云南北斗三號氣象應急備份系統省級指揮機安裝應用

譚書航

（云南省氣象臺，云南昆明）

前言

在全球變暖的大背景下，極端天氣事件發生率提高，這就導致氣象數據傳輸的時效性、穩定性有較高的要求。各種自然災害的頻發，容易出現道路沖毀，電纜損壞的情況，極端天氣對穩定及時的氣象信息傳輸帶來了巨大挑戰，衛星通信技術能在惡劣的自然環境中使用[1]。當自然災害發生時，比如暴雨、山洪、泥石流，常常伴隨著地面寬帶線路中斷。衛星應急通信系統能夠確保氣象信息準確及時的傳輸，從而對各個部門做好氣象服務提供保障支撐。云南省地理環境復雜，山地多，海拔差異大，存在隔里不同天的情況，對預報員的要求極高，準確的天氣預報及預警離不開及時有效全面的臺站數據。

1 北斗三號導航衛星

世界四大衛星導航系統分別為美國的全球定位系統（GPS）、歐洲的伽利略衛星定位系統（Galileo）、俄羅斯的格洛納斯定位系統（GLONASS）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）。

導航系統中，星載原子鐘用于計量時頻（時間和頻率統稱為時頻）是導航系統的核心技術。星載原子鐘的性能直接決定著衛星定位、測速和授時功能的精度。北斗三號組網鐘采用一星兩鐘，同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘，采用原子鐘無縫切換技術[2]。

北斗三號系統是我國獨立自主設計建設的全球衛星導航系統，于2020 年7 月31 日建成并提供全球服務。北斗三號系統在提供定位導航授時服務外，還集成了星基增強和精密單點定位功能，具有高精度、高完好性，同時融合了通信數傳功能，實現全球、區域短報文通信及國際搜救服務。

2023 年5 月17 日10 時49 分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射第56 顆北斗導航衛星。增強了系統的可用性和穩健性，提升北斗衛星導航系統現有區域短報文通信容量三分之一，還有助于用戶實現快速高精度定位。

2 短報文傳輸

北斗區域短報文通信（regional short message communication,RMSC）技術是北斗三號衛星導航系統區別于其他導航系統的一項通信導航一體化融合特色服務，它通過雙向通信技術，以北斗三號衛星為中轉手段，根據地面站的調度規劃，將軍用用戶終端和民用用戶終端的消息發送至目標用戶終端。北斗一代系統利用兩顆地球靜止軌道衛星實現區域導航定位，它將導航定位、雙向數據通信和精密授時結合在一起，于2003 年底正式開通服務，解決了我國衛星導航系統的有無問題。這個系統能在中國及其周邊地區范圍內提供定位、授時、短報文通信和GPS 廣域差分服務。北斗二代第一期工程在2012 年完成建設完成，覆蓋我國全境，具備亞太地區區域服務能力，既提供類似于GPS 的開放服務，也保留了北斗一代的同時提供定位和通信的服務。“北斗三號”系統是全球首個融合導航、通信與儀器的衛星通信系統，具有雙向短報文通信功能。北斗三號系統區域短報文通信民用應用服務平臺是北斗三號系統的重要組成部分，作為國家服務基礎設施，對中國及覆蓋區國家和地區提供北斗短報文通信能力，服務國家戰略，保證國家資源的高效利用。其應用場景廣泛，可應用至電力水利、石油氣田、開采運輸、海洋漁業等業務領域，解決運輸、開采、重點人員監管不足，重要活動過程依賴國外衛星系統，緊急、偏遠地區信號架設不便等痛點需求[3]。目前北斗三代衛星導航系統已經能實現不同加密等級不同報文長度的區域短報文傳輸，見表1。

表1 區域短報文通信等級及電文長度說明

3 天線安裝

北斗三號應急備份系統主要包括臺站北斗終端、省級北斗指揮機、省級北斗平臺三部分。北斗終端安裝在有人站，從OSSMO/ISSO 軟件獲取國家站的各種報文（主要是地面bufr 文件），通過北斗衛星將報文回傳到省級平臺，進行直觀展示，數據統計，并推送到新一代通信系統。國家站與省級平臺之間可以通過北斗進行應急信息的交互。北斗指揮機分為主機和天線兩部分。主機和天線之間采用射頻線纜連接，天線置于樓頂。指揮機通過串口與服務器相連，長度不超過15 m。北斗指揮機有唯一的指揮機卡號，用于通信協議和數據傳輸。

4 軟件安裝

北斗省級平臺采用資源池服務器進行安裝，充分利用云平臺資源。使用linux 系統，采用B/S 架構設計，使用java 軟件開發。省級北斗平臺應用軟件主要分為JavaSE6.0 的安裝、Tomcat6 的安裝、MySQL 數據庫的安裝、配置本地串口動態鏈接庫、軟件文件夾的部署、設置軟件自啟動。使用WEB 瀏覽器訪問北斗衛星回傳的氣象數據，并生成BUFR 文件或其他文件，使用消息/FTP 方式將文件推送至用戶設置的地址。

5 氣象應急通信備份系統架構

北斗氣象通信終端應用于無人值守的自動氣象站、便攜自動氣象站中，作為一種穩定可靠的關鍵通信方式，將氣象數據采集器采集的氣象數據經過臺站isos 軟件處理，通過北斗衛星發送給省級北斗指揮機。北斗指揮機將接收到的臺站報文信息進行處理后，將數據送給中心站應用軟件進行報文的解碼，結構化顯示，再發送給省級通信系統CTS,提供給其他部門及單位作為天氣預報、應急減災的參考依據[4]，見圖1。

圖1 北斗氣象應急備份系統架構

6 北斗氣象應急通信系統傳輸流程

無人站臺站終端發送到省級北斗平臺的信息為入向信息，省級北斗平臺發送到北斗臺站終端的信息為出向信息，這是整個北斗平臺的信息傳輸流程，實現平臺和終端的雙向通信[2]。

入向信息主要是采集器通過臺站客戶端isos 軟件生成小時或者分鐘的bufr 格式文件或其他格式的文件，省級北斗平臺通過shbdpt-dataResend-2.1.3-SNAPSHOT.jar，shbdpt-parsingData-2.1.5-SNAPSHOT.jar，shbdpt-receiveData -2.1.4 -SNAPSHOT.jar，shbdpt -web -2.1.4-SNAPSHOT-exec.jar，springboot-composePackage-2.1.2-SNAPSHOT.jar 等java 程序將bufr 格式文件Z 文件txt 文件進行接收解碼入庫并結構化顯示各要素在平臺上，包括報文的臺站時間氣溫降水等要素。入向信息也包括臺站終端向省級平臺發送應急指令。

出向信息主要有省級北斗平臺向臺站終端發送未到報數據，作為地面網絡傳輸的備份；向北斗終端發送應急指令確保應急通信；發送采集器指令進行一系列操作。

整個平臺的信息流程，見圖2。

圖2 系統傳輸流程

7 省級北斗平臺介紹

省級北斗平臺主要分為臺站管理、數據管理、監控信息、應急信息、日志管理、配置管理、用戶權限管理七個主要模塊，每個模塊又分為各個不同功能的子模塊。臺站管理模塊分為站點地圖顯示、站點基本信息、站點設備信息，可以顯示省內站點位置，站點設備狀態，北斗終端詳情。數據管理可以顯示國家站到報時間、到報信息統計；區域站到報時間、到報信息統計，同時還有未到報補報幀的功能。可以對歷史整點數據進行補錄。

監控信息可以監控設備異常、數據異常并進行告警。應急信息是北斗三號衛星應急備份系統的重要功能，可以實現與臺站的北斗終端的互通，同時具有組播通播功能。能夠接收所有臺站的應急信息進行應答，同時對所有臺站終端一鍵發送應急指令。通過日常巡檢及汛期前測試可有效保障臺站報文傳輸及應急信息互通。

北斗平臺具有科學的用戶管理功能，能夠給不同的用戶不同的權限，本省的用戶按州市進行劃分，還能設置不同的角色進行權限管理。

8 北斗三號應急備份系統優點

8.1 國產自主可控

北斗三號衛星導航系統是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，獨立自主建設、穩定運行的國家重要空間基礎設施。建設過程中始終堅持走自主創新發展道路，自研百余種宇航級器部件，核心器部件完全自主可控[6]。

8.2 覆蓋范圍廣

北斗一號系統覆蓋范圍為北緯5 度至55 度、東經70 度至145 度，覆蓋中國大陸所有地區和海區。北斗二號覆蓋亞太地區，服務區域為南北緯55 度，東經55 度-180 度的區域。北斗二號衛星導航系統是一個區域導航定位系統。北斗衛星三號：2017 年開始，開始發射北斗三號全球導航定位系統衛星。2018 年完成了一帶一路國家的信號覆蓋。到2020 年，實現了全球覆蓋。這標志著我國獨立自主研發的，適合我國國情的全球衛星定位系統，邁進全球服務新時代。

8.3 可靠性高

北斗系統的衛星經過精心的設計，以適應太空環境下的高溫、低溫、輻射和真空等極端條件。衛星的結構、材料和組件都經過嚴格的測試和驗證，以確保其能夠正常運行并抵御外界干擾。

為了提高系統的可靠性，北斗系統采用了多顆衛星進行組網，以確保即使某顆衛星發生故障，仍然能夠提供穩定的導航服務。此外，系統還配置有備份地面站和冗余通信鏈路，以應對可能的故障和干擾情況。受地形和氣候影響小，尤其低緯度地區性能特點更為明顯。

8.4 兼容性

北斗三號指揮機兼容北斗二號終端和北斗三號終端，可以實現不同終端的數據接收指令控制。

9 常見故障處理

北斗三號指揮機兼容北斗二號終端，在與北斗二號臺站終端進行互通的過程中，無法獲取數據的情況下，查看終端，顯示文件未找到是一種較為常見的狀況。

經過平臺管理員的檢查和臺站的確認，在其他回復內容為文件未找到的情況下，需要臺站工作人員打開isos軟件，選擇參數設置導航欄下面的自定項目參數選框，見圖3 和圖4。

圖3 臺站isos 軟件選項卡

圖4 isos 軟件報文發送參數設置

在參數設置選項頁面勾選是否發送選項卡，然后在運行日志里檢查整點報文是否發送，見圖5。

圖5 修改后臺站報文終端發送成功顯示

再在平臺的臺站終端查詢日志進行檢查，看是否有整點bufr 報文發送記錄，如果修改后整點查詢有該站號bufr 格式報文發送記錄，登錄平臺進行終端查詢，其他恢復內容沒有提示文件未找到，說明修改正確。

10 結論

北斗三號指揮機的應用確保了只通過北斗傳輸的無人站的bufr 格式的氣象數據傳輸，保證在環境復雜惡劣的地方不會出現氣象信息盲點。同時對于其他北斗平臺的國家站和區域站bufr 格式數據作為氣象專網傳輸的備份，在山洪、泥石流等突發事件道路損毀網絡中斷的情況下加了保險。基于北斗短報文的雙向通信保證了應急信息的雙向傳輸。平臺提供的多種功能方便實現對采集器的控制。氣象應急備份系統的建設為我省的氣象信息傳輸提供保障支撐。