船载自动气象站通信问题与对策分析

王佳明，李旭杰，宋吉霞，陈庆亮

(1.威海市气象局，威海264200；2.山东省气象局大气探测技术保障中心，济南250031)

0 引言

船载自动气象站(以下简称船载站)，是指安装在船舶上的自动气象站，在船舶航线上自动开展气象观测，能将实时观测数据按设定频次上传到陆上数据中心。船载站“观测场”的通信环境与陆上自动气象站不同，他是随船舶移动而不断发生变化的。在不同海区，船载站数据上传有时会因其处在通信信号盲区或信号受干扰而失败，导致陆上数据中心数据接收不全。

目前数量不多、数据上传又受通信条件影响的船载站，获取有限的海洋气象观测资料还不能为海上生产、交通运输、海洋气象预报预警及气候研究提供有效的数据支撑；因此开展船载站数据传输问题研究，解决其数据上传到报率不高问题，对丰富海洋气象观测资料具有积极意义。

1 船载站数据传输方式及存在的问题

2018年以前，在全国气象系统投入运行的船载站数据传输只能采用GPRS/3G/4G、北斗卫星[1]或国际海事卫星中的1种方式。运行在固定航线上，如渤海海峡烟大、威大航线，且在大部分航段有GPRS/3G/4G信号的船载站，采用GPRS/3G/4G无线通信方式传输数据；在无固定航线或常在远离海岸或海岛GPRS/3G/4G基站信号区外运行的船载站，如安装在救捞救助船、远洋渔船、中韩航线客滚船，只能采用北斗卫星短报文方式进行数据传输，因国际海事卫星通信成本过高，一般不采用。GPRS/3G/4G数据通信一般不受电磁干扰，但在信号盲区、相邻基站信号重叠区或信号覆盖区边缘海域，经常有通信中断或不稳定的情况发生。北斗卫星通信在中国近海海域无信号盲区，但经常会受到各种岸基电磁信号干扰，导致其在近海或某些海港内通信传输不稳定、数据到报率不高。北斗卫星短报文传输情况又受自身通信机制影响，目前最大加密频次为1次/10 min，单位时间内比GPRS/3G/4G无线通信1次/5 min(可设置为1次/min)数据传输量少一半。

随着科学技术发展，新型船载站开始使用双模冗余通信技术[2]，即采用GPRS/3G/4G和北斗卫星[3]通信同时上传观测数据，实现了两种无线通信方式优势互补。升级后的船载站数据采集器分别生成带有GPRS/3G/4G和北斗卫星传输方式标识的2条原始数据报文，通过GPRS/3G/4G和北斗卫星同时上传[4]。陆上数据中心接收到2条报文后，根据各自报文中标识符解析入库到不同数据库库表中。因双模通信数据格式、内容存在区别(表1、表2)，故不能将收到的2条原始数据按接收先后顺序重复写入同一区站号(船载站站号)库表中；因此会出现同一船载站在陆上数据中心数据库中，存在区站号不同的2个库表。数据中心软件将2个库表历史数据到报率高的设定为生成Z文件的数据源，将陆上数据中心接收到的实时数据按规定数据格式生成参与到报率考核和下一级用户使用的Z文件，并及时上传。而另一传输方式传来的数据入库存储后不参与Z文件生成。采用双模冗余通信后，虽然陆上数据中心接收船载站观测数据的数据量较采用单一通信方式时有所增加，但因数据存储和生成上传Z文件的软件机制制约，双模通信中冗余传输方式传输来的数据未被采用生成Z文件。故船载站采用双模冗余通信向同一数据中心传输原始数据的方式，达不到上级业务管理部门对在规定时间内正点Z文件月到报率考核指标要求，也满足不了下一级用户对船载站Z文件数据使用量需求。

表1 GPRS/3G/4G通信数据表

表2 北斗通信数据表

2 双模冗余通信存在问题的解决对策

通过研究和实践验证：采用增设数据上传地址的方式，使船载站双模冗余通信2种传输方式分别向两个不同陆上中心传输数据，可解决上述问题，即：船载站同一时次观测数据经GPRS/3G/4G和北斗卫星分别上传到两个陆上数据中心，在两个不相干的数据中心软件中设置相同区站号(船载站站号)，生成具有相同区站号和观测数据的2个Z文件，再分别推送给同一上级业务管理部门，进行到报率考核，实现2个相同Z文件在同一考核区内按后到覆盖先到的方式进行冗余存储，增加数据上传地址后的双模冗余通信示意图如图1所示；当其中一种通信方式因电磁干扰或信号盲区导致数据上传失败，而另一种通信方式上传数据成功时，该时次观测数据不会缺失。陆上数据中心除对该时次观测数据进行有效存储外，还利用其数据生成该时次上传Z文件，既提高了陆上数据中心船载站数据到报率，又增加了接收数据数量。

图1 船载站双模通信示意图

2.1 GPRS/3G/4G通信数据内容及传输流程

数据传输内容：因GPRS/3G/4G通信有足够带宽，不受报文字节数限制，其上传数据要素种类多，信息量大(表1)。

数据传输流程：船载站观测数据由采集器输出给DTU通信模块，再通过GPRS/3G/4G传输到通信基站，经通信公司网关进入互联网，再由运营网进行网间交换后，进入陆上数据中心(市局船载站中心站)，经数据解析后进行页面显示并存入数据库库表中，再按照中国气象局《地面气象要素数据文件格式》要求生成Z文件后，通过局域网上传到省局信息中心船载站冗余备份服务器的考核文件夹中。

2.2 北斗卫星通信数据内容及传输流程

数据传输内容：受北斗卫星通信数据帧78字节长度的限制，上传的观测数据中只能包含基本观测项目及观测要素数据和状态信息。

数据传输流程：船载站采集器输出的观测数据由船载站北斗通信终端发出。每时次观测数据报文为78字节，添加北斗报文相关标识码后每条报文约98字节。数据包经船载站北斗通信终端→北斗卫星(上星)→北斗卫星地面站(落地)→北斗卫星(再上星)→陆上数据中心北斗指挥机(再落地)，由陆上数据中心服务器(省局船载站中心站)接收。陆上数据中心软件将先后接收到的北斗短报文数据包解析后存入中心数据库中，再按照中国气象局《地面气象要素数据文件格式》的要求生成Z文件，通过局域网上传到省局信息中心冗余备份服务器的考核文件夹中。

2.3 GPRS/3G/4G和北斗卫星通信报文数据标识符

GPRS/3G/4G通信传输的观测数据以DTU标识符(ID号)为数据身份标识，陆上数据中心软件凭标识符对接收到的、含有专用标识符的原始数据报文区分不同船载站上传的数据[5]。数据入库以DTU标识符(ID号)为索引。

北斗卫星通信上传的观测数据以北斗通信卡卡号为标识，陆上中心软件根据他区分不同船载站上传的数据[6]。数据入库以北斗通信卡卡号为索引。

2.4 双模冗余通信不理想海域及原因分析

北斗卫星与GPRS/3G/4G通信传输数据对比分析发现：数据传输成功率高低与通信方式和航行海域有关。在近海和港内，3大运营商基站信号覆盖好，GPRS/3G/4G数据传输率高，在距海岸30海里外的信号盲区，北斗卫星短报文通信方式数据传输成功率高。

使用地理信息软件定位功能，对不同船载站近几年在渤海海峡和黄海北部航行时传输的历史数据分析发现：通过北斗卫星传输时，苏山岛南部两小片海区(山东半岛荣成南部近海)、青岛黄岛向东的扇形海域和石岛港港湾内，北斗卫星数据传输失败情况较多。船载站北斗通信采用民用通信协议，上行通信频率为1610～1，626.5 MHz，下行频率为2，483.5～2500 MHz。WIFI、有源RFID、铱星等通信信号和军用雷达信号均可对其产生信号干扰。经测试，这些区域电磁环境较为复杂，存在着与北斗短报文上下行通信频率同频或临频干扰信号。当北斗卫星传输数据时，干扰信号湮没正常的数据传输信号，导致北斗卫星数据地面站的数据处理中心接收不到或无法解析通信信号，造成船载站陆上数据中心数据缺测；采用GPRS/3G/4G通信传输时，在渤海海峡威海到大连航线中间点南北各14海里(受此海域天气情况影响信号盲区有约±5海里的变化)左右的航段和在黄海北部陆地离岸约30海里外的海域是GPRS/3G/4G信号盲区，这些海域船载站GPRS/3G/4G通信传输无效。

2.5 船载站观测数据补传机制

船载站采集器对观测数据的采集不受通信情况影响，其采集的实时观测数据会存储在采集器缓存和外插存储卡中。通过船载站数据采集器数据补传机制，船载站在GPRS/3G/4G通信盲区进入信号覆盖区后，主动补传当前24 h传输失败的正点原始观测数据和近1 h的分钟观测数据，24 h之前的数据不补传。

受北斗卫星短报文通信机制限制，北斗卫星通信因受到干扰传输失败的观测数据不补传。

2.6 双模冗余通信提高Z文件到报率方法的不足

双模冗余通信将船载站观测数据上传到不同陆上数据中心，最终生成了2个相同格式和内容的Z文件，冗余存储到同一服务器考核文件夹接收到报率统计，有效规避了因其中任何一种数据通信链路不通、信号干扰、信号盲区或数据服务器故障导致的数据缺测问题，提高了船载站Z文件20%～40%的数据到报率，有效保障了船载站观测数据完整性。

虽然这种方式解决了数据上传到报率问题，但也增加船载站第2陆上数据中心硬件、软件和网络等建设、维保费用的重复开销。

3 船载站数据通信发展方向

3.1 升级卫星通信卡

升级北斗终端设备，采用三级北斗通信卡，增加传输通信频次和数据信息量，提高通信成功率，或在国际海事卫星通信成本降低后采用北斗通信卡进行数据通信传输。

3.2 升级陆上中心软件功能

开发和升级陆上数据中心软件，实现在一个陆上处理中心，对接收到的双模冗余通信上传的2条同时次原始数据进行合并入库，并互补生成唯一Z文件的功能。

4 结束语

通过分析船载站通信情况，采用技术手段解决了存在的问题，提高了船载站数据传输到报率。

随着科学技术进一步发展，船载站数据通信水平和能力将大幅提高，陆上数据中心软件的功能将更加科学、全面。获取更加丰富的海洋气象观测数据，为海洋天气预报、预警服务和气候研究提供更强大的数据支撑。