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，能將實時觀測數據按設定頻次上傳到陸上數據中心。船載站“觀測場”的通信環境與陸上自動氣象站不同，他是隨船舶移動而不斷發生變化的。在不同海區，船載站數據上傳有時會因其處在通信信號盲區或信號受干擾而失敗，導致陸上數據中心數據接收不全。

目前數量不多、數據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、交通運輸、海洋氣象預報預警及氣候研究提供有效的數據支撐；因此開展船載站數據傳輸問題研究，解決其數據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 船載站數據傳輸方式及存在的問題

2018年以前，在全國氣象系統投入運行的船載站數據傳輸只能采用GPRS/3G/4G、北斗衛星[1]或國際海事衛星中的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據；在無固定航線或常在遠離海岸或海島GPRS/3G/4G基站信號區外運行的船載站，如安裝在救撈救助船、遠洋漁船、中韓航線客滾船，只能采用北斗衛星短報文方式進行數據傳輸，因國際海事衛星通信成本過高，一般不采用。GPRS/3G/4G數據通信一般不受電磁干擾，但在信號盲區、相鄰基站信號重疊區或信號覆蓋區邊緣海域，經常有通信中斷或不穩定的情況發生。北斗衛星通信在中國近海海域無信號盲區，但經常會受到各種岸基電磁信號干擾，導致其在近海或某些海港內通信傳輸不穩定、數據到報率不高。北斗衛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，單位時間內比GPRS/3G/4G無線通信1次/5 min(可設置為1次/min)數據傳輸量少一半。

隨著科學技術發展，新型船載站開始使用雙模冗余通信技術[2]，即采用GPRS/3G/4G和北斗衛星[3]通信同時上傳觀測數據，實現了兩種無線通信方式優勢互補。升級后的船載站數據采集器分別生成帶有GPRS/3G/4G和北斗衛星傳輸方式標識的2條原始數據報文，通過GPRS/3G/4G和北斗衛星同時上傳[4]。陸上數據中心接收到2條報文后，根據各自報文中標識符解析入庫到不同數據庫庫表中。因雙模通信數據格式、內容存在區別(表1、表2)，故不能將收到的2條原始數據按接收先后順序重復寫入同一區站號(船載站站號)庫表中；因此會出現同一船載站在陸上數據中心數據庫中，存在區站號不同的2個庫表。數據中心軟件將2個庫表歷史數據到報率高的設定為生成Z文件的數據源，將陸上數據中心接收到的實時數據按規定數據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據入庫存儲后不參與Z文件生成。采用雙模冗余通信后，雖然陸上數據中心接收船載站觀測數據的數據量較采用單一通信方式時有所增加，但因數據存儲和生成上傳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據未被采用生成Z文件。故船載站采用雙模冗余通信向同一數據中心傳輸原始數據的方式，達不到上級業務管理部門對在規定時間內正點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文件數據使用量需求。

表1 GPRS/3G/4G通信數據表

表2 北斗通信數據表

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：采用增設數據上傳地址的方式，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據，可解決上述問題，即：船載站同一時次觀測數據經GPRS/3G/4G和北斗衛星分別上傳到兩個陸上數據中心，在兩個不相干的數據中心軟件中設置相同區站號(船載站站號)，生成具有相同區站號和觀測數據的2個Z文件，再分別推送給同一上級業務管理部門，進行到報率考核，實現2個相同Z文件在同一考核區內按后到覆蓋先到的方式進行冗余存儲，增加數據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導致數據上傳失敗，而另一種通信方式上傳數據成功時，該時次觀測數據不會缺失。陸上數據中心除對該時次觀測數據進行有效存儲外，還利用其數據生成該時次上傳Z文件，既提高了陸上數據中心船載站數據到報率，又增加了接收數據數量。

圖1 船載站雙模通信示意圖

2.1 GPRS/3G/4G通信數據內容及傳輸流程

數據傳輸內容：因GPRS/3G/4G通信有足夠帶寬，不受報文字節數限制，其上傳數據要素種類多，信息量大(表1)。

數據傳輸流程：船載站觀測數據由采集器輸出給DTU通信模塊，再通過GPRS/3G/4G傳輸到通信基站，經通信公司網關進入互聯網，再由運營網進行網間交換后，進入陸上數據中心(市局船載站中心站)，經數據解析后進行頁面顯示并存入數據庫庫表中，再按照中國氣象局《地面氣象要素數據文件格式》要求生成Z文件后，通過局域網上傳到省局信息中心船載站冗余備份服務器的考核文件夾中。

2.2 北斗衛星通信數據內容及傳輸流程

數據傳輸內容：受北斗衛星通信數據幀78字節長度的限制，上傳的觀測數據中只能包含基本觀測項目及觀測要素數據和狀態信息。

數據傳輸流程：船載站采集器輸出的觀測數據由船載站北斗通信終端發出。每時次觀測數據報文為78字節，添加北斗報文相關標識碼后每條報文約98字節。數據包經船載站北斗通信終端→北斗衛星(上星)→北斗衛星地面站(落地)→北斗衛星(再上星)→陸上數據中心北斗指揮機(再落地)，由陸上數據中心服務器(省局船載站中心站)接收。陸上數據中心軟件將先后接收到的北斗短報文數據包解析后存入中心數據庫中，再按照中國氣象局《地面氣象要素數據文件格式》的要求生成Z文件，通過局域網上傳到省局信息中心冗余備份服務器的考核文件夾中。

2.3 GPRS/3G/4G和北斗衛星通信報文數據標識符

GPRS/3G/4G通信傳輸的觀測數據以DTU標識符(ID號)為數據身份標識，陸上數據中心軟件憑標識符對接收到的、含有專用標識符的原始數據報文區分不同船載站上傳的數據[5]。數據入庫以DTU標識符(ID號)為索引。

北斗衛星通信上傳的觀測數據以北斗通信卡卡號為標識，陸上中心軟件根據他區分不同船載站上傳的數據[6]。數據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

北斗衛星與GPRS/3G/4G通信傳輸數據對比分析發現：數據傳輸成功率高低與通信方式和航行海域有關。在近海和港內，3大運營商基站信號覆蓋好，GPRS/3G/4G數據傳輸率高，在距海岸30海里外的信號盲區，北斗衛星短報文通信方式數據傳輸成功率高。

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的歷史數據分析發現：通過北斗衛星傳輸時，蘇山島南部兩小片海區(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，北斗衛星數據傳輸失敗情況較多。船載站北斗通信采用民用通信協議，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生信號干擾。經測試，這些區域電磁環境較為復雜，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。當北斗衛星傳輸數據時，干擾信號湮沒正常的數據傳輸信號，導致北斗衛星數據地面站的數據處理中心接收不到或無法解析通信信號，造成船載站陸上數據中心數據缺測；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，這些海域船載站GPRS/3G/4G通信傳輸無效。

2.5 船載站觀測數據補傳機制

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

受北斗衛星短報文通信機制限制，北斗衛星通信因受到干擾傳輸失敗的觀測數據不補傳。

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據上傳到不同陸上數據中心，最終生成了2個相同格式和內容的Z文件，冗余存儲到同一服務器考核文件夾接收到報率統計，有效規避了因其中任何一種數據通信鏈路不通、信號干擾、信號盲區或數據服務器故障導致的數據缺測問題，提高了船載站Z文件20%～40%的數據到報率，有效保障了船載站觀測數據完整性。

雖然這種方式解決了數據上傳到報率問題，但也增加船載站第2陸上數據中心硬件、軟件和網絡等建設、維保費用的重復開銷。

3 船載站數據通信發展方向

3.1 升級衛星通信卡

升級北斗終端設備，采用三級北斗通信卡，增加傳輸通信頻次和數據信息量，提高通信成功率，或在國際海事衛星通信成本降低后采用北斗通信卡進行數據通信傳輸。

3.2 升級陸上中心軟件功能

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

4 結束語

通過分析船載站通信情況，采用技術手段解決了存在的問題，提高了船載站數據傳輸到報率。

隨著科學技術進一步發展，船載站數據通信水平和能力將大幅提高，陸上數據中心軟件的功能將更加科學、全面。獲取更加豐富的海洋氣象觀測數據，為海洋天氣預報、預警服務和氣候研究提供更強大的數據支撐。