基于北斗衛星的氣象數據傳輸系統設計

張維嘉

（中國民用航空華東地區空中交通管理局，上海 200335）

北斗衛星導航系統是由我國自主研發的衛星導航系統，該系統包括民用功能和軍用功能。民用部分集成了導航、定位、定時、報文通信及氣象監測等多種應用功能。對于氣象監測功能來說，報文通信是它的支撐性技術[1-2]。報文通信系統在氣象監測、地質探測、水文及海洋探測等領域均有著廣泛的應用。

對于氣象信息來說，實時性是其最為重要的特點之一。傳統的氣象信息傳遞方式是由各地區的人工天氣觀測點通過高頻電臺進行傳遞，進而將天氣信息散播到全國。雖然我國氣象預警系統的覆蓋面較為廣泛，但傳統的氣象預警形式仍存在覆蓋地區受限、發布時間延后等問題。北斗衛星的監測范圍可覆蓋我國全境，且衛星通信幾乎無延時。衛星系統的通信方式為報文通信，這種方式類似于基站向手機發送短信，可實現大范圍、多用戶的實時氣象預警，因此有必要對衛星氣象數據通信進行深入研究。

目前，氣象衛星的通信仍存在諸多難點。首先，衛星通信的數據傳輸速度較低，因此報文的長度與傳輸容量均受到了一定的限制。由數據統計分析結果可知，支持北斗衛星的氣象設備終端對于報文的傳輸速度是1 次/min，每個報文約有100 Byte的數據。而當多個終端同時請求數據時，會產生數據積壓，從而降低氣象信息發布效率[3]；其次，北斗衛星信息通報范圍大，導致氣象信息冗余較多[4]，所以終端也會收到較多的無用信息；最終，當氣象預警數據包的總量較大時，北斗衛星的單包數量會增多，進而引發丟包的風險。因此該文通過對氣象衛星的數據通信過程進行分析，優化通信流程，解決了目前氣象衛星通信傳輸中遇到的問題，并使用實際系統對所提方法的可靠性進行了測試。

1 系統架構

1.1 雙機通信系統

自動氣象站使用雙機通信系統，雙機通信流程圖如圖1 所示。自動氣象站設備將氣象信息進行加密，由終端的用戶機發送至北斗衛星，再發送到地面的衛星總站，總站將此信息加密傳播到北斗衛星的指揮機，最終指揮機再將數據傳送到數據中心進行處理。由此可見，完成一次氣象的加密傳輸共需要4次中轉。由于衛星的工作頻段與當前移動通信及WiFi 頻段有部分重合，因此信號可能會受到干擾，單指揮機系統無法保證數據的準確性[5-6]。文中所提架構方案使用了兩個指揮機，由副指揮機對主指揮機接收的數據進行監聽，從而保證數據的準確性，保證氣象數據不會丟幀、漏幀，但是這種處理方式會額外多出一條接收鏈路。

圖1 雙機通信流程圖

1.2 系統運行規則

雙機系統的具體運行流程：主指揮機和自動氣象站構成傳統的指揮機數據傳輸棧群。氣象站終端群內部包含指揮機的通話ID，終端機與指揮機之間使用點對點的方式進行通信。在接收到終端機的報文后，主指揮機對報文進行ID 加密和CRC 校驗。校驗完成后，傳輸至數據處理服務器。主服務器對加密報文進行解析，并將報文發送至數據監控中心。同時主指揮機也會向終端機發出指令進行數據校驗，此外系統還擁有獲取終端機的位置、隨時查看報文等其他功能。

副指揮機的實質是主指揮機用戶群的上位機，數據的具體傳輸關系如圖2 所示。副指揮機可以接收到主指揮機的所有信息，在接收到信息后，將報文信息發送至數據處理服務器B，且服務器上部署了數據處理系統，即副指揮機對下屬系統可單獨發送命令。在實際使用過程中，通常利用雙指揮機的信息互補功能進行靈活安排，同時要兼顧地理和天氣原因。兩臺指揮機可以選擇信息互補的兩個位置，以實現雙機系統資源利用的最大化。

圖2 指揮機從屬關系

2 通信參數與報文設置

2.1 通信傳播次數設置

指揮機用戶群對氣象數據進行反復多次的通信可以增加數據包的校驗次數，而校驗次數越多，數據的準確度也越高。但數據傳輸次數的增加也意味著所占用衛星信道資源的數量更大，因此需要對數據的傳輸次數進行估計。

數據傳輸成功的概率為[7]：

假設單次傳輸的成功率為σ，若需要總體的傳輸成功率大于σ，則傳輸次數應滿足式（2）[8]：

對式（2）進行求解可得：

2.2 報文設置

該次報文傳輸采用定長模式和混合編碼樣式[9-10]。數據參數和數據長度的格式如表1 所示。ASCII 碼具有易讀性強的特點，數據參數使用ASCII 進行編碼，數據內容使用16 進制數傳輸。同時報文還包括了氣象站的電壓和故障燈信息，這樣可以對氣象站的工作狀態進行推斷。報文使用CRC的校驗方式，使用兩級校驗的方式確保最終報文的準確性。

表1 報文格式

由目前的氣象數據觀測規范可知，氣象站終端通常接收氣象數據的周期為5 min。因此在用戶集群完成1 min的發送時延后，仍有4 min的發射空白期。而由于電磁信號干擾、天氣波動等的影響，單次報文的穩定性較差。所以在該文方案中，設計了報文重發系統，即在用戶機4 min 發射空白期進行報文重發。第一次和第二次發送報文的標志分別為1、2，若第一條報文正常接收同時校驗通過，則放棄第二條報文；若第一條報文無法正常接收同時校驗不通過，則使用第二條報文。報文重發對報文準確識別率有較大的影響，具體影響效果如表2 所示。由表2可以看出，在某個時間段內，單報文的接收成功率并不穩定，而報文多次重發系統的理論成功率均在95%以上，準確率提升較為明顯。

表2 報文重發對報文準確識別率的影響

2.3 報文ID傳播設計方法

如上文所述，用戶集群有1 min的發送時延。若要連續發送數據包，則需要一定的時延。而文中使用的是雙指揮機架構，因此需要對報文傳播ID 進行合理的調度。

對于一般的氣象數據發送系統而言，報文傳播ID 數量與傳播速度成正比。這里假定T為指揮機的發送頻率，通常要求T≥τ。τ是發送時延常數，則Tmax即可定義為指揮機發送數據的最長時間。

假設終端機接收到第一條氣象數據報文所需的時間為τ，則第二條報文的接收時間為τ+T，第n條報文接收所需的時間為τ+nT-T。假定第一條報文的數據長度為N，傳播次數為M，則報文的傳播條數為M×N。而每臺指揮機轉發的最大傳播條數為M×N/2，單臺指揮機的最大傳播時間為τ+（M×N/2）T-T。

由此可見，當傳播時間大于等于Tmax時，衛星傳播ID 數量需要滿足下式：

在式（4）中，傳播次數K*從式（3）求得，由數據包傳播的成功率、數據包長度及傳播失敗率共同決定。

根據具體氣象終端設置的不同，ID 轉發次數有以下兩種計算方式：

1）當氣象數據單包發送時間小于空閑時間時，指揮機群下達的命令必須要在空閑時間內完成數據單包的傳輸，此時傳播ID的數量為：

2）當氣象數據單包發送時間大于空閑時間長度時，指揮機群可轉播多個數據包，將這些數據包傳輸完的最少ID 數量為：

由于實際情況的復雜多變，有時也可以將數據的總長度作為數據的輸入端。

2.4 報文傳輸指標

驗證氣象衛星數據傳輸系統性能最重要的參數是通信傳輸成功率和報文通信時延[11-13]。通信傳輸成功率φˉ可由式（7）定義：

其中，φˉ為氣象通信傳輸成功率，Seff為發送的衛星數據包總數，Reff為接收的衛星數據包總數。報文通信時延為衛星報文延遲指標，計算公式為：

在式（8）中，n為收發數據包的個數，T2i為第i個數據包的接收時間，T1i為第i個數據包的發送時間。

通常認為傳輸時延置信度在95%以上為合格的置信水平。因此，傳輸時延的統計學置信區間應滿足式（9）：

3 系統通信測試

3.1 測試步驟

該文測試步驟：在測試服務器中按照2.2 節中的格式要求對報文信息進行隨機生成，并以文中優化好的傳播ID 和信道發送到指揮機平臺。然后，指揮機系統按照不同的數據大小，根據不同的發送頻率將報文發送至衛星的地面用戶終端群。傳送到用戶終端群后，向所有其他用戶進行廣播，并將收到的報文進行保存。在數據中心服務器中進行報文校驗，生成報文通信準確率和衛星報文延遲指標結果。

3.2 測試數據集

根據上文中的測試流程，隨機生成報文數據。生成的數據集由兩部分組成，分別為數據傳輸成功檢驗數據集和傳輸時延數據集。數據傳輸成功數據集由7 個子集合組成，集合單個報文長度為1～7 個單位數據長度，該長度覆蓋了北斗衛星的數據接收范圍。該文實驗測試發送的數據包合集共計10.2 萬條，各類測試數據包的詳情如表3 所示。

表3 數據包詳情

3.3 測試結果

該文使用數據傳輸成功的檢驗數據集進行統計驗證計算。使用數據子集合1 進行驗證，數據子集合1 中的數據報文總數為31 205 條，各種實驗方法的測試結果如表4 所示。經過實驗篩選去重，最終發送了31 152 條數據，成功接收數據29 851 條，數據的傳輸成功率為95.8%。實驗結果表明，文中搭建的雙指揮機系統的報文發送數量及質量均超過傳統單機北斗衛星通信系統。

表4 數據包傳輸成功率

最后進行數據傳輸時延的計算，使用傳輸時延數據集進行綜合測試。根據式（8）計算得到文中的報文通信時延為3.2 s，而平均時延中還包含了電磁波在空氣中的傳導時間[14-16]。此次實驗共上星兩次，數據傳遞4 次，計算可得傳導時間為0.4 s，因此其他器件的系統傳輸時間為2.8 s。將計算得到的時延統計方差值代入式（9），可以得到傳輸時延置信度均在95%～100%置信區間內，樣本測試滿足數據時延的要求。

4 結束語

傳統氣象信息傳遞方式為各地區天氣觀測點通過高頻電臺進行天氣信息的人工傳遞，衛星通信的出現大幅提高了氣象信息的發送效率。文中設計了氣象衛星的數據通信系統，優化了氣象衛星的通信流程，并建立了雙指揮機的氣象數據傳輸系統。系統中副指揮機對主指揮機接收的數據進行監聽，由此確保了數據的準確性。同時對報文的傳輸次數進行優化，使用雙報文系統進行通信，進而保證了系統的通信準確率。實驗測試結果證明，所設計系統的綜合性能完全可以滿足氣象數據的通信需求。