船載氣象自動觀測站的智能融合通信網關的設計

顧紅兵 謝揚戈★

（中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081）

0 引言

中國海洋遼闊，但海洋氣象信息覆蓋面不廣，傳統通信方式的信息覆蓋無法滿足“一帶一路”服務的需求[1]，因為氣象信息發布手段比較單一，難以滿足近海遠海不同場景的需求。且預警信息快速發布的及時性不足，而對海上強對流天氣、海嘯等預報時效短、災害后果嚴重的預警信息、海上緊急突發事件信息，都需要通過有效發布手段實現預警信息快速發布。為此，氣象、漁業和海事等部門，分別建立了基于北斗衛星、天通衛星、風云四號衛星及短波通信等方式的通信系統，來拓展對海洋船只的預警信息發布覆蓋面。

目前海上沒有一種通信方式，可以同時滿足穩定的全海洋覆蓋、傳輸不受限、確保流暢的寬帶資源、較低的設備成本和使用資費要求。而且，現有的各種通信系統之間相互孤立，缺乏統一的協調管理機制，不能保障整個海洋通信系統合理、高效地運行。對海上作業船只來說，每新添加一種通信方式，就需要在船上新增一個設備，對用戶來說是重復建設，帶來極大不便。為此，本文設計船載智能通信網關，下行能匯集接收所有通信渠道的數據，上行能夠將船上的信息請求、采集數據和求救信號等通過智能選擇通信方式，上傳反饋到陸地控制中心。智能通信網關綜合了多種通信渠道的優勢，取長補短，能滿足全天候、全域覆蓋的海上通信要求。

船載氣象自動觀測站，正是建立在海上作業船只上，定時將采集的數據通過船載通信網關，利用最優的通信方式傳輸回數據中心。海上自動觀測站點數量的增加，能幫助氣象部門更迅速地掌握海上氣象條件，不僅可以根據天氣氣候的特點，充分利用氣候資源，提高海洋漁業、旅游、工程作業的生產能力和經濟利益，而且在海上發生氣象災害時，能迅速聯動多部門及時做出決策響應和指揮調度工作；另外船載氣象自動觀測站采集數據上傳的定時性，能方便及時地發現通信系統的故障，減少系統運維成本，保障整個海上通信系統的正常運行。通信能力的優化，降低了海上建站的難度，也促進船載氣象自動觀測站的推廣建設。

1 船載氣象自動觀測站

從海上作業平臺、貨船到普通漁船，都可以利用合適的空間增加采集設備，建造氣象自動觀測站。船上可用空間越大，可增加的自動觀測設備越多，觀測的要素種類就會越多；而對于普通漁船，在不影響其捕撈作業的前提下，可增加最小化的船載氣象自動觀測設備，即可對風速、風向、氣壓、氣溫和相對濕度等基礎要素采集。氣象部門通過獲取的數據，為海上船只反向提供氣象和應急服務，這是一個相輔相成的過程。

船載氣象自動觀測站一般由測量傳感器、數據采集器和通信設備構成。測量傳感器包括風速風向傳感器、氣溫相對濕度傳感器、氣壓傳感器和GPS定位定向儀。數據采集器用來采集傳感器信息，接收GPS和電羅經信號，并可由人工輸入觀測數據，規范地處理、存儲和傳輸數據。船載氣象自動觀測設備采集到的數據通過北斗終端通信傳輸到數據中心。

按照GB/T 12763-2007《海洋調查規范》[2]、GB/T 17838-2017《船舶海洋水文氣象輔助測報規范》[3]的規定，船載氣象自動觀測設備能自動處理真風速、真風向、氣溫、相對濕度、海平面氣壓、海水表溫等觀測數據，并可輸入和存儲人工觀測數據，如云狀、云量、云高、能見度、天氣現象、波浪、涌浪和海發光體等的功能。

2 海上多渠道融合的通信系統

目前在海上可以使用多種通信方式，近海可使用蜂窩移動通信、短波通信，遠海可使用風云四號氣象衛星、北斗衛星和天通一號通信衛星等[4]。每種通信方式的穩定率、覆蓋率、單雙向、運行成本等都不一致（表1）。結合多種手段的優點缺點，把各種通信方式融合起來[5]，能夠揚長避短，提高通信效率，降低成本。在不同的海域范圍內，都能實現全天候、全覆蓋的通信。

表1 各通信方式的參數

傳播控制平臺通過統一的CAP（common alerting protocol,通用協議）對接，將數據送到各種衛星的主站、短波發射塔、移動通信基站等，融合衛星、短波資源，多通道并發發布（圖1）。接收端從各個通道獲取信息后，將所有數據匯集到智能融合通信網關上，再由網關分發到終端控制顯示屏、手機、大喇叭等，實現快速下發的通信方式。

圖1 衛星、短波等多渠道融合通信體系

在融合通信體系中，我們同時研究基于探測數據、點播、查詢請求、SOS等上行數據的通信方式，通過智能通信網關進行渠道優選策略，匹配最合適的通信渠道，提高了數據的反饋效率。 由預警信息傳播控制平臺對所有上行數據進行采集后，分析業務類別和需求，再將數據傳輸到對應的業務平臺，實現了多渠道融合通信體系的閉環設計。

海上多渠道融合通信系統的建立，有效地減少了海上通信的障礙。氣象、漁業和海事等部門可將相關業務平臺分別對接傳播控制平臺，更好地擴展了海上業務的種類和范圍，且共用一套渠道發布資源，提高系統的利用率，減少重復建設的成本。上下行信息順暢的流通也減少了陸地和海洋的距離，便利了各部門的業務開展及與海上作業人員的通信。

3 船載智能融合通信網關的設計

3.1 星地動態協同組網的研究

建立多渠道融合體系已解決了海上通信覆蓋問題，但星、地兩張通信網在時延、速率等方面差異很大，例如GEO衛星的往返傳輸時延為幾百毫秒，是地面系統的上百倍。當兩張網融合，設計智能融合通信網關，借助海上用戶位置可追溯、可預測的特點，進而按需編排星地單元，實現動態動網是目前條件下最可行路徑。此外，依托智能通信網關上的本地存儲和計算能力，可以很大地彌補海上通信的不確定性，提供相對穩定的信息服務，使得星地單元在不同尺度上構建多層次協同關系。

綜合利用各類衛星、短波、岸基/島基/船基基站等實現動態智能傳輸，依靠融合通信網關實現多平臺信息的協同處理。將預警信息、海上自動觀測數據、用戶移動軌跡及通信需求特性等方面的信息通過窄帶衛星、窄帶廣域覆蓋岸基網絡等收集，并上傳至中央處理器進行分析處理。繼而利用中央處理器和具有邊緣處理能力的融合通信網關分布式、協同地優化調整星地協同策略、資源編排方式、傳輸參數等，實現海上環境感知智能傳輸，與常規通信方法相比，顯著提升服務消費比。

海域信道受海上氣象、海面波動等影響顯著，通過引入精細化海況、天氣條件等外信息，可估計或預測海洋通信的信道條件，進而相應地調整天線配置、載波選擇、分集方案等，匹配信道條件，實現傳輸效率的最大化。這與常規通信方法相比，省去了信道估計環節，可極大地降低系統開銷，提高海上通信消費比。

3.2 智能融合通信網關設計

船載智能融合通信網關[6]是建立在海上多融合通信系統的終端部分，是連接衛星、短波通信單元和船上應用終端設備、船載氣象自動觀測站的橋梁（圖2）。

圖2 船載融合通信網關的工作模式

船載智能融合通信網關，下行可以從多種衛星、短波和移動蜂窩信道獲取信息內容，按照數據規范協議對信息進行解碼還原，并且將信息分發到船上的信息管理系統、手機、喇叭等終端進行展示和應用。當加入一種新的通信方式，只需按照指定的數據協議，接入到船載智能通信網關，即可快速建立對接。相較于傳統通信建設中每種通信方式都需要采購對應的接收和解碼終端，船載通信網關能大大減少船上通信終端的建設花費。

上行以船載氣象自動觀測的風速、風向、氣壓、氣溫和相對濕度等為基礎，以及對云狀、云量、云高、能見度、天氣現象等人工觀測數據進行存儲并處理，輸出符合國際數據規范的數據格式后，通過船上建立的局域網，送到船載通信網關。船載通信網關對數據進行封裝和編碼，并針對目前海域位置、信道的情況，智能選擇最優的傳輸方式，回傳到陸地上的數據中心。船載智能通信網關還可以處理用戶其他的點播互動、即時信息通信、求救等請求數據。

根據網關的工作模式，除了對接衛星、短波和移動蜂窩通信的天線及模塊外，融合通信網關還內置了ZigBee和wifi的船上分發和接收模塊，具有邊緣數據處理能力需要的工業級處理器、內存和存儲、可擴展式的USB和RJ45等線路接口（圖3）。

圖3 船載融合通信網關的設計

船載智能融合通信網關提高了海陸間的通信能力，降低了船上建立氣象自動觀測站的難度水平，同時也減少了通信設備的重復建設，更便于向漁民和貨船等推廣建設。當海上氣象自動觀測站的密度增加后，氣象部門對海上的氣象條件掌握得更多，做出的氣象預報分析結論也更加準確，對海洋漁業、旅游、工程作業以及海上預警業務都產生了巨大的作用。

由于海陸間距離遠，且以使用衛星通信為主，通信成本會比陸地上的成本更高，充分利用通信資源能降低對系統的運維成本。船載氣象自動觀測站采集數據后，定時通過船載通信網關上傳數據，這可作為一種心跳連接的方式，讓陸地上的控制中心定時更新船上設備運行狀態，使整條通信鏈路處于順暢狀況。一旦觀測數據停止了上報，便可立即獲知設備或者通信出現了故障，人們便可及時對設備和通信進行搶救。作為海上預警業務的一個重要附加業務功能，其提高了對整套海上通信系統的運維能力，降低了運維成本，能保障重要應急預警業務的正常運行，創造良好的經濟效益。

3.3 應用前景

當前船載設備存在兩大痛點：數字化程度低，不利于商業服務。而且每使用一種通信方式，需要采購一個對應的通信終端，擴展性差。因此，融合通信網關以應用場景和服務需求為基礎進行設計，可提高船載設備的可用性。

據2019年的統計數據，全球商船船隊100GT以上的總共有95402艘海船[其中1000GT以上51684艘，中國（不含港臺）6125艘，占比11.8%]；中國漁船70多萬艘，海洋捕撈機動漁船數量為14.70萬艘（12m以上45%左右，6.65萬艘），廣東省為3.40萬艘；其他包括海洋工程船舶、海洋開發船舶、游艇（近年來增長迅速）。前期應用以漁業安全生產為抓手，以漁港改造為落腳點推進，服務用戶初期定位為休閑漁船/漁船。

結合漁業政策方面的兩個重點：“漁港經濟區，漁業產業升級，漁港振興”，“漁港港長制，依港管人、管船、管漁獲”；按農業農村部的部署，以漁港為重點，加強全省漁港建設與管理，推進漁港經濟區發展。以漁港為落腳點，圍繞部門關注的“安全管理”，增值服務方面考慮漁港提供的“漁船服務，港船聯動”需求。

中后期以氣象導航、海上氣象觀測數據采集、氣象傳真和船舶監測業務進行推廣，逐步接入當前的海洋專業服務。同時融合通信網關在陸地上也具有通用性，通過修改配置可進行偏遠山區的預警信息發布、山水林草湖信息采集、重點行業使用等。

圖4 海洋服務覆蓋范圍

4 結論

本文介紹了船載智能融合通信網關的設計原理、功能和推廣前景。在以衛星、短波、移動蜂窩為主的多渠道融合通信體系下，利用船載智能通信網關可擴展式對接通信資源，使其性能優勢相互補充，擴大海洋通信的覆蓋范圍，提升了星、地間通信效率。這不僅有效地推動了海上應急預警業務的發展，船載氣象自動觀測站也可利用這個良好的通信環境推廣建設在更多的海上作業的船只上，減少了硬件設備的重復采購以及系統的運維成本。海上觀測數據的豐富完善，有助于氣象部門充分分析和及時發布氣象預報、氣象預警等信息，讓海洋漁業、旅游、工程作業能結合氣候條件更充分地挖掘海洋資源，也讓各部門迅速聯動，針對海上惡劣天氣，及時通知海上作業人員，提前做好防護工作，減少人員和經濟的損失，創造巨大的社會效益。