衛星通信助力氣象服務保障“一帶一路”

● 文 |.中國氣象局發展研究中心 .中國氣象局預報與網絡司 陳鵬飛 周勇 劉東君

一、引言

2013年秋天，習近平主席提出共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路，即“一帶一路”倡議（簡稱“一帶一路”）。“一帶一路”沿線國家和地區具有氣候類型多樣、自然條件較差、氣象災害種類多等特點，如果沒有可靠的氣象服務作為支撐和保障，“一帶一路”順利推進將難以保證，做好“一帶一路”氣象服務保障既是國家發展大局要求，也是氣象部門義不容辭的責任和事業發展需求，中國氣象局高度重視、積極落實有關工作，已與世界氣象組織（WMO）簽署了《中國氣象局與世界氣象組織關于推進區域氣象合作和共建“一帶一路”的意向書》[1]，并圍繞國家重大工程建設、助力提升“一帶一路”沿線氣象防災減災水平、聯合應對氣候變化、深化業務技術交流合作等開展了大量有成效的工作[2]。

隨著“一帶一路”深入推進，氣象服務保障工作面臨新的挑戰和遇到新的問題，其中，氣象通信能力不足，尤其是境外和海洋氣象通信能力薄弱，已成為制約“一帶一路”氣象資料獲取和氣象預警預報信息發布的瓶頸問題。目前，了解衛星通信在氣象領域的應用現狀，掌握“一帶一路”框架下的氣象服務通信需求，展望衛星通信系統在氣象領域的應用前景，從而進一步科學合理地利用衛星通信技術，增強電信基礎設施較差的山區、沙漠、海島等區域氣象通信能力，對于更加有效開展“一帶一路”氣象服務保障工作有重大的現實意義。

二、氣象服務保障“一帶一路”的衛星通信應用現狀分析

衛星通信技術不僅在廣播電視上廣泛應用，也是氣象領域數據傳播的重要途徑之一，已經被廣泛地應用于氣象觀測數據傳輸、預警預報信息發布、天氣預報會商、氣象應急保障服務等氣象行業的諸多業務領域。其中，與氣象服務保障“一帶一路”密切相關的衛星通信主要有兩個方面：一是中國氣象局對周邊國家和地區的氣象數據衛星廣播；二是基于中國北斗衛星導航系統的氣象觀測數據收集和預警信息發布。

高分三號黃河三角洲衛星影像圖

該圖為2016年11月5日高分三號衛星影像圖。該圖為全極化條帶1成像模式數據。采用空間多視、NL濾波、極化分解、偽彩色合成、圖像增強等技術制作。圖為黃河三角洲，其中不同顏色代表了不同的極化散射特征，這是由于植被覆蓋、建筑、裸地等實際地物不同造成的。

中國科學院電子學研究所_供圖

1．中國氣象局氣象數據衛星廣播系統

中國氣象局氣象數據衛星廣播系統（簡稱CMACast系統）自1998年開始業務運行，已演進至第三代（如圖1），新一代于2012年6月1日正式投入業務運行，與美國GEONETCast American衛星廣播系統和歐洲的EUMET Cast衛星廣播系統一起，共同構成了世界氣象組織地球觀測數據衛星分發系統（GEONETCast）。其中，CMACast系統負責提供覆蓋亞太區的WMO全球交換資料數據分發和風云系列衛星云圖產品的廣播[3]，最西端可覆蓋到伊朗，最東端可覆蓋到新西蘭。目前，CMACast系統是氣象數據資料廣播分發業務的主渠道，是氣象服務保障“一帶一路”的基礎支撐，隨著“一帶一路”繼續推進，必將為中亞、東亞、南亞、西亞乃至部分歐洲區域的互聯互通做出更大貢獻。

新一代CMACast系統使用亞洲4號衛星C6H轉發器，上行中心頻率6065MHz，下行中心頻率3840MHz，廣播帶寬36 MHz，采用8PSK、FEC5/6調制及第二代衛星數字視頻廣播標準（DVB-S2），廣播信息速率可達70Mbit/s[4]。2017年11月，CMACast系統轉星工作順利完成，亞洲4號通信衛星由同軌亞洲9號通信衛星替代。CMACast系統播發數據除常規氣象資料外，還包括了全國雷達數據、衛星云圖數據產品以及國際交換氣象數據，同時還提供氣象頻道、氣象會商等實時高清視頻流媒體廣播。至2017年，CMACast系統注冊接收站已達2680個[5]，包括印度尼西亞、巴基斯坦、澳大利亞等24個國外接收站，播發數據量每日接近300GB。

CMACast系統作為地球觀測數據分發平臺的重要組成部分，在促進亞太地區地球觀測數據的共享和應用方面做出了重要貢獻。例如，2015年4月25日，尼泊爾發生8.1級地震，造成大量建筑物坍塌，當地所有互聯網、電話等系統全部中斷。地震發生后，CMACast系統由于不依賴當地的通信條件，成為了尼泊爾氣象局地震后24小時內的主要天氣預報平臺，為尼泊爾氣象局做好抗震救災氣象保障服務和災后搜救工作提供了有力保證[6]。

圖1 CMACast系統發展演進示意圖

2．中國北斗衛星氣象應用系統

中國北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的衛星導航系統。該系統具有授時、定位、短報文三大功能，覆蓋范圍包括了中國全境及亞洲大部分地區，已成功于測繪、氣象、水利、漁業、減災救災和公共安全等諸多領域。氣象領域是最早應用我國北斗系統的重要領域之一，北斗衛星氣象系統主要利用北斗衛星的短報文通信功能，進行氣象觀測數據收集和預警信息發布。目前，主要用在新疆、西藏、云南、海南、福建等我國境內與“一帶一路”密切相關的重要樞紐和窗口地區。隨著北斗系統覆蓋區域的擴大，將逐步擴展到更大范圍。

在氣象觀測數據的收集方面，北斗衛星氣象應用系統主要用于邊遠山區、海島、海上船舶、浮標等處自動氣象站數據的上傳業務[7-11]。主要采用兩種組網方式：一是以北斗系統運營單位的服務平臺為遠端站數據匯集點，再通過地面專線或互聯網傳給氣象部門，如：中國氣象局與中國東方紅衛星股份有限公司聯合承擔的國家高技術產業發展計劃項目“基于北斗的氣象監測應用示范工程”采用的系統結構（圖2）；另一種是以北斗指揮機為遠端站數據匯集點，北斗指揮機與氣象部門業務內網連接，接收的數據直接進入本地氣象通信系統，如：海南、福建、新疆、寧夏等省（區）氣象局的北斗自動氣象站數據傳輸系統（圖3）。前者更適于大規模布點應用，后者雖受到北斗指揮機通信容量限制，站網規模一般不超過100個站，但已能滿足省級氣象部門在數據收集和監控方面的需求，因此得到了較為廣泛的應用。

北斗衛星通信的覆蓋面積廣，而且還具備全天候無盲區的功能。在預警信息發布方面，北斗衛星已經成為國家突發公共事件預警信息發布系統的重要組成部分[12]。利用北斗衛星短報文通信功能，以廣播方式發布預警信息，有效提高了預警信息的覆蓋范圍和時效性，增強了我國海洋及陸地邊遠地區預警信息發布能力[13,14]。目前，供電和短報文長度不足問題是北斗衛星系統在氣象觀測數據收集和預警信息發布領域應用時遇到的主要問題。前者一般采用太陽能或風能供電的方式解決；后者一般采用數據壓縮和數據分包傳輸的方式解決[15]。

圖2 采用中國衛星北斗綜合信息服務平臺的自動氣象站數據傳輸系統結構

圖3 采用北斗指揮機的自動氣象站數據傳輸系統結構

三、氣象服務保障“一帶一路”對衛星通信的需求分析

隨著“一帶一路”不斷推進，國際化氣象服務需求大增，表1列出了氣象服務保障“一帶一路”涉及典型業務應用的通信需求，境外、特別是海上氣象通信面臨著新的挑戰，同時，也為衛星通信技術在氣象領域更加廣泛、深入應用帶來了新機遇。

一是從氣象服務領域拓展層面來看，“一帶一路”框架下的氣象通信能力亟待進一步提升。根據《氣象“一帶一路”發展規劃（2017—2025年）》，“一帶一路”氣象服務保障工作在陸上以沿線中心城市為支撐，為重點經貿產業園區提供氣象服務，與沿線國家就新亞歐大陸橋、中蒙俄、中國－中亞－西亞、中國－中南半島等國際經濟合作走廊共同提供氣象保障；海上以重點港口為節點，氣象保障通暢、安全、高效的運輸大通道；大力提升中巴經濟走廊、孟中印緬經濟走廊氣象防災減災與公共服務的能力，提供優質氣象保障[16]。我國努力為“一帶一路”沿線國家和地區提供相對完善的氣象服務，即氣象服務涉及地理范圍明顯擴大、服務對象顯著增加。氣象服務質量要跟上，必然要求氣象通信能力進一步加強，尤其偏遠地區、境外的氣象通信能力亟待提升。目前，衛星通信具備不受時間、地點、環境等因素限制、通信容量大、傳輸距離遠、開通時間短等諸多優點，是氣象服務中最有保障的通信手段之一，可滿足偏遠地區、海洋和災害破壞情況下的氣象通信需求，而且對有效提供“一帶一路”地區、海洋氣象服務保障極為重要，是我國氣象服務“走出去”的重要基礎支撐。

二是從氣象業務應用層面來看，主要在氣象觀測數據采集、氣象信息發布和天氣預報會商等3類典型應用（表1）方面需要衛星通信技術支撐，從而為更好地做好“一帶一路”氣象服務保障工作夯實基礎。就傳輸時效而言，天氣預報會商和預警信息發布的時效要求最高，需要達到實時或近實時通信；自動氣象站、雷達等觀測數據采集和國際共享交換數據的傳輸時效一般需要達到分鐘級；根據內容不同，天氣預報和服務數據的發布一般為分鐘級到小時級。就傳輸數據量而言，數據量最大的是氣象衛星遙感數據，日增量2014年約為2TB，到2020年預期將達到30TB[17]；其次是天氣雷達，按照目前常規業務模式，單部天氣雷達觀測數據每日增量就可達到GB級；自動氣象站觀測數量較小，一般一份報文在1kB左右；文字類型的天氣預警預報信息一般每條不超過1kB。就移動性而言，車載、船載設備通信需要具備“動中通”功能；浮標站漂浮于海面，也宜采用移動通信方式。就拓撲結構和傳輸方向而言，觀測數據的采集一般為“多點對一點”的單向傳輸方式，在使用衛星通信時，星狀結構比分級樹狀結構更有助于提高傳輸時效；預警、預報和服務等信息發布一般采用“一點對多點”的星狀結構，單向傳輸；天氣預報會商則屬于網狀雙向通信。此外，雖然觀測數據只需從觀測站到中心站的單向通信，但為實現海上和境外觀測設備的遠程監控，還需要采用半雙工或全雙工方式的雙向通信信道。

表1 氣象服務保障“一帶一路”涉及典型業務應用的通信需求

續表

三是從衛星通信系統選擇層面看，要有效提升“一帶一路”氣象服務保障的質量和效益，需要科學合理地選擇適合我國氣象業務和服務工作的衛星通信系統。不同的衛星通信系統具有不同的特點和優勢，單一的或是某方面的衛星通信技術應用是難以滿足氣象通信業務的。以海上氣象通信為例，當前北斗衛星雖已用于海島氣象站和船舶通信[11]，但受短報文字符數和發報間隔時間的限制，通信能力難以滿足較大數據量的氣象通信需求；甚小口徑終端（VSAT）衛星通信雖然通信能力較強，且有長期的氣象應用基礎[18]，但受定向天線對星條件限制，難以滿足船舶或浮標“動中通”的通信業務需求；海事衛星、全球星、銥星等國外衛星通信系統[19-21]雖從功能角度講，可部分滿足業務需求，但從國家安全角度出發，不宜長期、大范圍應用于海洋氣象通信業務中。可見，“一帶一路”氣象服務保障的衛星通信系統的選擇是需要從多方面考慮的，且應首選我國自主可控的衛星通信系統，最大化挖掘其氣象通信應用潛力。

四、氣象服務保障“一帶一路”的衛星通信應用前景展望

20世紀90年代以來，中國的衛星通信事業蓬勃發展[22]。2015年10月，國務院批準發布了《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》，明確提出將發展面向行業及市場應用，以商業化模式為主，保障公益性發展需求的衛星通信廣播系統，主要發展固定通信廣播衛星和移動通信廣播衛星，逐步建成覆蓋全球主要地區、與地面通信網絡融合的衛星通信廣播系統[23]。國家支持鼓勵衛星通信事業穩步發展，衛星通信廣播資源將不斷豐富，一定能夠為“一帶一路”氣象服務提供更強有力的通信支撐。衛星通信在我國氣象領域的應用越來越多，例如，天通衛星、北斗衛星系統、“海星通”系統，以及CMACast系統，都能在“一帶一路”氣象服務保障中發揮重要作用（表2）。

表2 中國衛星通信系統主要特點及在氣象服務保障中的應用[24-28]

續表

天通、北斗衛星工作于S、L等頻段，抗雨衰能力強，且覆蓋范圍大，在“一帶一路”乃至全球范圍天氣預警信息發布和小數據量氣象觀測數據傳輸中，將起到不可或缺的作用。“海星通”系統具有豐富的Ku和C頻段衛星通信資源和門類齊全的衛星通信終端設備，適用于高速、大數據量的氣象數據通信和視頻天氣會商。CMACast系統采用C頻段衛星資源，較Ku、Ka頻段抗雨衰能力強，較S、L頻段衛星通信容量大，將能夠為更多“一帶一路”相關國家政府、組織和企業提供高效、高可靠的數據廣播服務，提高中國氣象的國際影響力。此外，正在迅速發展的Ka頻段衛星通信資源，容量大、通信速率高，雖然受云、霧、雨、雪、霜等天氣影響大[29]，與氣象服務需求強度相悖，但可采用提升功率、分集、編碼等措施加以抑制[30,31]，在“一帶一路”氣象服務保障中也具有很大的應用潛力。

五、結束語

我國衛星通信事業有著良好的發展前景，在“一帶一路”框架下，衛星通信技術在氣象領域必將得到更加廣泛、深入的應用。我國自主可控的衛星通信廣播系統將是“一帶一路”氣象服務保障工作中衛星通信的主力。無論從需求牽引和技術推動角度看，還是從我國民用空間基礎設施規劃和天通、北斗、“海星通”等系統的發展計劃上看，到“十三五”末期，科學合理利用我國自主可控的衛星通信廣播系統將能夠滿足“一帶一路”氣象服務保障工作對衛星通信的需求。而現階段，以海事衛星為代表的國外衛星通信資源在部分地區、部分業務應用中還有明顯優勢。因此，在“一帶一路”氣象服務保障能力建設中，要注重頂層設計、統籌規劃、合理安排，兼顧當前應用和長遠發展需求，有效提高氣象投資效益和服務質量。