基于國內氣象通信系統CTS2.0的氣象數據傳輸

黃麗娜

關鍵詞：國內氣象通信系統CTS2.0；北斗衛星；文件傳輸；流傳輸

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0069-03

1 引言

氣象通信發展大致經歷了四個階段：無線莫爾斯通信、電傳和傳真廣播通信、電子計算機簡單通信、計算機網絡化通信。氣象信息化發展也大致經歷了傳統通信、計算機通信、信息網絡、以互聯網應用為代表的數據驅動業務創新模式[1]。

9210工程是覆蓋全國的大型氣象通信網絡工程，于1999年正式業務運行。9210工程建成了空中與地面相結合、專網與公網相結合，以衛星通信為主、以地面通信為輔，以專網為主、公網為輔，集中控制、分級管理的氣象信息網絡系統[2]。

隨著氣象事業的快速發展，各種探測手段的應用，氣象資料種類和數量不斷增加，日傳輸數據已超過40GB[3]，數據傳輸時效和質量要求不斷提高，充分利用地面通信網絡和衛星廣播通信的各自優勢，實現對多種類、高頻次、大容量、多協議的氣象資料高時效傳輸。由于地面通信網絡帶寬迅速提高，經過不斷調整，成為上行數據傳輸的主要鏈路。衛星廣播通信在9210工程建成初期，占據主力地位，肩負上行、下行數據傳輸兩項任務，現轉變為只負責下行數據傳輸。

2 國內氣象通信系統CTS2.0

氣象通信系統承擔氣象觀測資料、預報預測產品、服務產品收集和分發，是連接氣象綜合觀測系統、預報預測系統、公共服務系統的橋梁，是支撐氣象各業務系統運行和開展科學研究工作的基礎系統，其技術水平很大程度上反映了氣象現代化、信息化發展水平。

國內氣象通信系統CTS1.0于2016年4月正式業務運行，是基于FTP文件傳輸的通信系統，氣象預報服務產品收集時效可達到10分鐘，觀測數據收集時效可達到分鐘級。隨著氣象綜合觀測、預報預測、公共服務等各項業務的迅速發展，氣象數據的種類、頻次、數量逐漸增加，關鍵業務數據的觀測采集頻次達到分鐘級，各類數據按需共享需求日益迫切，基于FTP文件傳輸的CTS1.0難以完全滿足業務發展需求。

國內氣象通信系統CTS2.0于2019年1月投入業務運行，采用分層結構和模塊化設計，構建了具備數據收集、數據緩存、數據處理、數據發送、交換控制、數據補調、傳輸監視、系統管理、用戶管理等功能的數據傳輸交換系統。CTS2.0實現了與氣象觀測數據源端的有機銜接，可靠保障了數據通信的規范和高效，繼承并優化了CTS1.0原有FTP文件傳輸功能，增加了對消息數據和流數據的收發和處理功能，實現了對文件、消息和流數據的交換控制，能夠支持多種類、高頻次、大容量、多協議的氣象資料的及時高效傳輸。CTS2.0實現了臺站、市級、省級、國家級數據不落地吞吐和交換，使數據通信業務全流程更為高效快捷。CTS2.0建立了以元數據驅動的全局數據交換控制機制，實現了基于元數據的數據發現和數據訂閱，提升了省際數據共享能力。

3 氣象數據傳輸

氣象數據傳輸主要是通過通信系統收集各氣象觀測臺站、氣象臺以及省際交換、全國（球）交換等數據，將其分發至預報、科研、服務等用戶的全過程。氣象數據傳輸主要傳輸調度任務由省級國內氣象通信系統CTS2.0執行，系統收集到數據后，向中國氣象局、用戶單位、省級全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）等目的主機進行分發。氣象數據傳輸包含兩個主要傳輸過程上行數據傳輸和下行數據傳輸。氣象數據傳輸流程如圖1所示。

3.1 上行數據傳輸

上行數據主要分為8個種類，分別為地面氣象資料（SURF） 、高空氣象資料（UPAR） 、氣象輻射資料（RADI） 、農業氣象和生態氣象資料（AGME） 、大氣成分資料（CAWN） 、氣象雷達資料（RADA） 、氣象服務產品資料（SEVP） 、智能網格預報產品。

3.1.1 上行數據傳輸鏈路

上行數據傳輸依托于氣象寬帶網、互聯網、北斗衛星通信鏈路，氣象寬帶網為主要傳輸鏈路，互聯網、北斗衛星通信為備份傳輸鏈路，當氣象寬帶網故障時，可通過互聯網、北斗衛星通信進行數據傳輸。上行數據傳輸鏈路如圖2所示。

氣象寬帶網（CMANet） 是中國氣象局為連通全國各省氣象局建設的全國范圍地面通信網絡，承擔著國家級和省級氣象部門間的數據通信網絡傳輸任務。內蒙古自治區氣象寬帶網由自治區、盟市、旗縣三級組成，使用運營商提供的MSTP、PTN鏈路實現三級廣域網互聯。自治區氣象局接入端采用雙路由及雙鏈路，利用網絡設備堆疊及服務質量（QoS） 等相關技術，使雙路由及雙鏈路共同承擔視頻和數據傳輸任務，實現業務分流以及應急熱備的工作模式。自治區氣象局通過聯通MSTP、移動PTN鏈路連接至各盟市，達到雙鏈路視頻數據業務分流以及負載均衡的需求。盟市氣象局分別配備兩臺接入路由器，避免了設備單點故障影響通信網絡，以達到網絡熱備冗余的效果。

北斗衛星通信系統通過北斗報文通信鏈路自動收集氣象觀測臺站采集的氣象數據實時同步傳輸到各省級氣象信息中心，實現了常規地面資料的應急傳輸功能。北斗衛星通信系統由自治區級中心站管理系統、臺站終端系統組成，其中自治區級中心站管理系統包括北斗指揮機、服務器、中心站管理系統軟件，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[4]。北斗衛星通信具有信號覆蓋范圍廣，信息傳輸時效性強，信道保密性強，并可為氣象監測網提供統一時間基準和位置服務信息等優點。

3.1.2 氣象數據傳輸方式

氣象數據傳輸方式分為FTP 文件傳輸、消息傳輸、流傳輸三種傳輸方式。區域站、無人站、交通站、土壤水分站等氣象采集數據通過GPRS移動通信自動上傳至自治區級中心站，生成報文通過FTP文件傳輸方式傳輸至省級國內氣象通信系統CTS2.0。氣象服務產品、雷達產品、高空等資料也是通過FTP文件傳輸方式傳輸至CTS2.0。國家站、輻射、酸雨等BUFR格式的氣象資料通過消息傳輸方式傳輸至CTS2.0。雷達基數據通過流傳輸方式傳輸至CTS2.0。

FTP文件傳輸是指依托國內氣象通信系統，基于文件傳輸協議，將不同臺站產生的數據按照不同的配置策略傳送到不同的用戶。FTP文件傳輸協議是一套工作在TCP 模型的應用層上進行文件傳輸的標準協議，允許用戶以文件操作的方式如上傳文件、下載文件、創建目錄等與遠端計算機進行通信，而非直接登錄遠端計算機成為完全用戶，實現文件可靠高效傳輸，進而提高文件的共享性。

消息傳輸是指依托國內氣象通信系統基于消息隊列機制，將不同臺站產生的數據通過消息代理服務器按照路由指向放入不同的消息隊列，從而高效可靠地傳送至接收者。消息傳輸由臺站級、省級、國家級三級組成，臺站傳輸客戶端通過文件接口目錄從地面綜合觀測業務軟件獲取BUFR格式數據文件，將數據文件封裝成消息，將消息上傳至省級消息服務器，原始觀測數據在自治區級經過快速質控后，由CTS2.0將質控后的觀測數據消息傳輸至國家級、自治區級CIMISS數據環境，同時落地保護。

流傳輸是指依托國內氣象通信系統，基于TCP/IP協議，將不同臺站產生的數據通過數據流傳輸功能向國家級不落地轉發。數據流提供了一種可靠高效的、面向連接的雙向數據傳輸服務，實現了數據無差別、無重復發送，適用于發送大批量的數據或者對數據傳輸有較高要求的場景。

3.2 下行數據傳輸

下行資料傳輸主要通過衛星廣播系統（CMACast）下發、地面寬帶網下載、國省協同下發三種方式。

衛星廣播系統（CMACast） 下發方式是指通過接收天線獲取衛星廣播數據，接收機轉發給CTS2.0通信系統，再由CTS2.0通信系統分發到CIMISS入庫及其他目的主機。CMACast下發主要數據為全國（球）范圍的地面、高空、輻射、農氣、海洋、雷達、衛星、數值、融合分析產品、再分析產品等資料。

地面寬帶網下載方式是指基于定時任務，從中國氣象局實時資料共享平臺下載相關資料至省級數據共享平臺，直接為預報、科研等用戶提供服務。寬帶網下載主要數據為包括NCEP、T639、GRAPS、葵花8號衛星等資料。

國省協同下發方式是指基于消息通知的，通過地面寬帶網和國省CTS2.0通信系統下發到省級信息中心，省級信息中心存入數據環境后為用戶提供服務。國省協同下發主要數據為國家級網格預報指導產品、二/三源融合降水分析產品、三維云融合分析實時產品、智能網格實況分析產品等資料。

3.2.1 衛星廣播系統（CMACast）

CMACast 是中國氣象局新一代衛星廣播系統，2012 年6 月正式投入業務運行，基于國際領先的DVB-S2數字衛星廣播標準，使用C波段衛星轉發器，很大程度上擴展了氣象數據廣播的種類及數量，提升了氣象數據分發的實時性及可信性。CMACast 衛星廣播系統與歐洲中心EUMETCast、美國GEONETCast組成全球對地觀測信息傳播系統[5]。

CMACast衛星廣播系統由衛星轉發器、國家級衛星廣播主站、氣象部門以及非氣象部門用戶衛星接收站組成。衛星廣播主站按照預定的播發策略，對數據及流媒體進行編碼加密后形成IP組播流，經過IP封裝后，按照數字衛星廣播標準DVB-S2進行調制后，進入衛星信道進行廣播。在衛星接收站端，基于DVB-S2標準的衛星接收機將衛星信道上的廣播數據傳輸至數據接收服務器，進而推送至數據存儲服務器。CMA?Cast衛星廣播系統具有星型組網架構如圖3所示。

CMACast廣播通道劃分為16個通道組，每個通道組包含1個或多個通道。16個通道組分別為應急通道組、警報通道組、常規資料通道組、國內自定義格式觀測資料通道組、數值預報產品通道組、天氣雷達資料通道組、衛星資料通道組、預報服務產品通道組、其他資料通道組、省通道組、部門外通道組、國外通道組、業務通知通道組、EUMETSAT通道組、氣象頻道、電視會商系統直播。

3.2.2 國省協同下發

為了快速便捷地向省級氣象部門提供智能網格實況分析產品、三維云融合分析實時產品等氣象數據，中國氣象局氣象信息中心設計了基于消息通信進行數據下載的新流程，并根據新流程組織開發了相關程序。

目前，程序已經能夠實現國省之間消息通信、國家級數據授權、省級數據訂閱等功能。國家級系統服務端發布實時數據共享服務，省級部署系統客戶端，當授權訂閱的數據到達國家級設定位置后，國家級服務端向省級客戶端發送數據到達通知，由省級客戶端從國家級下載對應資料，并通過省級通信系統接入省級數據環境[6]。

4 結束語

國內氣象通信系統CTS2.0實現了對文件、消息和流數據的交換控制，能夠支持多種類、高頻次、大容量、多協議的氣象資料的及時高效傳輸。隨著地面通信網絡帶寬不斷增加及衛星廣播通信不斷進步，地面通信網絡與衛星廣播通信相融合，并由CTS2.0執行氣象數據傳輸調度任務，構建了可靠高速的氣象數據綜合通信傳輸系統，保障了氣象數據及時穩定可靠傳輸。