譚書(shū)航

（云南省氣象臺(tái)，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(shí)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(duì)穩(wěn)定及時(shí)的氣象信息傳輸帶來(lái)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(shí)，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(shí)的傳輸，從而對(duì)各個(gè)部門(mén)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(duì)預(yù)報(bào)員的要求極高，準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)及預(yù)警離不開(kāi)及時(shí)有效全面的臺(tái)站數(shù)據(jù)。

1 北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星

世界四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分別為美國(guó)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(guó)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(jì)量時(shí)頻（時(shí)間和頻率統(tǒng)稱為時(shí)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(cè)速和授時(shí)功能的精度。北斗三號(hào)組網(wǎng)鐘采用一星兩鐘，同時(shí)配置兩個(gè)氫鐘和兩個(gè)銣鐘，采用原子鐘無(wú)縫切換技術(shù)[2]。

北斗三號(hào)系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)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(hào)系統(tǒng)在提供定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)外，還集成了星基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位功能，具有高精度、高完好性，同時(shí)融合了通信數(shù)傳功能，實(shí)現(xiàn)全球、區(qū)域短報(bào)文通信及國(guó)際搜救服務(wù)。

2023 年5 月17 日10 時(shí)49 分，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射第56 顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。增強(qiáng)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(bào)文通信容量三分之一，還有助于用戶實(shí)現(xiàn)快速高精度定位。

2 短報(bào)文傳輸

北斗區(qū)域短報(bào)文通信（regional short message communication,RMSC）技術(shù)是北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)通信導(dǎo)航一體化融合特色服務(wù)，它通過(guò)雙向通信技術(shù)，以北斗三號(hào)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(shí)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(shí)結(jié)合在一起，于2003 年底正式開(kāi)通服務(wù)，解決了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有無(wú)問(wèn)題。這個(gè)系統(tǒng)能在中國(guó)及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)提供定位、授時(shí)、短報(bào)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(guó)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(kāi)放服務(wù)，也保留了北斗一代的同時(shí)提供定位和通信的服務(wù)。“北斗三號(hào)”系統(tǒng)是全球首個(gè)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(bào)文通信功能。北斗三號(hào)系統(tǒng)區(qū)域短報(bào)文通信民用應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)是北斗三號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，作為國(guó)家服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)中國(guó)及覆蓋區(qū)國(guó)家和地區(qū)提供北斗短報(bào)文通信能力，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略，保證國(guó)家資源的高效利用。其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可應(yīng)用至電力水利、石油氣田、開(kāi)采運(yùn)輸、海洋漁業(yè)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，解決運(yùn)輸、開(kāi)采、重點(diǎn)人員監(jiān)管不足，重要活動(dòng)過(guò)程依賴國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)，緊急、偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)架設(shè)不便等痛點(diǎn)需求[3]。目前北斗三代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)不同加密等級(jí)不同報(bào)文長(zhǎng)度的區(qū)域短報(bào)文傳輸，見(jiàn)表1。

表1 區(qū)域短報(bào)文通信等級(jí)及電文長(zhǎng)度說(shuō)明

3 天線安裝

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

4 軟件安裝

北斗省級(jí)平臺(tái)采用資源池服務(wù)器進(jìn)行安裝，充分利用云平臺(tái)資源。使用linux 系統(tǒng)，采用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì)，使用java 軟件開(kāi)發(fā)。省級(jí)北斗平臺(tái)應(yīng)用軟件主要分為JavaSE6.0 的安裝、Tomcat6 的安裝、MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的安裝、配置本地串口動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、軟件文件夾的部署、設(shè)置軟件自啟動(dòng)。使用WEB 瀏覽器訪問(wèn)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(wú)人值守的自動(dòng)氣象站、便攜自動(dòng)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(guò)臺(tái)站isos 軟件處理，通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送給省級(jí)北斗指揮機(jī)。北斗指揮機(jī)將接收到的臺(tái)站報(bào)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(bào)文的解碼，結(jié)構(gòu)化顯示，再發(fā)送給省級(jí)通信系統(tǒng)CTS,提供給其他部門(mén)及單位作為天氣預(yù)報(bào)、應(yīng)急減災(zāi)的參考依據(jù)[4]，見(jiàn)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(wú)人站臺(tái)站終端發(fā)送到省級(jí)北斗平臺(tái)的信息為入向信息，省級(jí)北斗平臺(tái)發(fā)送到北斗臺(tái)站終端的信息為出向信息，這是整個(gè)北斗平臺(tái)的信息傳輸流程，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和終端的雙向通信[2]。

入向信息主要是采集器通過(guò)臺(tái)站客戶端isos 軟件生成小時(shí)或者分鐘的bufr 格式文件或其他格式的文件，省級(jí)北斗平臺(tái)通過(guò)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(kù)并結(jié)構(gòu)化顯示各要素在平臺(tái)上，包括報(bào)文的臺(tái)站時(shí)間氣溫降水等要素。入向信息也包括臺(tái)站終端向省級(jí)平臺(tái)發(fā)送應(yīng)急指令。

出向信息主要有省級(jí)北斗平臺(tái)向臺(tái)站終端發(fā)送未到報(bào)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(gè)平臺(tái)的信息流程，見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)傳輸流程

7 省級(jí)北斗平臺(tái)介紹

省級(jí)北斗平臺(tái)主要分為臺(tái)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(gè)主要模塊，每個(gè)模塊又分為各個(gè)不同功能的子模塊。臺(tái)站管理模塊分為站點(diǎn)地圖顯示、站點(diǎn)基本信息、站點(diǎn)設(shè)備信息，可以顯示省內(nèi)站點(diǎn)位置，站點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)，北斗終端詳情。數(shù)據(jù)管理可以顯示國(guó)家站到報(bào)時(shí)間、到報(bào)信息統(tǒng)計(jì)；區(qū)域站到報(bào)時(shí)間、到報(bào)信息統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還有未到報(bào)補(bǔ)報(bào)幀的功能?？梢詫?duì)歷史整點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)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(hào)衛(wèi)星應(yīng)急備份系統(tǒng)的重要功能，可以實(shí)現(xiàn)與臺(tái)站的北斗終端的互通，同時(shí)具有組播通播功能。能夠接收所有臺(tái)站的應(yīng)急信息進(jìn)行應(yīng)答，同時(shí)對(duì)所有臺(tái)站終端一鍵發(fā)送應(yīng)急指令。通過(guò)日常巡檢及汛期前測(cè)試可有效保障臺(tái)站報(bào)文傳輸及應(yīng)急信息互通。

北斗平臺(tái)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(hào)應(yīng)急備份系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

8.1 國(guó)產(chǎn)自主可控

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，獨(dú)立自主建設(shè)、穩(wěn)定運(yùn)行的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)過(guò)程中始終堅(jiān)持走自主創(chuàng)新發(fā)展道路，自研百余種宇航級(jí)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(hào)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(guó)大陸所有地區(qū)和海區(qū)。北斗二號(hào)覆蓋亞太地區(qū)，服務(wù)區(qū)域?yàn)槟媳本?5 度，東經(jīng)55 度-180 度的區(qū)域。北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。北斗衛(wèi)星三號(hào)：2017 年開(kāi)始，開(kāi)始發(fā)射北斗三號(hào)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)衛(wèi)星。2018 年完成了一帶一路國(guó)家的信號(hào)覆蓋。到2020 年，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。這標(biāo)志著我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的，適合我國(guó)國(guó)情的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，邁進(jìn)全球服務(wù)新時(shí)代。

8.3 可靠性高

北斗系統(tǒng)的衛(wèi)星經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)，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(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，以確保其能夠正常運(yùn)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(duì)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(diǎn)更為明顯。

8.4 兼容性

北斗三號(hào)指揮機(jī)兼容北斗二號(hào)終端和北斗三號(hào)終端，可以實(shí)現(xiàn)不同終端的數(shù)據(jù)接收指令控制。

9 常見(jiàn)故障處理

北斗三號(hào)指揮機(jī)兼容北斗二號(hào)終端，在與北斗二號(hào)臺(tái)站終端進(jìn)行互通的過(guò)程中，無(wú)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(jiàn)的狀況。

經(jīng)過(guò)平臺(tái)管理員的檢查和臺(tái)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(tái)站工作人員打開(kāi)isos軟件，選擇參數(shù)設(shè)置導(dǎo)航欄下面的自定項(xiàng)目參數(shù)選框，見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 臺(tái)站isos 軟件選項(xiàng)卡

圖4 isos 軟件報(bào)文發(fā)送參數(shù)設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)頁(yè)面勾選是否發(fā)送選項(xiàng)卡，然后在運(yùn)行日志里檢查整點(diǎn)報(bào)文是否發(fā)送，見(jiàn)圖5。

圖5 修改后臺(tái)站報(bào)文終端發(fā)送成功顯示

再在平臺(tái)的臺(tái)站終端查詢?nèi)罩具M(jìn)行檢查，看是否有整點(diǎn)bufr 報(bào)文發(fā)送記錄，如果修改后整點(diǎn)查詢有該站號(hào)bufr 格式報(bào)文發(fā)送記錄，登錄平臺(tái)進(jìn)行終端查詢，其他恢復(fù)內(nèi)容沒(méi)有提示文件未找到，說(shuō)明修改正確。

10 結(jié)論

北斗三號(hào)指揮機(jī)的應(yīng)用確保了只通過(guò)北斗傳輸?shù)臒o(wú)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(huì)出現(xiàn)氣象信息盲點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于其他北斗平臺(tái)的國(guó)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(xiǎn)?；诒倍范虉?bào)文的雙向通信保證了應(yīng)急信息的雙向傳輸。平臺(tái)提供的多種功能方便實(shí)現(xiàn)對(duì)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。