基于北斗衛星的遠海船舶氣象播報系統設計及應用

任蔓延，胡知斌，仇文峰

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

我國遠海由于復雜的海洋環境加之多變的氣候條件給遠海施工船舶的航行安全帶來了巨大的挑戰。確保船舶及人員的海上安全是航海人的職責，航海人應充分了解和掌握海域氣象條件，在各種氣象條件下保證海上船舶及人員安全[1]。

遠海工程的實施，離不開對溫度、波浪、潮位、風速、風向、流速及流向等氣象要素的監測。為了更好的促進遠海開發建設，保障遠海施工船舶的航行安全，需要獲取準確的氣象信息資料[2]。

目前，我國已初步形成了一定的海洋站監測網絡，大部分為沿海海洋氣象觀測臺站，遠海海洋觀測站部署數量少、分布也不盡合理，監測范圍有限，同時還存在著觀測點設置、觀測手段和方法不同，數據的間隔一般比較長，觀測頻率比較低，數據量較少，且大多的觀測站數據不能實時傳輸等方面的問題，難以滿足遠海工程的設計、施工要求[3-4]。因此，如何建立同時采集多種數據、實時傳輸發布的遠海海洋氣象系統，成為推進遠海工程實施的關鍵。

1 系統設計

3G/4G網絡不能夠有效的覆蓋遠海區域，船舶獲取氣象信息依賴于北斗衛星系統[5]。基于北斗衛星的遠海船舶氣象播報系統[6]主要分為以下5個部分：船端氣象系統、岸端氣象系統、ArcGIS服務、Web服務以及數據誤差訂正模型。系統拓補結構如圖1。

圖1 系統拓撲圖Fig.1 System topology diagram

船端系統采集氣象數據（溫度、濕度、風速、風向和氣壓）和位置數據，通過船端北斗單卡機發送至岸端北斗多卡機[7-8]，多卡機接收到氣象數據并存儲。氣象數值誤差訂正模型基于歐洲中期天氣預報中心要素和氣象儀數據，利用絕對誤差訂正方法對氣象預報數據進行誤差訂正。船端通過北斗單卡機定時向岸端請求氣象預報數據以及其它船舶氣象數據，岸端北斗多卡機接收到請求后會將氣象預報數據和其它船舶氣象數據通過多卡機發送至目標船。本系統選擇12個固定點進行氣象預報。

1.1 船端系統

船端系統，硬件部分主要由船載氣象儀，工控機，北斗單卡機組成；軟件使用C#開發的WPF應用程序，使用ArcGISRunTime組件提供的API加載離線地圖（tpk格式）。主要功能為采集船載氣象儀的數據并實時上傳，向岸端請求氣象預報數據及其它船舶氣象數據。在界面顯示中，鼠標移至固定點，顯示當前天氣預報；鼠標移至船舶位置，顯示船舶氣象儀數據。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預報數據；點擊船舶位置，顯示目標船氣象儀的歷史數據。

1.2 岸端系統

岸端系統，硬件部分包括，北斗多卡機，工控機及服務器；軟件開發所使用的技術與船端相同。主要功能有：接收船端發送的氣象數據，并進行存儲；將經過數值模擬訂正后的氣象預報數據發送到目標船舶。在界面顯示中，鼠標移至固定點，顯示當前天氣預報；鼠標移至船舶，顯示該船氣象儀數據。點擊固定點，可以查看未來3 d的氣象預報數據；點擊船舶位置，顯示目標船氣象儀的歷史數據。

1.3 ArcGIS服務

將S-57格式的電子海圖轉換格式，并通過ArcGIS平臺發布地圖服務。對已發布的MapServer，通過 ArcMap，ArcGISExplorer，ArcGISJavaScript，Google Eearth，ArcGIS.com.Map及 Bing Maps的方式進行訪問查看。地圖支持18級任一比例縮放，電子海圖可以為船舶提供海圖數據，指導船舶的施工航行。

1.4 Web服務

Web服務基于B/S架構，采用.NET+FLEX開發模式，并結合ArcGIS地圖插件，部署于IIS中運行。用戶在瀏覽器中訪問Web服務，可以查看各船舶的氣象數據、固定點的氣象預報及各船舶的歷史氣象數據。

1.5 數值誤差訂正模型

基于歐洲中期天氣預報中心高分辨率全球數值預報模式的多要素預報產品作為模型訂正的基礎預報，結合船端采集的氣象數據計算過去一段時間內基礎數值預報對于船舶所處位置的溫度、風速、風向、氣壓和相對濕度5個要素的預報誤差。

開發的數值預報訂正模型于每日08時和20時分別基于基礎數值預報制作12個固定點未來72 h內逐12 h的溫度、風向、風速、氣壓和相對濕度等要素的原始預報產品，并讀入此前已經計算得到的過去11 h中基礎數值預報對于溫度、風速、氣壓和相對濕度的預報誤差，將不同要素的預報誤差與相應的原始預報值相加，最終形成固定點訂正后的預報產品。數據訂正流程如圖2。

圖2 數據訂正流程圖Fig.2 Flow chart of data correction

2 系統應用

選擇廈門海域作為本系統的應用示范。2016年10月，廈門大小嶝島造地工程建設，選擇中交上海航道局在廈門海域施工船舶新海燕，新海豚，新海豚2號作為目標船，選取需要預報的12個固定點（見圖3，覆蓋整個廈門海域）。試驗時間為2016年10月—2016年12月。

圖3 12個固定點Fig.3 12 fixed points

在Web平臺中，查看船舶采集數據及天氣預報數據，圖4顯示新海豚實時數據，圖5顯示小嶝島當天早上08:00的預報數據。

圖4 新海豚采集的數據Fig.4 Xinhaitun data acquisition

圖5 小嶝島氣象預報Fig.5 Xiaodeng Island forecast

在Web平臺中，可以查看固定點未來3 d的氣象預報數據，船舶位置的歷史氣象數據。數據中心建設在本公司，提供外網訪問端口，用戶可以隨時通過廣域網訪問Web端發布的氣象服務，了解施工區域的天氣狀況。

3 實驗數據分析

系統發布的氣象數據與中國天氣網進行對比分析，對比數據見表1。

選擇廈門海域的土嶼與中國天氣網廈門地區的天氣預報做對比分析（土嶼離廈門島比較近，能夠代表廈門的天氣狀況）。從表1中13 d的觀測數據可以看出，雖然系統中對土嶼的氣象預報與中國天氣網對廈門的氣象預報有些偏差，但是兩者的預報都能夠反映當地氣象狀況，此偏差在接受的范圍之內，可以認為是準確反映廈門地區的氣象狀況。

表1 本系統與中國天氣網天氣預報比對Table 1 Comparison between the system with China Weather Network

4 結語

通過以上分析，基于北斗的遠海氣象播報系統能夠準確地反映廈門海域的氣象狀況。通過氣象數值模型誤差訂正，使用北斗作為通信鏈路，能夠成功地反映預報區域的天氣情況，為遠海預報提供了新的預報方法。此方法能夠為遠海施工，船舶航行提供準確的氣象預報，為船舶航行施工提供安全保障。

[1] 彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統的海洋環境監測數據傳輸系統設計[J].海洋技術，2009，28（3）：13-15.PENG Wei，XU Jun-chen,DU Yu-jie,et al.Design of marine monitoringdatatransmittingsystembased on Beidou Satellites System[J].Ocean technology,2009,28（3）:13-15.

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[8]田俊峰，崔銀秋.北斗衛星導航系統在遠海島礁建設中的應用探討[J].中國港灣建設，2014（7）：1-3.TIAN Jun-feng,CUI Yin-qiu.Application of BeiDou navigation satellite system in open-sea reef construction[J].China Harbour Engineering,2014(7):1-3.