海洋氣象廣播電臺(tái)數(shù)字化升級(jí)與測(cè)試應(yīng)用

周欽強(qiáng)，張懌，蘇小山，郭澤勇

（1.茂名市氣象局，廣東茂名 525099；2.茂名市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東茂名 525099；3.陽(yáng)江市氣象局，廣東陽(yáng)江 529500）

面對(duì)海上搜救、港口及跨洋航運(yùn)、海上石油開發(fā)、海上風(fēng)能開發(fā)、漁業(yè)養(yǎng)殖、海上捕撈、海洋旅游等涉海各行業(yè)較為迫切的海洋氣象服務(wù)保障需求［1］，各地陸續(xù)建成各類氣象預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)并投入業(yè)務(wù)應(yīng)用［2-4］。我國(guó)目前已經(jīng)在浙江舟山、山東石島、江蘇南通和廣東茂名等地建立了海洋氣象廣播電臺(tái)，此外沿海地區(qū)結(jié)合實(shí)際利用廣播電臺(tái)、海事電臺(tái)等發(fā)布海洋氣象信息，部分地區(qū)依托我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)性開展了北斗衛(wèi)星預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)［5-6］，進(jìn)一步提高了海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)能力。但仍存在諸多問(wèn)題，如面向近海、遠(yuǎn)海和遠(yuǎn)洋的氣象信息發(fā)布手段相對(duì)缺乏，海洋氣象廣播電臺(tái)受單點(diǎn)工作頻率較低限制，氣象服務(wù)覆蓋范圍有限、用戶位置信息及收聽狀態(tài)無(wú)法獲知等制約了氣象服務(wù)供給有效性，作為一種氣象信息發(fā)布手段尚不能對(duì)接國(guó)家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)等。

為進(jìn)一步滿足多語(yǔ)種發(fā)布、提高發(fā)布頻次、擴(kuò)大覆蓋范圍、對(duì)接國(guó)家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)等南海海洋氣象服務(wù)保障需求，優(yōu)化發(fā)布控制、接收管理流程架構(gòu)，升級(jí)實(shí)現(xiàn)MCU主控?cái)?shù)字化與調(diào)制解調(diào)器內(nèi)置集約化、主備同步在線分布式遠(yuǎn)程播發(fā)控制、多頻自動(dòng)輪播與自動(dòng)守候掃描智能接收組包、融合北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能構(gòu)建接收反饋鏈路等為主要特點(diǎn)的數(shù)字化海洋氣象廣播電臺(tái)。經(jīng)內(nèi)陸、海岸與海上測(cè)試與試用，可為南海海上交通船舶、漁船、作業(yè)人員以及島礁居民等用戶提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠的海洋氣象預(yù)警信息，為有效解決南海海上氣象服務(wù)“最后一公里”問(wèn)題豐富完善公共氣象服務(wù)手段。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 工作原理

數(shù)字化海洋氣象廣播電臺(tái)由發(fā)布管理子系統(tǒng)、接收管理子系統(tǒng)和監(jiān)控管理子系統(tǒng)組成，如圖1所示。發(fā)布管理子系統(tǒng)的分布式遠(yuǎn)程控制組件使得短波電臺(tái)發(fā)射機(jī)可網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程在線控制，監(jiān)控管理子系統(tǒng)通過(guò)任意連接氣象業(yè)務(wù)局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)對(duì)在線短波電臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行全功能遠(yuǎn)程控制，以語(yǔ)音、圖文發(fā)布方式，多頻依次通過(guò)主/備短波發(fā)射通信信道向海上船只播發(fā)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警信息；接收子系統(tǒng)多頻自動(dòng)守候掃描建鏈，接收信息并解調(diào)校驗(yàn)，根據(jù)所處位置自動(dòng)加載所處海區(qū)語(yǔ)音、圖文預(yù)報(bào)預(yù)警信息并中、英文播報(bào)、標(biāo)注和顯示，同時(shí)將接收回執(zhí)通過(guò)北斗系統(tǒng)反饋回監(jiān)控管理子系統(tǒng)，經(jīng)分析處理以確定是否需要補(bǔ)發(fā)，確保信息發(fā)得出、收得到，實(shí)現(xiàn)海洋氣象預(yù)警信息廣播閉環(huán)反饋控制的自動(dòng)發(fā)布、接收與全流程監(jiān)控管理。

圖1 數(shù)字化海洋氣象廣播電臺(tái)架構(gòu)示意圖

1.2 功能設(shè)計(jì)

1）發(fā)布管理子系統(tǒng)。主要包括氣象預(yù)警信息導(dǎo)入封裝、圖文信息發(fā)布、接收機(jī)綜合管理等模塊。對(duì)常規(guī)海洋、海區(qū)、漁區(qū)、沿海強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警信息進(jìn)行采集、處理，封裝成滿足標(biāo)準(zhǔn)格式要求的氣象信息報(bào)文，遠(yuǎn)程控制在線發(fā)射機(jī)信道切換多頻組播，并將發(fā)布、接收狀態(tài)信息上報(bào)省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與其雙向?qū)印?/p>

2）接收管理子系統(tǒng)。主要包括氣象預(yù)警信息接收、氣象預(yù)警信息處理和接收反饋模塊。設(shè)定好岸臺(tái)發(fā)射機(jī)輪播頻率做為對(duì)應(yīng)接收頻率，穩(wěn)定建立收發(fā)鏈接，接收端多頻智能接收組包完成后對(duì)報(bào)文進(jìn)行解調(diào)校驗(yàn)，還原氣象預(yù)警信息播報(bào)展示，并將接收回執(zhí)通過(guò)北斗用戶機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)回監(jiān)控管理子系統(tǒng)。

3）監(jiān)控管理子系統(tǒng)。利用北斗系統(tǒng)［5-6］構(gòu)建發(fā)布信息采編、處理、封裝入庫(kù)、播發(fā)、接收、反饋、監(jiān)控推送與展示等節(jié)點(diǎn)全流程閉環(huán)監(jiān)控鏈，對(duì)全流程節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息進(jìn)行一站式采集、處理與監(jiān)控展示，實(shí)現(xiàn)海洋氣象預(yù)警信息全網(wǎng)發(fā)布、接收與監(jiān)控“一張圖［7-8］”。

2 關(guān)鍵升級(jí)技術(shù)

通過(guò)多頻組播可靠建鏈與遠(yuǎn)程在線控制、智能掃描組包接收、閉環(huán)收發(fā)反饋等系統(tǒng)升級(jí)主要關(guān)鍵技術(shù)，全國(guó)首次實(shí)現(xiàn)電臺(tái)與國(guó)家、省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)雙向?qū)?，成為面向海洋氣象保障服?wù)的重要補(bǔ)充手段。

2.1 發(fā)射機(jī)可靠通信與遠(yuǎn)程在線控制

以實(shí)現(xiàn)電臺(tái)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)通信可靠建鏈為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理、MCU模塊的硬件數(shù)字化電路改造與軟件升級(jí)、數(shù)字化短波調(diào)制解調(diào)器集約內(nèi)置及分布式遠(yuǎn)程控制組件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地點(diǎn)的主備短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行全功能在線遠(yuǎn)程操控播發(fā)。

1）極低速通信：通過(guò)短波通信與極低速通信技術(shù)結(jié)合，在極其惡劣的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最低限度通信，極低速的鏈路建立達(dá)到-7～-8 dB，在更弱信噪比下達(dá)到較好的接收能力和抗干擾通信能力。

2）雙向無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)通信：結(jié)合面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）技術(shù)，全雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)操作提供完整的數(shù)據(jù)透明度，改進(jìn)提升自動(dòng)通信模式下短波電臺(tái)抗干擾數(shù)據(jù)傳輸要求，提高無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)吞吐量。

3）短波通信與IP網(wǎng)絡(luò)融合：基于IP專網(wǎng)分布式組網(wǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及語(yǔ)音交互功能，將遙控、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換為SIP協(xié)議，使短波通信與IP網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)短波通信電臺(tái)的遠(yuǎn)程在線操控。徹底擯棄升級(jí)前只能分別在主、備電臺(tái)發(fā)射機(jī)端進(jìn)行手動(dòng)發(fā)布的操作模式，提升主備發(fā)射機(jī)發(fā)射效率和利用率。

2.2 接收機(jī)多頻組播全天候智能掃描組包

針對(duì)短波通信在短波頻率上調(diào)制數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，根據(jù)不同季節(jié)、時(shí)段分別對(duì)近海、中海和遠(yuǎn)海選定通信效果最佳的10個(gè)頻率作為收發(fā)工作頻組，滿足不同距離、自然環(huán)境、電磁環(huán)境、天氣狀況下的短波通信穩(wěn)定建鏈要求，大大降低原模擬電臺(tái)單一頻點(diǎn)發(fā)布接收的誤碼率。

1）射頻數(shù)字化：射頻數(shù)字化去除接收機(jī)和發(fā)射機(jī)中模擬變頻部分電路，采樣優(yōu)化處理算法及AGC控制算法簡(jiǎn)化射頻前端設(shè)計(jì)，采用FPGA優(yōu)化插值和抽取濾波器優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)射頻信道全數(shù)字化，擯棄原電臺(tái)模擬接收系統(tǒng)，大幅提升接收機(jī)數(shù)字化性能。

2）收發(fā)可靠建鏈組包：岸臺(tái)發(fā)射機(jī)將同一信息在頻組內(nèi)不同頻率上依次輪流播發(fā)，接收機(jī)對(duì)應(yīng)不同頻率信道上全天候自動(dòng)守候掃描，若在當(dāng)前發(fā)射頻率上收到同步信息，則建立通信鏈路開始接收信息，否則掃描下一個(gè)頻率，依次循環(huán)直到組包完整則停止掃描進(jìn)入下一輪守候模式。

3）智能 Android系統(tǒng)搭載：接收機(jī)搭載Android操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收語(yǔ)音廣播與文本信息，根據(jù)自身GPS定位智能加載所處海域的基于海圖疊加氣象圖標(biāo)、預(yù)警信號(hào)、臺(tái)風(fēng)軌跡、臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈的預(yù)報(bào)預(yù)警信息，并自動(dòng)中英雙語(yǔ)顯示與語(yǔ)音播報(bào)。

2.3 融合北斗通信構(gòu)建收聽閉環(huán)反饋鏈路

充分利用單邊帶短波電臺(tái)使用方便、組網(wǎng)靈活、價(jià)格低廉、傳輸距離遠(yuǎn)、自然災(zāi)害抗毀性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，有效避免北斗系統(tǒng)民用單次通信容量76 Byte、民用通信頻度1 min左右等缺點(diǎn)，將接收機(jī)通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口與北斗系統(tǒng)用戶機(jī)連接，構(gòu)建廣播接收反饋鏈路，發(fā)送接收回執(zhí)回監(jiān)控管理子系統(tǒng)。升級(jí)模擬電臺(tái)原來(lái)單一“廣播”模式，掌握電臺(tái)全網(wǎng)有效收聽狀況，對(duì)未及時(shí)收到報(bào)文的接收機(jī)增加播報(bào)頻次以進(jìn)行定向補(bǔ)發(fā)廣播，有效提高電臺(tái)收聽成功率。

3 系統(tǒng)測(cè)試及試用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

為驗(yàn)證海洋氣象廣播電臺(tái)數(shù)字化升級(jí)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)1 kW XD-D12B型短波抗干擾電臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造，并開發(fā)發(fā)布管理系統(tǒng)軟件、NA-I型遠(yuǎn)程控制組件和DR-Ⅱ型電臺(tái)接收機(jī)。發(fā)布管理系統(tǒng)軟件基于Delphi7開發(fā)平臺(tái)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)，電臺(tái)接收機(jī)嵌入式軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)。

3.2 性能測(cè)試

將兩部單邊帶短波電臺(tái)分別安裝部署在廣東茂名水東鎮(zhèn)和電城鎮(zhèn)，發(fā)布管理子系統(tǒng)基于業(yè)務(wù)網(wǎng)遠(yuǎn)程在線控制兩部短波電臺(tái)發(fā)射機(jī)，對(duì)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警文本、語(yǔ)音進(jìn)行多頻輪播發(fā)布，電臺(tái)接收機(jī)對(duì)應(yīng)頻率自適應(yīng)守候掃描接收，測(cè)試連接示意如圖2所示。

圖2 海洋氣象廣播電臺(tái)測(cè)試連接示意圖

1）內(nèi)陸近、遠(yuǎn)距離測(cè)試：選取距岸臺(tái)350 km的廣州與約1 500 km的西安部署電臺(tái)接收機(jī)。廣州5 MHz以下無(wú)法建鏈，12 MHz以下西安無(wú)法建鏈，其余測(cè)試頻點(diǎn)均能清晰接收文本信息和語(yǔ)音廣播，受內(nèi)陸城市電磁環(huán)境復(fù)雜及距離影響，距離越遠(yuǎn)，正常工作頻率越高。

2）近海沿岸測(cè)試：選取距離岸臺(tái)約750 km的汕頭南澳部署電臺(tái)接收機(jī)。5 MHz以下均無(wú)法建鏈，5.45 MHz頻點(diǎn)信號(hào)較弱約2 dB，底噪較大，高于7.4 MHz后的各個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)明顯增強(qiáng)到18 dB左右，能清晰接收文本信息和語(yǔ)音廣播。

3）海上測(cè)試：選取文昌前往三沙的貨輪及永興島（距岸臺(tái)約560 km）部署電臺(tái)接收機(jī)。接收機(jī)在文昌港出發(fā)到永興島的貨輪航行過(guò)程中，低到3.36 MHz的頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)12 dB左右，永興島5 MHz以下無(wú)法建鏈，高于6.894 MHz的各頻點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度均超過(guò)10 dB，能清晰接收文本信息和語(yǔ)音廣播，可見表明海上接收效果明顯優(yōu)于內(nèi)陸及近海沿岸。

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試可見，電臺(tái)發(fā)射機(jī)功率1 kW情況下，為保證語(yǔ)音或文本信息方能清晰接受播報(bào)，面向電磁環(huán)境復(fù)雜的內(nèi)陸地區(qū)，發(fā)射頻率需在5.45 MHz以上，在500 km內(nèi)發(fā)射頻率＜5 MHz和超過(guò)1 000 km發(fā)射頻率＜12 MHz均無(wú)法建鏈；而電磁環(huán)境相對(duì)較為干凈的海上，發(fā)射頻率可低至3.36 MHz，但超出500 km仍需要提升發(fā)射頻率至5.45MHz以上，在500 km內(nèi)發(fā)射頻率＜3 MHz和超過(guò)1 000 km發(fā)射頻率＜6 MHz均無(wú)法建鏈。因此，數(shù)字化海洋氣象預(yù)警發(fā)布系統(tǒng)多頻自動(dòng)掃描收發(fā)，接收信息采用誤碼糾錯(cuò)和補(bǔ)全機(jī)制，對(duì)比普通電臺(tái)和數(shù)字調(diào)諧收音機(jī)，氣象接收機(jī)不論對(duì)于語(yǔ)音還是文字信息均有效提高了接收可靠性。

3.3 部署試用

在博賀漁港作業(yè)漁船安裝一套接收機(jī)，設(shè)置海洋發(fā)布頻組（3.36、5.45、6.494、7.494、7.894 MHz），每天12個(gè)時(shí)次滾動(dòng)播發(fā)廣東省氣象臺(tái)發(fā)布的常規(guī)海洋海區(qū)、漁區(qū)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，此外在重大災(zāi)害性天氣過(guò)程期間，逐時(shí)發(fā)布海上強(qiáng)對(duì)流、熱帶氣旋等海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息。經(jīng)2019年汛期近半年的試用，茂名博賀港南海作業(yè)漁船最遠(yuǎn)到達(dá)西沙群島，往返全程接收效果良好，有效保障了海上作業(yè)人員及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠獲取海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息。

此外，茂名信宜、高州北部等高海拔山區(qū)，地處廣東省“雨窩”山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，山洪、泥石流等災(zāi)害往往導(dǎo)致電力、通信中斷而無(wú)法有效獲取及時(shí)可靠的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，因此信宜地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)安裝兩部接收機(jī)，設(shè)置山區(qū)發(fā)布頻組（5.45、6.894、7.400、8.494 MHz），每天 12個(gè)時(shí)次滾動(dòng)播發(fā)廣東省氣象臺(tái)天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，在2019年8·26金垌鎮(zhèn)短時(shí)強(qiáng)降雨天氣過(guò)程中，部分村莊電力供應(yīng)中斷、通信基站無(wú)法工作的情況下仍能可靠接收氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，為當(dāng)?shù)貞?yīng)急救援提供決策參考，為筑牢山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)防災(zāi)減災(zāi)第一道防線發(fā)揮重要積極作用。

茂名海洋氣象廣播電臺(tái)經(jīng)數(shù)字化升級(jí)改造后，成為全國(guó)首個(gè)圖文、語(yǔ)音廣播與接收反饋一體化的數(shù)字化海洋氣象廣播電臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)與國(guó)家、省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)對(duì)接［9-10］，有力保障海上作業(yè)人員及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠獲取海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，進(jìn)一步滿足海洋氣象防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)高質(zhì)量發(fā)展需求。此外，也為山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)重大天氣過(guò)程供電、通信中斷應(yīng)急救援決策提供氣象預(yù)報(bào)預(yù)警支撐保障。但電臺(tái)接收機(jī)對(duì)于海洋作業(yè)漁船大面積推廣應(yīng)用目前尚存在一定實(shí)際困難，如接收機(jī)生產(chǎn)成本偏高、漁政海事部門北斗衛(wèi)星通訊等海上作業(yè)保障手段有待完善等。今后需進(jìn)一步加強(qiáng)部門橫向合作，加大海洋氣象廣播電臺(tái)接收機(jī)組網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模，切實(shí)發(fā)揮其建設(shè)效益。