王佳明，李旭杰，宋吉霞，陳慶亮

(1.威海市氣象局，威海264200；2.山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南250031)

0 引言

船載自動(dòng)氣象站(以下簡(jiǎn)稱船載站)，是指安裝在船舶上的自動(dòng)氣象站，在船舶航線上自動(dòng)開(kāi)展氣象觀測(cè)，能將實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)按設(shè)定頻次上傳到陸上數(shù)據(jù)中心。船載站“觀測(cè)場(chǎng)”的通信環(huán)境與陸上自動(dòng)氣象站不同，他是隨船舶移動(dòng)而不斷發(fā)生變化的。在不同海區(qū)，船載站數(shù)據(jù)上傳有時(shí)會(huì)因其處在通信信號(hào)盲區(qū)或信號(hào)受干擾而失敗，導(dǎo)致陸上數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)接收不全。

目前數(shù)量不多、數(shù)據(jù)上傳又受通信條件影響的船載站，獲取有限的海洋氣象觀測(cè)資料還不能為海上生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警及氣候研究提供有效的數(shù)據(jù)支撐；因此開(kāi)展船載站數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題研究，解決其數(shù)據(jù)上傳到報(bào)率不高問(wèn)題，對(duì)豐富海洋氣象觀測(cè)資料具有積極意義。

1 船載站數(shù)據(jù)傳輸方式及存在的問(wèn)題

2018年以前，在全國(guó)氣象系統(tǒng)投入運(yùn)行的船載站數(shù)據(jù)傳輸只能采用GPRS/3G/4G、北斗衛(wèi)星[1]或國(guó)際海事衛(wèi)星中的1種方式。運(yùn)行在固定航線上，如渤海海峽煙大、威大航線，且在大部分航段有GPRS/3G/4G信號(hào)的船載站，采用GPRS/3G/4G無(wú)線通信方式傳輸數(shù)據(jù)；在無(wú)固定航線或常在遠(yuǎn)離海岸或海島GPRS/3G/4G基站信號(hào)區(qū)外運(yùn)行的船載站，如安裝在救撈救助船、遠(yuǎn)洋漁船、中韓航線客滾船，只能采用北斗衛(wèi)星短報(bào)文方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因國(guó)際海事衛(wèi)星通信成本過(guò)高，一般不采用。GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)通信一般不受電磁干擾，但在信號(hào)盲區(qū)、相鄰基站信號(hào)重疊區(qū)或信號(hào)覆蓋區(qū)邊緣海域，經(jīng)常有通信中斷或不穩(wěn)定的情況發(fā)生。北斗衛(wèi)星通信在中國(guó)近海海域無(wú)信號(hào)盲區(qū)，但經(jīng)常會(huì)受到各種岸基電磁信號(hào)干擾，導(dǎo)致其在近?；蚰承┖８蹆?nèi)通信傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)到報(bào)率不高。北斗衛(wèi)星短報(bào)文傳輸情況又受自身通信機(jī)制影響，目前最大加密頻次為1次/10 min，單位時(shí)間內(nèi)比GPRS/3G/4G無(wú)線通信1次/5 min(可設(shè)置為1次/min)數(shù)據(jù)傳輸量少一半。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新型船載站開(kāi)始使用雙模冗余通信技術(shù)[2]，即采用GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星[3]通信同時(shí)上傳觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了兩種無(wú)線通信方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。升級(jí)后的船載站數(shù)據(jù)采集器分別生成帶有GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星傳輸方式標(biāo)識(shí)的2條原始數(shù)據(jù)報(bào)文，通過(guò)GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星同時(shí)上傳[4]。陸上數(shù)據(jù)中心接收到2條報(bào)文后，根據(jù)各自報(bào)文中標(biāo)識(shí)符解析入庫(kù)到不同數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)表中。因雙模通信數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容存在區(qū)別(表1、表2)，故不能將收到的2條原始數(shù)據(jù)按接收先后順序重復(fù)寫(xiě)入同一區(qū)站號(hào)(船載站站號(hào))庫(kù)表中；因此會(huì)出現(xiàn)同一船載站在陸上數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，存在區(qū)站號(hào)不同的2個(gè)庫(kù)表。數(shù)據(jù)中心軟件將2個(gè)庫(kù)表歷史數(shù)據(jù)到報(bào)率高的設(shè)定為生成Z文件的數(shù)據(jù)源，將陸上數(shù)據(jù)中心接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按規(guī)定數(shù)據(jù)格式生成參與到報(bào)率考核和下一級(jí)用戶使用的Z文件，并及時(shí)上傳。而另一傳輸方式傳來(lái)的數(shù)據(jù)入庫(kù)存儲(chǔ)后不參與Z文件生成。采用雙模冗余通信后，雖然陸上數(shù)據(jù)中心接收船載站觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較采用單一通信方式時(shí)有所增加，但因數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生成上傳Z文件的軟件機(jī)制制約，雙模通信中冗余傳輸方式傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)未被采用生成Z文件。故船載站采用雙模冗余通信向同一數(shù)據(jù)中心傳輸原始數(shù)據(jù)的方式，達(dá)不到上級(jí)業(yè)務(wù)管理部門(mén)對(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正點(diǎn)Z文件月到報(bào)率考核指標(biāo)要求，也滿足不了下一級(jí)用戶對(duì)船載站Z文件數(shù)據(jù)使用量需求。

表1 GPRS/3G/4G通信數(shù)據(jù)表

表2 北斗通信數(shù)據(jù)表

2 雙模冗余通信存在問(wèn)題的解決對(duì)策

通過(guò)研究和實(shí)踐驗(yàn)證：采用增設(shè)數(shù)據(jù)上傳地址的方式，使船載站雙模冗余通信2種傳輸方式分別向兩個(gè)不同陸上中心傳輸數(shù)據(jù)，可解決上述問(wèn)題，即：船載站同一時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星分別上傳到兩個(gè)陸上數(shù)據(jù)中心，在兩個(gè)不相干的數(shù)據(jù)中心軟件中設(shè)置相同區(qū)站號(hào)(船載站站號(hào))，生成具有相同區(qū)站號(hào)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的2個(gè)Z文件，再分別推送給同一上級(jí)業(yè)務(wù)管理部門(mén)，進(jìn)行到報(bào)率考核，實(shí)現(xiàn)2個(gè)相同Z文件在同一考核區(qū)內(nèi)按后到覆蓋先到的方式進(jìn)行冗余存儲(chǔ)，增加數(shù)據(jù)上傳地址后的雙模冗余通信示意圖如圖1所示；當(dāng)其中一種通信方式因電磁干擾或信號(hào)盲區(qū)導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳失敗，而另一種通信方式上傳數(shù)據(jù)成功時(shí)，該時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)不會(huì)缺失。陸上數(shù)據(jù)中心除對(duì)該時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)外，還利用其數(shù)據(jù)生成該時(shí)次上傳Z文件，既提高了陸上數(shù)據(jù)中心船載站數(shù)據(jù)到報(bào)率，又增加了接收數(shù)據(jù)數(shù)量。

圖1 船載站雙模通信示意圖

2.1 GPRS/3G/4G通信數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容：因GPRS/3G/4G通信有足夠帶寬，不受報(bào)文字節(jié)數(shù)限制，其上傳數(shù)據(jù)要素種類多，信息量大(表1)。

數(shù)據(jù)傳輸流程：船載站觀測(cè)數(shù)據(jù)由采集器輸出給DTU通信模塊，再通過(guò)GPRS/3G/4G傳輸?shù)酵ㄐ呕?，?jīng)通信公司網(wǎng)關(guān)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，再由運(yùn)營(yíng)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)間交換后，進(jìn)入陸上數(shù)據(jù)中心(市局船載站中心站)，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后進(jìn)行頁(yè)面顯示并存入數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)表中，再按照中國(guó)氣象局《地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)文件格式》要求生成Z文件后，通過(guò)局域網(wǎng)上傳到省局信息中心船載站冗余備份服務(wù)器的考核文件夾中。

2.2 北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容：受北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)幀78字節(jié)長(zhǎng)度的限制，上傳的觀測(cè)數(shù)據(jù)中只能包含基本觀測(cè)項(xiàng)目及觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

數(shù)據(jù)傳輸流程：船載站采集器輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)由船載站北斗通信終端發(fā)出。每時(shí)次觀測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)文為78字節(jié)，添加北斗報(bào)文相關(guān)標(biāo)識(shí)碼后每條報(bào)文約98字節(jié)。數(shù)據(jù)包經(jīng)船載站北斗通信終端→北斗衛(wèi)星(上星)→北斗衛(wèi)星地面站(落地)→北斗衛(wèi)星(再上星)→陸上數(shù)據(jù)中心北斗指揮機(jī)(再落地)，由陸上數(shù)據(jù)中心服務(wù)器(省局船載站中心站)接收。陸上數(shù)據(jù)中心軟件將先后接收到的北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)包解析后存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，再按照中國(guó)氣象局《地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)文件格式》的要求生成Z文件，通過(guò)局域網(wǎng)上傳到省局信息中心冗余備份服務(wù)器的考核文件夾中。

2.3 GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星通信報(bào)文數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符

GPRS/3G/4G通信傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)以DTU標(biāo)識(shí)符(ID號(hào))為數(shù)據(jù)身份標(biāo)識(shí)，陸上數(shù)據(jù)中心軟件憑標(biāo)識(shí)符對(duì)接收到的、含有專用標(biāo)識(shí)符的原始數(shù)據(jù)報(bào)文區(qū)分不同船載站上傳的數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)入庫(kù)以DTU標(biāo)識(shí)符(ID號(hào))為索引。

北斗衛(wèi)星通信上傳的觀測(cè)數(shù)據(jù)以北斗通信卡卡號(hào)為標(biāo)識(shí)，陸上中心軟件根據(jù)他區(qū)分不同船載站上傳的數(shù)據(jù)[6]。數(shù)據(jù)入庫(kù)以北斗通信卡卡號(hào)為索引。

2.4 雙模冗余通信不理想海域及原因分析

北斗衛(wèi)星與GPRS/3G/4G通信傳輸數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)傳輸成功率高低與通信方式和航行海域有關(guān)。在近海和港內(nèi)，3大運(yùn)營(yíng)商基站信號(hào)覆蓋好，GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸率高，在距海岸30海里外的信號(hào)盲區(qū)，北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信方式數(shù)據(jù)傳輸成功率高。

使用地理信息軟件定位功能，對(duì)不同船載站近幾年在渤海海峽和黃海北部航行時(shí)傳輸?shù)臍v史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：通過(guò)北斗衛(wèi)星傳輸時(shí)，蘇山島南部?jī)尚∑^(qū)(山東半島榮成南部近海)、青島黃島向東的扇形海域和石島港港灣內(nèi)，北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸失敗情況較多。船載站北斗通信采用民用通信協(xié)議，上行通信頻率為1610～1，626.5 MHz，下行頻率為2，483.5～2500 MHz。WIFI、有源RFID、銥星等通信信號(hào)和軍用雷達(dá)信號(hào)均可對(duì)其產(chǎn)生信號(hào)干擾。經(jīng)測(cè)試，這些區(qū)域電磁環(huán)境較為復(fù)雜，存在著與北斗短報(bào)文上下行通信頻率同頻或臨頻干擾信號(hào)。當(dāng)北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，干擾信號(hào)湮沒(méi)正常的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，導(dǎo)致北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面站的數(shù)據(jù)處理中心接收不到或無(wú)法解析通信信號(hào)，造成船載站陸上數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)缺測(cè)；采用GPRS/3G/4G通信傳輸時(shí)，在渤海海峽威海到大連航線中間點(diǎn)南北各14海里(受此海域天氣情況影響信號(hào)盲區(qū)有約±5海里的變化)左右的航段和在黃海北部陸地離岸約30海里外的海域是GPRS/3G/4G信號(hào)盲區(qū)，這些海域船載站GPRS/3G/4G通信傳輸無(wú)效。

2.5 船載站觀測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)傳機(jī)制

船載站采集器對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集不受通信情況影響，其采集的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在采集器緩存和外插存儲(chǔ)卡中。通過(guò)船載站數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)補(bǔ)傳機(jī)制，船載站在GPRS/3G/4G通信盲區(qū)進(jìn)入信號(hào)覆蓋區(qū)后，主動(dòng)補(bǔ)傳當(dāng)前24 h傳輸失敗的正點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和近1 h的分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)，24 h之前的數(shù)據(jù)不補(bǔ)傳。

受北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信機(jī)制限制，北斗衛(wèi)星通信因受到干擾傳輸失敗的觀測(cè)數(shù)據(jù)不補(bǔ)傳。

2.6 雙模冗余通信提高Z文件到報(bào)率方法的不足

雙模冗余通信將船載站觀測(cè)數(shù)據(jù)上傳到不同陸上數(shù)據(jù)中心，最終生成了2個(gè)相同格式和內(nèi)容的Z文件，冗余存儲(chǔ)到同一服務(wù)器考核文件夾接收到報(bào)率統(tǒng)計(jì)，有效規(guī)避了因其中任何一種數(shù)據(jù)通信鏈路不通、信號(hào)干擾、信號(hào)盲區(qū)或數(shù)據(jù)服務(wù)器故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺測(cè)問(wèn)題，提高了船載站Z文件20%～40%的數(shù)據(jù)到報(bào)率，有效保障了船載站觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性。

雖然這種方式解決了數(shù)據(jù)上傳到報(bào)率問(wèn)題，但也增加船載站第2陸上數(shù)據(jù)中心硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)等建設(shè)、維保費(fèi)用的重復(fù)開(kāi)銷(xiāo)。

3 船載站數(shù)據(jù)通信發(fā)展方向

3.1 升級(jí)衛(wèi)星通信卡

升級(jí)北斗終端設(shè)備，采用三級(jí)北斗通信卡，增加傳輸通信頻次和數(shù)據(jù)信息量，提高通信成功率，或在國(guó)際海事衛(wèi)星通信成本降低后采用北斗通信卡進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳輸。

3.2 升級(jí)陸上中心軟件功能

開(kāi)發(fā)和升級(jí)陸上數(shù)據(jù)中心軟件，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)陸上處理中心，對(duì)接收到的雙模冗余通信上傳的2條同時(shí)次原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合并入庫(kù)，并互補(bǔ)生成唯一Z文件的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析船載站通信情況，采用技術(shù)手段解決了存在的問(wèn)題，提高了船載站數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀?bào)率。

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，船載站數(shù)據(jù)通信水平和能力將大幅提高，陸上數(shù)據(jù)中心軟件的功能將更加科學(xué)、全面。獲取更加豐富的海洋氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，為海洋天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)和氣候研究提供更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。