衛(wèi)星通信助力氣象服務(wù)保障“一帶一路”

● 文 |.中國氣象局發(fā)展研究中心 .中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司 陳鵬飛 周勇 劉東君

一、引言

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（簡稱“一帶一路”）。“一帶一路”沿線國家和地區(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，如果沒有可靠的氣象服務(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，中國氣象局高度重視、積極落實有關(guān)工作，已與世界氣象組織（WMO）簽署了《中國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)報信息發(fā)布的瓶頸問題。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)實意義。

二、氣象服務(wù)保障“一帶一路”的衛(wèi)星通信應(yīng)用現(xiàn)狀分析

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)用于氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)警預(yù)報信息發(fā)布、天氣預(yù)報會商、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)星通信主要有兩個方面：一是中國氣象局對周邊國家和地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播；二是基于中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的氣象觀測數(shù)據(jù)收集和預(yù)警信息發(fā)布。

高分三號黃河三角洲衛(wèi)星影像圖

該圖為2016年11月5日高分三號衛(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、裸地等實際地物不同造成的。

中國科學(xué)院電子學(xué)研究所_供圖

1．中國氣象局氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)

中國氣象局氣象數(shù)據(jù)衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（簡稱CMACast系統(tǒng)）自1998年開始業(yè)務(wù)運行，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)運行，與美國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號通信衛(wèi)星由同軌亞洲9號通信衛(wèi)星替代。CMACast系統(tǒng)播發(fā)數(shù)據(jù)除常規(guī)氣象資料外，還包括了全國雷達(dá)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及國際交換氣象數(shù)據(jù)，同時還提供氣象頻道、氣象會商等實時高清視頻流媒體廣播。至2017年，CMACast系統(tǒng)注冊接收站已達(dá)2680個[5]，包括印度尼西亞、巴基斯坦、澳大利亞等24個國外接收站，播發(fā)數(shù)據(jù)量每日接近300GB。

CMACast系統(tǒng)作為地球觀測數(shù)據(jù)分發(fā)平臺的重要組成部分，在促進(jìn)亞太地區(qū)地球觀測數(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小時內(nèi)的主要天氣預(yù)報平臺，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

2．中國北斗衛(wèi)星氣象應(yīng)用系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有授時、定位、短報文三大功能，覆蓋范圍包括了中國全境及亞洲大部分地區(qū)，已成功于測繪、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)星的短報文通信功能，進(jìn)行氣象觀測數(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)域的擴大，將逐步擴展到更大范圍。

在氣象觀測數(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)運營單位的服務(wù)平臺為遠(yuǎn)端站數(shù)據(jù)匯集點，再通過地面專線或互聯(lián)網(wǎng)傳給氣象部門，如：中國氣象局與中國東方紅衛(wèi)星股份有限公司聯(lián)合承擔(dān)的國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃項目“基于北斗的氣象監(jiān)測應(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為遠(yuǎn)端站數(shù)據(jù)匯集點，北斗指揮機與氣象部門業(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)模布點應(yīng)用，后者雖受到北斗指揮機通信容量限制，站網(wǎng)規(guī)模一般不超過100個站，但已能滿足省級氣象部門在數(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效性，增強了我國海洋及陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息發(fā)布能力[13,14]。目前，供電和短報文長度不足問題是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在氣象觀測數(shù)據(jù)收集和預(yù)警信息發(fā)布領(lǐng)域應(yīng)用時遇到的主要問題。前者一般采用太陽能或風(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 采用中國衛(wèi)星北斗綜合信息服務(wù)平臺的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 采用北斗指揮機的自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三、氣象服務(wù)保障“一帶一路”對衛(wèi)星通信的需求分析

隨著“一帶一路”不斷推進(jìn)，國際化氣象服務(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，也為衛(wèi)星通信技術(shù)在氣象領(lǐng)域更加廣泛、深入應(yīng)用帶來了新機遇。

一是從氣象服務(wù)領(lǐng)域拓展層面來看，“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，為重點經(jīng)貿(mào)產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供氣象服務(wù)，與沿線國家就新亞歐大陸橋、中蒙俄、中國－中亞－西亞、中國－中南半島等國際經(jīng)濟(jì)合作走廊共同提供氣象保障；海上以重點港口為節(jié)點，氣象保障通暢、安全、高效的運輸大通道；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]。我國努力為“一帶一路”沿線國家和地區(qū)提供相對完善的氣象服務(wù)，即氣象服務(wù)涉及地理范圍明顯擴大、服務(wù)對象顯著增加。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，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)星通信具備不受時間、地點、環(huán)境等因素限制、通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、開通時間短等諸多優(yōu)點，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)用層面來看，主要在氣象觀測數(shù)據(jù)采集、氣象信息發(fā)布和天氣預(yù)報會商等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)保障工作夯實基礎(chǔ)。就傳輸時效而言，天氣預(yù)報會商和預(yù)警信息發(fā)布的時效要求最高，需要達(dá)到實時或近實時通信；自動氣象站、雷達(dá)等觀測數(shù)據(jù)采集和國際共享交換數(shù)據(jù)的傳輸時效一般需要達(dá)到分鐘級；根據(jù)內(nèi)容不同，天氣預(yù)報和服務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)布一般為分鐘級到小時級。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)觀測數(shù)據(jù)每日增量就可達(dá)到GB級；自動氣象站觀測數(shù)量較小，一般一份報文在1kB左右；文字類型的天氣預(yù)警預(yù)報信息一般每條不超過1kB。就移動性而言，車載、船載設(shè)備通信需要具備“動中通”功能；浮標(biāo)站漂浮于海面，也宜采用移動通信方式。就拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸方向而言，觀測數(shù)據(jù)的采集一般為“多點對一點”的單向傳輸方式，在使用衛(wèi)星通信時，星狀結(jié)構(gòu)比分級樹狀結(jié)構(gòu)更有助于提高傳輸時效；預(yù)警、預(yù)報和服務(wù)等信息發(fā)布一般采用“一點對多點”的星狀結(jié)構(gòu)，單向傳輸；天氣預(yù)報會商則屬于網(wǎng)狀雙向通信。此外，雖然觀測數(shù)據(jù)只需從觀測站到中心站的單向通信，但為實現(xiàn)海上和境外觀測設(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)具有不同的特點和優(yōu)勢，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]，但受短報文字符數(shù)和發(fā)報間隔時間的限制，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，且有長期的氣象應(yīng)用基礎(chǔ)[18]，但受定向天線對星條件限制，難以滿足船舶或浮標(biāo)“動中通”的通信業(yè)務(wù)需求；海事衛(wèi)星、全球星、銥星等國外衛(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，但從國家安全角度出發(fā)，不宜長期、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。

四、氣象服務(wù)保障“一帶一路”的衛(wèi)星通信應(yīng)用前景展望

20世紀(jì)90年代以來，中國的衛(wèi)星通信事業(yè)蓬勃發(fā)展[22]。2015年10月，國務(wù)院批準(zhǔn)發(fā)布了《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(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]。國家支持鼓勵衛(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，一定能夠為“一帶一路”氣象服務(wù)提供更強有力的通信支撐。衛(wèi)星通信在我國氣象領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，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 中國衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要特點及在氣象服務(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，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)量氣象觀測數(shù)據(jù)傳輸中，將起到不可或缺的作用?！昂Ｐ峭ā毕到y(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，較S、L頻段衛(wèi)星通信容量大，將能夠為更多“一帶一路”相關(guān)國家政府、組織和企業(yè)提供高效、高可靠的數(shù)據(jù)廣播服務(wù)，提高中國氣象的國際影響力。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。

五、結(jié)束語

我國衛(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。無論從需求牽引和技術(shù)推動角度看，還是從我國民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和天通、北斗、“海星通”等系統(tǒng)的發(fā)展計劃上看，到“十三五”末期，科學(xué)合理利用我國自主可控的衛(wèi)星通信廣播系統(tǒng)將能夠滿足“一帶一路”氣象服務(wù)保障工作對衛(wèi)星通信的需求。而現(xiàn)階段，以海事衛(wèi)星為代表的國外衛(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。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、統(tǒng)籌規(guī)劃、合理安排，兼顧當(dāng)前應(yīng)用和長遠(yuǎn)發(fā)展需求，有效提高氣象投資效益和服務(wù)質(zhì)量。