基于北斗卫星的气象数据传输系统设计

张维嘉

（中国民用航空华东地区空中交通管理局，上海 200335）

北斗卫星导航系统是由我国自主研发的卫星导航系统，该系统包括民用功能和军用功能。民用部分集成了导航、定位、定时、报文通信及气象监测等多种应用功能。对于气象监测功能来说，报文通信是它的支撑性技术[1-2]。报文通信系统在气象监测、地质探测、水文及海洋探测等领域均有着广泛的应用。

对于气象信息来说，实时性是其最为重要的特点之一。传统的气象信息传递方式是由各地区的人工天气观测点通过高频电台进行传递，进而将天气信息散播到全国。虽然我国气象预警系统的覆盖面较为广泛，但传统的气象预警形式仍存在覆盖地区受限、发布时间延后等问题。北斗卫星的监测范围可覆盖我国全境，且卫星通信几乎无延时。卫星系统的通信方式为报文通信，这种方式类似于基站向手机发送短信，可实现大范围、多用户的实时气象预警，因此有必要对卫星气象数据通信进行深入研究。

目前，气象卫星的通信仍存在诸多难点。首先，卫星通信的数据传输速度较低，因此报文的长度与传输容量均受到了一定的限制。由数据统计分析结果可知，支持北斗卫星的气象设备终端对于报文的传输速度是1 次/min，每个报文约有100 Byte的数据。而当多个终端同时请求数据时，会产生数据积压，从而降低气象信息发布效率[3]；其次，北斗卫星信息通报范围大，导致气象信息冗余较多[4]，所以终端也会收到较多的无用信息；最终，当气象预警数据包的总量较大时，北斗卫星的单包数量会增多，进而引发丢包的风险。因此该文通过对气象卫星的数据通信过程进行分析，优化通信流程，解决了目前气象卫星通信传输中遇到的问题，并使用实际系统对所提方法的可靠性进行了测试。

1 系统架构

1.1 双机通信系统

自动气象站使用双机通信系统，双机通信流程图如图1 所示。自动气象站设备将气象信息进行加密，由终端的用户机发送至北斗卫星，再发送到地面的卫星总站，总站将此信息加密传播到北斗卫星的指挥机，最终指挥机再将数据传送到数据中心进行处理。由此可见，完成一次气象的加密传输共需要4次中转。由于卫星的工作频段与当前移动通信及WiFi 频段有部分重合，因此信号可能会受到干扰，单指挥机系统无法保证数据的准确性[5-6]。文中所提架构方案使用了两个指挥机，由副指挥机对主指挥机接收的数据进行监听，从而保证数据的准确性，保证气象数据不会丢帧、漏帧，但是这种处理方式会额外多出一条接收链路。

图1 双机通信流程图

1.2 系统运行规则

双机系统的具体运行流程：主指挥机和自动气象站构成传统的指挥机数据传输栈群。气象站终端群内部包含指挥机的通话ID，终端机与指挥机之间使用点对点的方式进行通信。在接收到终端机的报文后，主指挥机对报文进行ID 加密和CRC 校验。校验完成后，传输至数据处理服务器。主服务器对加密报文进行解析，并将报文发送至数据监控中心。同时主指挥机也会向终端机发出指令进行数据校验，此外系统还拥有获取终端机的位置、随时查看报文等其他功能。

副指挥机的实质是主指挥机用户群的上位机，数据的具体传输关系如图2 所示。副指挥机可以接收到主指挥机的所有信息，在接收到信息后，将报文信息发送至数据处理服务器B，且服务器上部署了数据处理系统，即副指挥机对下属系统可单独发送命令。在实际使用过程中，通常利用双指挥机的信息互补功能进行灵活安排，同时要兼顾地理和天气原因。两台指挥机可以选择信息互补的两个位置，以实现双机系统资源利用的最大化。

图2 指挥机从属关系

2 通信参数与报文设置

2.1 通信传播次数设置

指挥机用户群对气象数据进行反复多次的通信可以增加数据包的校验次数，而校验次数越多，数据的准确度也越高。但数据传输次数的增加也意味着所占用卫星信道资源的数量更大，因此需要对数据的传输次数进行估计。

数据传输成功的概率为[7]：

假设单次传输的成功率为σ，若需要总体的传输成功率大于σ，则传输次数应满足式（2）[8]：

对式（2）进行求解可得：

2.2 报文设置

该次报文传输采用定长模式和混合编码样式[9-10]。数据参数和数据长度的格式如表1 所示。ASCII 码具有易读性强的特点，数据参数使用ASCII 进行编码，数据内容使用16 进制数传输。同时报文还包括了气象站的电压和故障灯信息，这样可以对气象站的工作状态进行推断。报文使用CRC的校验方式，使用两级校验的方式确保最终报文的准确性。

表1 报文格式

由目前的气象数据观测规范可知，气象站终端通常接收气象数据的周期为5 min。因此在用户集群完成1 min的发送时延后，仍有4 min的发射空白期。而由于电磁信号干扰、天气波动等的影响，单次报文的稳定性较差。所以在该文方案中，设计了报文重发系统，即在用户机4 min 发射空白期进行报文重发。第一次和第二次发送报文的标志分别为1、2，若第一条报文正常接收同时校验通过，则放弃第二条报文；若第一条报文无法正常接收同时校验不通过，则使用第二条报文。报文重发对报文准确识别率有较大的影响，具体影响效果如表2 所示。由表2可以看出，在某个时间段内，单报文的接收成功率并不稳定，而报文多次重发系统的理论成功率均在95%以上，准确率提升较为明显。

表2 报文重发对报文准确识别率的影响

2.3 报文ID传播设计方法

如上文所述，用户集群有1 min的发送时延。若要连续发送数据包，则需要一定的时延。而文中使用的是双指挥机架构，因此需要对报文传播ID 进行合理的调度。

对于一般的气象数据发送系统而言，报文传播ID 数量与传播速度成正比。这里假定T为指挥机的发送频率，通常要求T≥τ。τ是发送时延常数，则Tmax即可定义为指挥机发送数据的最长时间。

假设终端机接收到第一条气象数据报文所需的时间为τ，则第二条报文的接收时间为τ+T，第n条报文接收所需的时间为τ+nT-T。假定第一条报文的数据长度为N，传播次数为M，则报文的传播条数为M×N。而每台指挥机转发的最大传播条数为M×N/2，单台指挥机的最大传播时间为τ+（M×N/2）T-T。

由此可见，当传播时间大于等于Tmax时，卫星传播ID 数量需要满足下式：

在式（4）中，传播次数K*从式（3）求得，由数据包传播的成功率、数据包长度及传播失败率共同决定。

根据具体气象终端设置的不同，ID 转发次数有以下两种计算方式：

1）当气象数据单包发送时间小于空闲时间时，指挥机群下达的命令必须要在空闲时间内完成数据单包的传输，此时传播ID的数量为：

2）当气象数据单包发送时间大于空闲时间长度时，指挥机群可转播多个数据包，将这些数据包传输完的最少ID 数量为：

由于实际情况的复杂多变，有时也可以将数据的总长度作为数据的输入端。

2.4 报文传输指标

验证气象卫星数据传输系统性能最重要的参数是通信传输成功率和报文通信时延[11-13]。通信传输成功率φˉ可由式（7）定义：

其中，φˉ为气象通信传输成功率，Seff为发送的卫星数据包总数，Reff为接收的卫星数据包总数。报文通信时延为卫星报文延迟指标，计算公式为：

在式（8）中，n为收发数据包的个数，T2i为第i个数据包的接收时间，T1i为第i个数据包的发送时间。

通常认为传输时延置信度在95%以上为合格的置信水平。因此，传输时延的统计学置信区间应满足式（9）：

3 系统通信测试

3.1 测试步骤

该文测试步骤：在测试服务器中按照2.2 节中的格式要求对报文信息进行随机生成，并以文中优化好的传播ID 和信道发送到指挥机平台。然后，指挥机系统按照不同的数据大小，根据不同的发送频率将报文发送至卫星的地面用户终端群。传送到用户终端群后，向所有其他用户进行广播，并将收到的报文进行保存。在数据中心服务器中进行报文校验，生成报文通信准确率和卫星报文延迟指标结果。

3.2 测试数据集

根据上文中的测试流程，随机生成报文数据。生成的数据集由两部分组成，分别为数据传输成功检验数据集和传输时延数据集。数据传输成功数据集由7 个子集合组成，集合单个报文长度为1～7 个单位数据长度，该长度覆盖了北斗卫星的数据接收范围。该文实验测试发送的数据包合集共计10.2 万条，各类测试数据包的详情如表3 所示。

表3 数据包详情

3.3 测试结果

该文使用数据传输成功的检验数据集进行统计验证计算。使用数据子集合1 进行验证，数据子集合1 中的数据报文总数为31 205 条，各种实验方法的测试结果如表4 所示。经过实验筛选去重，最终发送了31 152 条数据，成功接收数据29 851 条，数据的传输成功率为95.8%。实验结果表明，文中搭建的双指挥机系统的报文发送数量及质量均超过传统单机北斗卫星通信系统。

表4 数据包传输成功率

最后进行数据传输时延的计算，使用传输时延数据集进行综合测试。根据式（8）计算得到文中的报文通信时延为3.2 s，而平均时延中还包含了电磁波在空气中的传导时间[14-16]。此次实验共上星两次，数据传递4 次，计算可得传导时间为0.4 s，因此其他器件的系统传输时间为2.8 s。将计算得到的时延统计方差值代入式（9），可以得到传输时延置信度均在95%～100%置信区间内，样本测试满足数据时延的要求。

4 结束语

传统气象信息传递方式为各地区天气观测点通过高频电台进行天气信息的人工传递，卫星通信的出现大幅提高了气象信息的发送效率。文中设计了气象卫星的数据通信系统，优化了气象卫星的通信流程，并建立了双指挥机的气象数据传输系统。系统中副指挥机对主指挥机接收的数据进行监听，由此确保了数据的准确性。同时对报文的传输次数进行优化，使用双报文系统进行通信，进而保证了系统的通信准确率。实验测试结果证明，所设计系统的综合性能完全可以满足气象数据的通信需求。