基于北斗的縣級氣象應急通信系統的設計與實現

劉一謙，張常亮，余嘉

（1.四川省氣象探測數據中心，成都　610072；2.德陽市氣象局，德陽　618000）

基于北斗的縣級氣象應急通信系統的設計與實現

劉一謙1，張常亮1，余嘉2

（1.四川省氣象探測數據中心，成都610072；2.德陽市氣象局，德陽618000）

512和420地震都對四川地震災區通信和氣象信息網絡系統造成嚴重損害，為解決全省氣象信息網絡僅僅依靠地面網絡的問題，對現有的氣象信息網絡系統不足進行分析，構建一套采用北斗系統短報文功能的縣級氣象應急通信系統。系統建設完成以來運行總體穩定，通過實際應用表明，作為地面氣象信息網絡的有效補充，該系統發揮良好效益，為氣象系統防災減災氣象服務做出貢獻。

北斗系統；短報文；應急通信；防災減災

0　引言

四川省幅員遼闊，境內地貌復雜，大部分為丘陵、山地和高原，四川西部高原山區地質災害高危點多，汛期地質災害頻發，造成道路和通信中斷，受災地區氣象臺站無法與外界信息溝通，嚴重影響氣象業務正常開展，特別是2008年512汶川地震和2013年420蘆山地震，造成震區地面氣象寬帶網絡嚴重受損，災區受損災情和人員傷亡情況不能及時傳送到各級領導部門，同時地震后災區地質災害發生頻率和危害性明顯增加，進一步加大了全省氣象業務正常開展的難度。這就迫切需要我們探索一條新的可靠的技術路線對現有氣象信息網絡進行補充，解決四川省氣象廣域網絡僅僅依托于運營商地面網絡，在地震、山洪、泥石流以及塌方等自然災害發生時極易受到損害，影響國家級臺站應急信息和取消資料傳輸的薄弱環節，因此，建設一套基于衛星通信的應急通信系統是十分迫切和有必要的。

1　全省氣象信息網絡系統分析

2007年四川省啟動了全省氣象廣域網絡系統建設，通過租用電信的SDH專線，構建一套星型與樹型相結合的、覆蓋全省的省市縣三級氣象廣域網絡系統。其中，省-市帶寬為4M，市-縣帶寬為2M。同時，為提高整個網絡可靠性，采用基于Internet的VPN建設了一套備份線路，通過動態路由調度，實現備份線路的熱備份功能。2008年512汶川大地震導致了地震災區的氣象寬帶網絡全面中斷，雖然VPN在一定程度上對專線網絡進行了補充，但是單運營商網絡系統在大災害發生時仍然顯得十分脆弱［1］。

為了提高整個氣象廣域網絡的健全性與穩定性，2011年全省引入了第二運營商SDH專線，構建了“雙寬帶并用、業務分流、互為熱備”的氣象廣域網絡系統。正常情況下，常規業務數據傳輸以電信線路為主通道，移動線路路作為備份，在電信線路出現故障后，自動切換到移動線路；視頻會商數據以移動線路為主通道，電信線路作為備份。雖然雙運營商網絡系統具有互補作用，但是2013年420蘆山地震發生后，整個運營商基礎設施基本被摧毀，雖然擁有了雙運營商線路，但是重災區在相當長的時間內都是失聯的信息孤島，人員財產損失情況上報和氣象資料傳輸都受到極大的影響。

四川省一共有156個國家級氣象觀測站，目前業務開展和資料傳輸、共享主要依賴于全省氣象廣域網絡系統，網絡拓撲圖如圖1所示。該網絡系統基本能夠滿足全省氣象業務目前的需求，然而考慮到西部邊遠臺站和地震災區極易受到地址災害的影響，在各種自然災害發生的時候，相關氣象服務工作的各種需求陡增，這種時候，氣象通信及信息網絡系統的穩定性、可靠性就顯得尤為重要。我們需要考慮一種不基于地面線路的應急通信系統［2］。

圖1　全省氣象廣域網絡系統結構圖

2　應急通信系統的設計

2.1北斗衛星導航系統簡介

北斗衛星導航系統是我國自行研制，正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星定位與通信系統。北斗衛星是繼美國“GPS”系統和俄羅斯“GLONASS”系統后世界上第三個實際運行的定位導航系統。第一代導航系統“北斗衛星導航試驗系統”于1995年正式啟動工程研制，并在2003年正式開始提供較為完整的區域衛星導航。2003年之后，第二代“北斗衛星導航系統”開始建構，計劃于2020年建成并覆蓋全球，總共由35顆衛星組成。2012年12月27日，北斗衛星導航系統正式向亞太大部分地區正式提供各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力［3］。

2.2系統架構設計

北斗應急通信系統由省級中心管理系統、臺站終端系統組成。應急通信系統架構如圖2所示。臺站終端系統包括北斗終端、計算機、北斗終端數據處理軟件，北斗終端通過網絡方式連接到部署終端數據處理軟件的計算機；省級中心管理系統包括北斗衛星中心管理系統接入終端（北斗指揮機）、服務器、中心管理系統軟件。

圖2　應急通信系統架構圖

2.3系統功能設計

北斗衛星導航系統可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力。系統主要采用的是北斗系統的短報文功能，采用106字節/分的四級卡，對應急信息和氣象數據進行相應的壓縮并傳輸，依托北斗通信系統，建立完成高原三州及地震災區縣級氣象應急通信系統，系統功能模塊如圖3所示。

系統要實現應急情況下受災點與省局及周邊臺站信息傳遞功能，同時實現觀測資料應急傳輸，完善資料應急傳輸流程，應急通信系統具備以下功能：

（1）應急信息傳輸

在發生極端自然災害，地面通信網絡中斷時，能夠通過該應急通信系統，將臺站人員安全情況、設備及建筑受損等情況，上報到省氣象局及知會周邊臺站，能夠與省局現有短信平臺有效結合，將臺站上報的信息有選擇的通過短信平臺發送給相關領導，同時省局能夠通過該系統將應急指導意見傳達到地面通信中斷的臺站，確保極端自然災害波及的臺站不會與外界失去聯系。應急信息處理流程圖如圖4所示。

圖3　系統功能模塊示意圖

圖4　應急信息處理流程圖

（2）氣象資料傳輸

根據北斗通信系統數據傳輸能力考慮，作為應急通信系統，在非應急狀態下維持資料傳輸主要是為了檢驗確保系統的工作狀態，北斗系統能滿足自動站文件的傳輸需求，同時能夠作為資料傳輸的備份方式。北斗應急通信系統設計為自動傳輸自動站每個時次的正點資料，手動選擇發送自動站加密資料、自動站日照文件、自動站輻射文件、自動站狀態文件等，同時還能夠根據需要利用該應急系統傳輸指定文件。數據傳輸處理流程如圖5所示。

圖5　數據傳輸處理流程圖

2.4省級中心端系統設計

省級中心端系統主要用來接收從臺站系統通過北斗衛星發送過來的各種數據，包括數據文件以及應急信息等。具體功能模塊分為用戶管理、站點管理、應急信息、國家站數據、監控與統計、日志管理、系統設置和北斗監控。省級中心系統自動從與指揮機連通的串口接收數據，進行數據解析、數據組包、數據補幀以及后期數據處理。

2.5臺站終端系統設計

臺站終端系統在原有通信傳輸方式 （地面寬帶網絡傳輸）的基礎上，通過在業務計算機上安裝北斗終端數據處理軟件，實現應急信息編輯、發送、接收、顯示，完成數據處理、終端控制等所需的功能操作。數據處理軟件能夠對氣象觀測報文進行壓縮、分包、發送，能實現自動和手工兩種傳輸方式。應急信息界面設計一個站點選擇列表，能夠對需要發送應急信息的點進行方便快捷的選擇，且所有臺站的站點選擇列表在省級中心管理系統信息更新后能夠進行及時同步。

3　應急通信系統的實現

中心管理系統負責接收所有縣級臺站通過北斗終端發送來的應急信息和氣象數據，中心管理系統界面如圖6所示。

圖6　省級中心平臺界面

當系統接收到應急信息時，將該信息接入省級現有短信平臺，并通過告警功能提示省中心系統值班人員處理該信息，應急信息交互界面如圖7所示。對于接收到的氣象觀測數據則進行解包、整合，還原為完整的觀測報文。若出現缺報或丟包的情況，中心管理系統即向下屬站點發送補發指令，下屬站點接收到補發指令后把丟失的數據重新上傳到北斗中心管理系統。中心管理系統根據實際需要，能夠將接收到的文件處理留底，定制是否發送至通信系統，進入傳輸流程，對于通過終端軟件偵測功能識別到地面寬帶故障時上傳的文件，均須發送至通信系統。

圖7　應急信息交互示意圖

作為一套平戰結合的應急通信系統，氣象臺站的整點自動站資料通過北斗應急通信系統準時上傳至省級北斗中心平臺，在地面廣域網絡鏈路正常狀態下，默認不向省級通信系統推送，傳輸氣象資料的成功與否作為測試北斗鏈路狀況的參考指標。在遇到地面雙氣象寬帶同時中斷時，臺站的工作人員電話告知省中心，值班人員通過設置可以將氣象資料傳入通信系統，保證氣象資料的時效不受影響。在遇到地震等不可抗拒的自然災害時，氣象臺站可以通過北斗應急通信系統將應急信息發送到省級中心站或者相關的臺站，將臺站受災害的相關信息和人員安危情況及時和外界進行溝通，及時消除了因溝通不暢而造成的信息缺失。臺站終端系統軟件界面如圖8所示。

圖8　臺站終端系統

4　結語

縣級氣象應急通信系統的建設包括省級中心平臺的安裝部署和76個縣級臺站的軟硬件安裝調試。在試點安裝測試工作完成之后，全部76個縣級臺站于2014 年7月初完成了安裝實施工作。76個站的整體到報率（2014年07月11日0時至2014年08月07日23時共計672個時次）為90.57%，除部分臺站防雷模塊故障、版本升級影響和北斗終端軟件沒有正常開啟運行造成的終端離線外，整個系統運行穩定。該系統的正常運行表明，依托北斗系統的縣級氣象應急通信系統能夠在各類地質災害發生時，能夠為災區各類應急信息和氣象資料的發送提供提供一條穩定可靠的備份線路，大大提升四川省氣象部門防災減災的能力。

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Design and Implement of County Meteorological Emergency Communication System Based on Beidou

LIU Yi-qian1，ZHANG Chang-liang1，YU Jia2
（1.Sichuan Meteorological Observation and Data Centre，Chengdu 610072；2.Deyang Meteorological Bureau，Deyang 618000）

The 512 and 420 earthquakes both made severe damage to meteorological information network system of Sichuan.For the sake of solving the problem on the weakness of ground network system.Analyzing the shortage of current network system，constructing a meteorological emergency communication system based on short message of Beidou System.The system is running stably since installation，practical application shows that this system makes a great contribution to supplementing the ground network and weather service for disaster mitigation and prevention as well.

Beidou System；Short Message；Emergency Communication；Disaster Prevention and Mitigation

1007-1423（2016）27-0059-05DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.015

劉一謙（1984-），男，四川成都人，工程師，本科，研究方向為通信與計算機網絡、虛擬化、高性能計算等

2016-07-07

2016-09-15