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，能夠?qū)⒔邮盏降奈募幚砹舻?，定制是否發(fā)送至通信系統(tǒng)，進(jìn)入傳輸流程，對(duì)于通過(guò)終端軟件偵測(cè)功能識(shí)別到地面寬帶故障時(shí)上傳的文件，均須發(fā)送至通信系統(tǒng)。

圖7　應(yīng)急信息交互示意圖

作為一套平戰(zhàn)結(jié)合的應(yīng)急通信系統(tǒng)，氣象臺(tái)站的整點(diǎn)自動(dòng)站資料通過(guò)北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)準(zhǔn)時(shí)上傳至省級(jí)北斗中心平臺(tái)，在地面廣域網(wǎng)絡(luò)鏈路正常狀態(tài)下，默認(rèn)不向省級(jí)通信系統(tǒng)推送，傳輸氣象資料的成功與否作為測(cè)試北斗鏈路狀況的參考指標(biāo)。在遇到地面雙氣象寬帶同時(shí)中斷時(shí)，臺(tái)站的工作人員電話告知省中心，值班人員通過(guò)設(shè)置可以將氣象資料傳入通信系統(tǒng)，保證氣象資料的時(shí)效不受影響。在遇到地震等不可抗拒的自然災(zāi)害時(shí)，氣象臺(tái)站可以通過(guò)北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)將應(yīng)急信息發(fā)送到省級(jí)中心站或者相關(guān)的臺(tái)站，將臺(tái)站受災(zāi)害的相關(guān)信息和人員安危情況及時(shí)和外界進(jìn)行溝通，及時(shí)消除了因溝通不暢而造成的信息缺失。臺(tái)站終端系統(tǒng)軟件界面如圖8所示。

圖8　臺(tái)站終端系統(tǒng)

4　結(jié)語(yǔ)

縣級(jí)氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)的建設(shè)包括省級(jí)中心平臺(tái)的安裝部署和76個(gè)縣級(jí)臺(tái)站的軟硬件安裝調(diào)試。在試點(diǎn)安裝測(cè)試工作完成之后，全部76個(gè)縣級(jí)臺(tái)站于2014 年7月初完成了安裝實(shí)施工作。76個(gè)站的整體到報(bào)率（2014年07月11日0時(shí)至2014年08月07日23時(shí)共計(jì)672個(gè)時(shí)次）為90.57%，除部分臺(tái)站防雷模塊故障、版本升級(jí)影響和北斗終端軟件沒(méi)有正常開(kāi)啟運(yùn)行造成的終端離線外，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該系統(tǒng)的正常運(yùn)行表明，依托北斗系統(tǒng)的縣級(jí)氣象應(yīng)急通信系統(tǒng)能夠在各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠?yàn)闉?zāi)區(qū)各類應(yīng)急信息和氣象資料的發(fā)送提供提供一條穩(wěn)定可靠的備份線路，大大提升四川省氣象部門(mén)防災(zāi)減災(zāi)的能力。

［1］朱永輝，白征東，過(guò)靜珺.基于北斗一號(hào)的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).測(cè)繪通報(bào)，2010，2：5-6.

［2］汪波.用于地面氣象觀測(cè)的北斗衛(wèi)星通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).北京郵電大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文，2012，2：14.

［3］姚作新.基于北斗衛(wèi)星短信通信方式的無(wú)人值守自動(dòng)氣象站網(wǎng).氣象科技，2012，3：341-343.

［4］任偉紅，張蕾，周洪.基于Internet的地理信息系統(tǒng)（WebGIS）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.華北電力技術(shù)，2001（7）27-29.

［5］干國(guó)強(qiáng)，邱致和.導(dǎo)航與定位［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000：215-216.

［6］竇長(zhǎng)江.北斗一號(hào)民用現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.全球定位系統(tǒng)，2005，30：347-350.

［7］譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程［M］.第一版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007：1-14.

［8］王彬，宗翔，魏敏.一個(gè)精細(xì)粒度實(shí)時(shí)計(jì)算資源管理系統(tǒng)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19（4）：507-512.

［9］谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報(bào)文通信信道性能測(cè)試與統(tǒng)計(jì)分析［J］.氣象科技，2015，03：458-463.

［10］王青，吳一紅.北斗系統(tǒng)在基于位置服務(wù)中的應(yīng)用［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2010，04：40-42.

［11］杜思良，楊俊峰，王德泉.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在地面監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.兵工自動(dòng)化，2013，10：80-83.

［12］黃曉敏，史宇璇，周垂帆，陳天白.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候防洪救災(zāi)系統(tǒng)［J］.民營(yíng)科技，2016，04：60-61+45.

［13］陳啟鋒，莫家勤.基于北斗衛(wèi)星定位的物流平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.大眾科技，2016，01：1-4.

［14］于龍洋，王鑫，李署堅(jiān).基于北斗短報(bào)文的定位數(shù)據(jù)壓縮和可靠傳輸［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，11：108-111.

［15］王淑煒，汪文明，黃晨，易航.基于北斗短報(bào)文通信的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.衛(wèi)星應(yīng)用，2015，02：65-68.

［16］王興玲.基于北斗衛(wèi)星的災(zāi)情信息采集與災(zāi)害應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，03：136-140.

［17］夏曉巍.基于移動(dòng)平臺(tái)的北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)［J］.通信技術(shù)，2013，05：19-20+23.

［18］北斗在應(yīng)急通信中的應(yīng)用［J］.數(shù)字通信世界，2012，08：17-20.

Design and Implement of County Meteorological Emergency Communication System Based on Beidou

LIU Yi-qian1，ZHANG Chang-liang1，YU Jia2
（1.Sichuan Meteorological Observation and Data Centre，Chengdu 610072；2.Deyang Meteorological Bureau，Deyang 618000）

The 512 and 420 earthquakes both made severe damage to meteorological information network system of Sichuan.For the sake of solving the problem on the weakness of ground network system.Analyzing the shortage of current network system，constructing a meteorological emergency communication system based on short message of Beidou System.The system is running stably since installation，practical application shows that this system makes a great contribution to supplementing the ground network and weather service for disaster mitigation and prevention as well.

Beidou System；Short Message；Emergency Communication；Disaster Prevention and Mitigation

1007-1423（2016）27-0059-05DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.015

劉一謙（1984-），男，四川成都人，工程師，本科，研究方向?yàn)橥ㄐ排c計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、虛擬化、高性能計(jì)算等

2016-07-07

2016-09-15