船載自動氣象站通信問題與對策分析

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技術(shù)保障中心，濟南250031)

0 引言

船載自動氣象站(以下簡稱船載站)，是指安裝在船舶上的自動氣象站，在船舶航線上自動開展氣象觀測，能將實時觀測數(shù)據(jù)按設(shè)定頻次上傳到陸上數(shù)據(jù)中心。船載站“觀測場”的通信環(huán)境與陸上自動氣象站不同，他是隨船舶移動而不斷發(fā)生變化的。在不同海區(qū)，船載站數(shù)據(jù)上傳有時會因其處在通信信號盲區(qū)或信號受干擾而失敗，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資料還不能為海上生產(chǎn)、交通運輸、海洋氣象預(yù)報預(yù)警及氣候研究提供有效的數(shù)據(jù)支撐；因此開展船載站數(shù)據(jù)傳輸問題研究，解決其數(shù)據(jù)上傳到報率不高問題，對豐富海洋氣象觀測資料具有積極意義。

1 船載站數(shù)據(jù)傳輸方式及存在的問題

2018年以前，在全國氣象系統(tǒng)投入運行的船載站數(shù)據(jù)傳輸只能采用GPRS/3G/4G、北斗衛(wèi)星[1]或國際海事衛(wèi)星中的1種方式。運行在固定航線上，如渤海海峽煙大、威大航線，且在大部分航段有GPRS/3G/4G信號的船載站，采用GPRS/3G/4G無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)；在無固定航線或常在遠離海岸或海島GPRS/3G/4G基站信號區(qū)外運行的船載站，如安裝在救撈救助船、遠洋漁船、中韓航線客滾船，只能采用北斗衛(wèi)星短報文方式進行數(shù)據(jù)傳輸，因國際海事衛(wèi)星通信成本過高，一般不采用。GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)通信一般不受電磁干擾，但在信號盲區(qū)、相鄰基站信號重疊區(qū)或信號覆蓋區(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)星通信在中國近海海域無信號盲區(qū)，但經(jīng)常會受到各種岸基電磁信號干擾，導(dǎo)致其在近?；蚰承┖８蹆?nèi)通信傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)到報率不高。北斗衛(wèi)星短報文傳輸情況又受自身通信機制影響，目前最大加密頻次為1次/10 min，單位時間內(nèi)比GPRS/3G/4G無線通信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]通信同時上傳觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了兩種無線通信方式優(yōu)勢互補。升級后的船載站數(shù)據(jù)采集器分別生成帶有GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星傳輸方式標識的2條原始數(shù)據(jù)報文，通過GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星同時上傳[4]。陸上數(shù)據(jù)中心接收到2條報文后，根據(jù)各自報文中標識符解析入庫到不同數(shù)據(jù)庫庫表中。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)寫入同一區(qū)站號(船載站站號)庫表中；因此會出現(xiàn)同一船載站在陸上數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫中，存在區(qū)站號不同的2個庫表。數(shù)據(jù)中心軟件將2個庫表歷史數(shù)據(jù)到報率高的設(shè)定為生成Z文件的數(shù)據(jù)源，將陸上數(shù)據(jù)中心接收到的實時數(shù)據(jù)按規(guī)定數(shù)據(jù)格式生成參與到報率考核和下一級用戶使用的Z文件，并及時上傳。而另一傳輸方式傳來的數(shù)據(jù)入庫存儲后不參與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數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較采用單一通信方式時有所增加，但因數(shù)據(jù)存儲和生成上傳Z文件的軟件機制制約，雙模通信中冗余傳輸方式傳輸來的數(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，達不到上級業(yè)務(wù)管理部門對在規(guī)定時間內(nèi)正點Z文件月到報率考核指標要求，也滿足不了下一級用戶對船載站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題的解決對策

通過研究和實踐驗證：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不同陸上中心傳輸數(shù)據(jù)，可解決上述問題，即：船載站同一時次觀測數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/3G/4G和北斗衛(wèi)星分別上傳到兩個陸上數(shù)據(jù)中心，在兩個不相干的數(shù)據(jù)中心軟件中設(shè)置相同區(qū)站號(船載站站號)，生成具有相同區(qū)站號和觀測數(shù)據(jù)的2個Z文件，再分別推送給同一上級業(yè)務(wù)管理部門，進行到報率考核，實現(xiàn)2個相同Z文件在同一考核區(qū)內(nèi)按后到覆蓋先到的方式進行冗余存儲，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；當其中一種通信方式因電磁干擾或信號盲區(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，該時次觀測數(shù)據(jù)不會缺失。陸上數(shù)據(jù)中心除對該時次觀測數(shù)據(jù)進行有效存儲外，還利用其數(shù)據(jù)生成該時次上傳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：船載站觀測數(shù)據(jù)由采集器輸出給DTU通信模塊，再通過GPRS/3G/4G傳輸?shù)酵ㄐ呕?，?jīng)通信公司網(wǎng)關(guān)進入互聯(lián)網(wǎng)，再由運營網(wǎng)進行網(wǎng)間交換后，進入陸上數(shù)據(jù)中心(市局船載站中心站)，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后進行頁面顯示并存入數(shù)據(jù)庫庫表中，再按照中國氣象局《地面氣象要素數(shù)據(jù)文件格式》要求生成Z文件后，通過局域網(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)長度的限制，上傳的觀測數(shù)據(jù)中只能包含基本觀測項目及觀測要素數(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數(shù)據(jù)由船載站北斗通信終端發(fā)出。每時次觀測數(shù)據(jù)報文為78字節(jié)，添加北斗報文相關(guān)標識碼后每條報文約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(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文數(shù)據(jù)包解析后存入中心數(shù)據(jù)庫中，再按照中國氣象局《地面氣象要素數(shù)據(jù)文件格式》的要求生成Z文件，通過局域網(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)星通信報文數(shù)據(jù)標識符

GPRS/3G/4G通信傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)以DTU標識符(ID號)為數(shù)據(jù)身份標識，陸上數(shù)據(jù)中心軟件憑標識符對接收到的、含有專用標識符的原始數(shù)據(jù)報文區(qū)分不同船載站上傳的數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)入庫以DTU標識符(ID號)為索引。

北斗衛(wèi)星通信上傳的觀測數(shù)據(jù)以北斗通信卡卡號為標識，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)入庫以北斗通信卡卡號為索引。

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大運營商基站信號覆蓋好，GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸率高，在距海岸30海里外的信號盲區(qū)，北斗衛(wèi)星短報文通信方式數(shù)據(jù)傳輸成功率高。

使用地理信息軟件定位功能，對不同船載站近幾年在渤海海峽和黃海北部航行時傳輸?shù)臍v史數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：通過北斗衛(wèi)星傳輸時，蘇山島南部兩小片海區(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、銥星等通信信號和軍用雷達信號均可對其產(chǎn)生信號干擾。經(jīng)測試，這些區(qū)域電磁環(huán)境較為復(fù)雜，存在著與北斗短報文上下行通信頻率同頻或臨頻干擾信號。當北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時，干擾信號湮沒正常的數(shù)據(jù)傳輸信號，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法解析通信信號，造成船載站陸上數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)缺測；采用GPRS/3G/4G通信傳輸時，在渤海海峽威海到大連航線中間點南北各14海里(受此海域天氣情況影響信號盲區(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信號盲區(qū)，這些海域船載站GPRS/3G/4G通信傳輸無效。

2.5 船載站觀測數(shù)據(jù)補傳機制

船載站采集器對觀測數(shù)據(jù)的采集不受通信情況影響，其采集的實時觀測數(shù)據(jù)會存儲在采集器緩存和外插存儲卡中。通過船載站數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)補傳機制，船載站在GPRS/3G/4G通信盲區(qū)進入信號覆蓋區(qū)后，主動補傳當前24 h傳輸失敗的正點原始觀測數(shù)據(jù)和近1 h的分鐘觀測數(shù)據(jù)，24 h之前的數(shù)據(jù)不補傳。

受北斗衛(wèi)星短報文通信機制限制，北斗衛(wèi)星通信因受到干擾傳輸失敗的觀測數(shù)據(jù)不補傳。

2.6 雙模冗余通信提高Z文件到報率方法的不足

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

雖然這種方式解決了數(shù)據(jù)上傳到報率問題，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)、維保費用的重復(fù)開銷。

3 船載站數(shù)據(jù)通信發(fā)展方向

3.1 升級衛(wèi)星通信卡

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

3.2 升級陸上中心軟件功能

開發(fā)和升級陸上數(shù)據(jù)中心軟件，實現(xiàn)在一個陸上處理中心，對接收到的雙模冗余通信上傳的2條同時次原始數(shù)據(jù)進行合并入庫，并互補生成唯一Z文件的功能。

4 結(jié)束語

通過分析船載站通信情況，采用技術(shù)手段解決了存在的問題，提高了船載站數(shù)據(jù)傳輸?shù)綀舐省?/p>

隨著科學(xué)技術(shù)進一步發(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數(shù)據(jù)，為海洋天氣預(yù)報、預(yù)警服務(wù)和氣候研究提供更強大的數(shù)據(jù)支撐。