雪衰對(duì)CMACast通訊的影響和故障處理

劉思宇 陳澍 孟金 馮勇

（山東省氣象信息中心 山東省濟(jì)南市 250031）

1 業(yè)務(wù)運(yùn)行現(xiàn)狀

CMACast 系統(tǒng)是目前氣象部門傳輸氣象數(shù)據(jù)的重要途徑，通過(guò)亞洲四號(hào)衛(wèi)星的C 波段轉(zhuǎn)發(fā)器，播發(fā)常規(guī)資料、天氣雷達(dá)、衛(wèi)星遙感資料以及流媒體視頻等。CMACast 作為新一代衛(wèi)星廣播系統(tǒng)是目前中國(guó)氣象局唯一的通過(guò)通訊衛(wèi)星廣播的系統(tǒng)，并完成亞太地區(qū)geoss 數(shù)據(jù)的廣播分發(fā)，CMACast 系統(tǒng)最高傳輸速率可達(dá)64Mbps。

CMACast 衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)總體由CMACast 主站、通訊衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和各級(jí)小站三大部分組成，CMACast 主站和CMACast 省級(jí)接收系統(tǒng)，通過(guò)新一代通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊傳輸（圖1），省級(jí)CMACast 接收系統(tǒng)由衛(wèi)星接收天線、接收機(jī)和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控軟件組成。在主站的統(tǒng)一調(diào)度下，匯集到國(guó)家氣象信息中心和衛(wèi)星氣象中心的業(yè)務(wù)播發(fā)資料，按照預(yù)先設(shè)置的分發(fā)策略，經(jīng)打包機(jī)、調(diào)制器、OD 和天線，進(jìn)入綜合播發(fā)服務(wù)器的衛(wèi)星通道進(jìn)行廣播分發(fā)。在接收小站端，各小站通過(guò)DVB-S2 數(shù)據(jù)接收機(jī)接收衛(wèi)星信道上廣播的數(shù)據(jù)，由小站的業(yè)務(wù)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行解析。各小站根據(jù)接收資料的數(shù)據(jù)量的大小及可靠性需求，可部署多臺(tái)數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)資料的并行接收或分擔(dān)接收。

2 降雪對(duì)CMACast通信的影響

2.1 雪衰的成因和規(guī)律

在CMACast 接收站長(zhǎng)期業(yè)務(wù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，CMACast 衛(wèi)星接收機(jī)在有暴雪天氣過(guò)程過(guò)境時(shí)，有積雪的情況下明顯造成CMACast衛(wèi)星接收信號(hào)的電平降低，誤碼率變大，甚至在業(yè)務(wù)使用當(dāng)中出現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)丟失數(shù)量增大等情況，嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)的文件接收準(zhǔn)確率，這種由天氣過(guò)程對(duì)無(wú)限電波吸收和散射所致的數(shù)據(jù)丟失，即雪衰現(xiàn)象。雪衰是CMACast 通信中不可抗拒的自然現(xiàn)象，只有建立一套完整的除雪系統(tǒng)，才能減少雪衰變化對(duì)CMACast 接收造成的影響。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同積雪深度造成的雪衰程度（表1），發(fā)現(xiàn)只要降雪量超過(guò)1mm 以上，就有可能出現(xiàn)系統(tǒng)不入鎖或者未完整接收文件數(shù)量增多的情況，天氣轉(zhuǎn)晴后系統(tǒng)恢復(fù)正常，饋源上的積雪太厚影響接收機(jī)信號(hào)接收，因此必須具備快速高效，措施完善的應(yīng)急措施，才能保證文件接收的完整性。

2.2 雪衰對(duì)CMACast信號(hào)傳輸影響的應(yīng)對(duì)對(duì)策

目前，CMACast 系統(tǒng)所使用的亞洲四號(hào)衛(wèi)星為地球同步軌道衛(wèi)星，具有傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，傳輸容量大等特點(diǎn)。針對(duì)以上特點(diǎn)，抗雪衰方法可分為以下幾類：

（1）加大信號(hào)接收天線的尺寸或信號(hào)功率，降低雪衰影響，（2）根據(jù)接收站所在位置的氣候條件和業(yè)務(wù)需求適當(dāng)增加地面衛(wèi)星接收終端站，備份數(shù)據(jù)接收終端。

（3）加裝除雪裝置和積雪故障檢測(cè)設(shè)備。

2.2.1 增大接收天線口徑

CMACast衛(wèi)星廣播接收站，目前采用的是C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的半功率角度比較窄，在降雪較多和低仰角地區(qū)，對(duì)跟蹤的精度和天線精度就有了更高的要求。在C 波段接收過(guò)程中，電波頻率如果超過(guò)10GHz，雪衰的影響會(huì)非常明顯。因此提高衛(wèi)星接收機(jī)可用性能可以采用更大口徑的接收天線，因?yàn)榻邮湛趶皆酱蟀牍β式窃叫。龃蟛杉盘?hào)的接收面積，可以彌補(bǔ)雪衰對(duì)信號(hào)接收造成的影響，保證信號(hào)接收的最低閾值。

圖1：CMACast 衛(wèi)星系統(tǒng)通訊示意圖

2.2.2 增加CMACast 地面衛(wèi)星終端站

為防止降雪天氣，業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)衛(wèi)星接收資料的大面積缺失，可以在遠(yuǎn)離市區(qū)，沒(méi)有高大障礙物遮擋和電波干擾的地區(qū)，最好架設(shè)在開(kāi)闊地帶的最高處，天線基架位置牢固且保持水平，盡量避開(kāi)通風(fēng)口，削弱風(fēng)的因素對(duì)數(shù)據(jù)接收的影響，盡可能避免在雷電多發(fā)地帶架設(shè)天線，并采取避雷措施。增設(shè)CMACast 接收站和接收系統(tǒng)，可以最大程度的降低因雪衰導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)，為氣象資料的接收備份有效接收途徑。

2.2.3 安裝自動(dòng)除雪裝置

目前的CMACast 衛(wèi)星接收系統(tǒng)在暴雪天氣下極易發(fā)生故障，現(xiàn)在通常會(huì)配備故障檢測(cè)器對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便及時(shí)通知技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置，但是故障檢測(cè)器只能報(bào)警不能處置，還需要技術(shù)人員對(duì)信號(hào)接收盤上的積雪進(jìn)行手動(dòng)處置，存在一定的局限性。由于電磁波在傳輸過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)拋物面的反射，最終電磁波匯集到焦點(diǎn)的高頻頭位置，才能保證信號(hào)的正常傳輸，然而，在有積雪的情況下，就會(huì)導(dǎo)致拋物面反射不均勻，即產(chǎn)生漫散射，電磁波將不會(huì)聚集在高頻頭的位置，會(huì)導(dǎo)致CMACast 接收系統(tǒng)無(wú)法正常接收數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)無(wú)法入鎖，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法正常接收。因此，自動(dòng)除雪裝置可以削弱暴雪等惡劣天氣對(duì)CMACast 衛(wèi)星接收系統(tǒng)的影響。

3 CMACast系統(tǒng)的維護(hù)

CMACast衛(wèi)星通訊系統(tǒng)是氣象資料實(shí)時(shí)接收的主要通道之一。在業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中由于受到傳輸誤碼率不穩(wěn)定、接收信號(hào)電磁干擾、極端天氣等因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)文件接收錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)丟失的情況，在惡劣天氣過(guò)境時(shí)嚴(yán)重影響資料接受的完整度，從而影響氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)。為提高實(shí)時(shí)氣象資料分發(fā)的服務(wù)質(zhì)量，有效保障CMACast 小站數(shù)據(jù)接收的完整性，對(duì)CMACast 衛(wèi)星接收系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)十分必要。

3.1 接收天線的定位

在CMACast 接收系統(tǒng)建設(shè)部署完畢后，接收機(jī)天線的方位角、俯仰角等往往長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)改變，因此在天線安裝過(guò)程中應(yīng)盡可能將天線的仰角、方位角以及LNB 的極化角都調(diào)到最佳接收信號(hào)位置，亞洲4 號(hào)衛(wèi)星方位角(AZ)、俯仰角(EL)、極化角(PL)的計(jì)算公式如下：

式中，α 代表經(jīng)度，β 代表衛(wèi)星經(jīng)度，θ 代表緯度，R 地球半徑為6378km，衛(wèi)星距地球表面高度H 為35786km。由于衛(wèi)星的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成接收性能指標(biāo)飄移，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際接收資料的情況，適時(shí)采用尋星儀或者場(chǎng)強(qiáng)儀對(duì)天線仰角進(jìn)行調(diào)整，確保接收站處于最佳接收方位。

3.2 CMACast文件接收缺失的故障排除

在CMACast 系統(tǒng)接收服務(wù)器的監(jiān)控程序中（圖2），在接收機(jī)入鎖的情況下，顯示有文件缺失較多的情況。在重啟接收機(jī)和接收服務(wù)器后，仍顯示文件缺失異常，首先查看接收機(jī)監(jiān)控日志查看Eb/NO 值是否正常，若存在Eb/NO 值為0 或跳變情況，由此可以判斷接收信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定。在排除硬件故障和接收天線定位異常等因素后，將接收機(jī)饋線插入尋星儀，出現(xiàn)尋星儀Q 值跳變，故障原因可以判定為接收機(jī)周圍電磁環(huán)境干擾，通過(guò)更換設(shè)備場(chǎng)地、加裝濾波器、金屬網(wǎng)等屏蔽干擾設(shè)備可以解決電磁干擾導(dǎo)致的文件缺失故障。排除由接收天線周圍環(huán)境電磁干擾和接收機(jī)設(shè)備等故障影響后，查看接收機(jī)監(jiān)控界面接收信號(hào)正常，初步斷定故障原因在數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，查看服務(wù)器監(jiān)控界面若文件資源使用率超過(guò)80%，故障原因可以判定為文件接收服務(wù)器的某個(gè)文件系統(tǒng)格式化問(wèn)題。針對(duì)文件系統(tǒng)格式化進(jìn)程問(wèn)題，通過(guò)重啟服務(wù)器，重新啟動(dòng)進(jìn)程，或者手動(dòng)掛載進(jìn)程解決。

圖2：CMACast 服務(wù)器監(jiān)控界面

表1：不同積雪深度的CMACast 接收統(tǒng)計(jì)表

3.3 接收小站的巡檢

在暴雪等極端天氣情況下，CMACast 廣播衛(wèi)星接收系統(tǒng)的值班人員，一定要注意觀察，由于極端天氣情況會(huì)造成信號(hào)中斷，需要值班人員手工啟動(dòng)，否則會(huì)影響正常接收。CMACast 接收系統(tǒng)的日常維護(hù)需要注意三點(diǎn)：

（1）CMACast 接收系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)卡頓，因此需要每隔一段時(shí)間重啟CMACast 廣播接收系統(tǒng)的服務(wù)器，防止因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的主機(jī)故障。

（2）應(yīng)定期進(jìn)行系統(tǒng)備份，防止因系統(tǒng)崩潰或其他故障導(dǎo)致的無(wú)法啟動(dòng)。

（3）制定接收系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)計(jì)劃，CMACast 接收站的配有兩張網(wǎng)卡，一張網(wǎng)卡與CMACast 衛(wèi)星廣播接收機(jī)連接，用來(lái)接收CMACast 小站從衛(wèi)星廣播接收的數(shù)據(jù)，另一張與業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)相連，防止有病毒入侵或網(wǎng)絡(luò)通信異常，導(dǎo)致服務(wù)器無(wú)法正常接收數(shù)據(jù)，若有病毒入侵需要及時(shí)斷網(wǎng)殺毒或者更換網(wǎng)卡。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了雪衰的成因和規(guī)律，說(shuō)明了雪衰對(duì)CMACast 信號(hào)傳輸?shù)挠绊?間接影響業(yè)務(wù)的正常使用,通過(guò)CMACast 通訊系統(tǒng)多年的業(yè)務(wù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，證實(shí)了本文上述措施有助于消除降雪給CMACast 通訊系統(tǒng)帶來(lái)的影響，并能有效提高CMACast 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)討論雪衰對(duì)CMACast 通訊的影響和故障處理方法，針對(duì)降雪天氣容易出現(xiàn)的故障進(jìn)行了故障快速診斷方法，對(duì)CMACast 小站技術(shù)維護(hù)人員有一定的參考價(jià)值。