云南北斗三号气象应急备份系统省级指挥机安装应用

谭书航

（云南省气象台，云南昆明）

前言

在全球变暖的大背景下，极端天气事件发生率提高，这就导致气象数据传输的时效性、稳定性有较高的要求。各种自然灾害的频发，容易出现道路冲毁，电缆损坏的情况，极端天气对稳定及时的气象信息传输带来了巨大挑战，卫星通信技术能在恶劣的自然环境中使用[1]。当自然灾害发生时，比如暴雨、山洪、泥石流，常常伴随着地面宽带线路中断。卫星应急通信系统能够确保气象信息准确及时的传输，从而对各个部门做好气象服务提供保障支撑。云南省地理环境复杂，山地多，海拔差异大，存在隔里不同天的情况，对预报员的要求极高，准确的天气预报及预警离不开及时有效全面的台站数据。

1 北斗三号导航卫星

世界四大卫星导航系统分别为美国的全球定位系统（GPS）、欧洲的伽利略卫星定位系统（Galileo）、俄罗斯的格洛纳斯定位系统（GLONASS）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。

导航系统中，星载原子钟用于计量时频（时间和频率统称为时频）是导航系统的核心技术。星载原子钟的性能直接决定着卫星定位、测速和授时功能的精度。北斗三号组网钟采用一星两钟，同时配置两个氢钟和两个铷钟，采用原子钟无缝切换技术[2]。

北斗三号系统是我国独立自主设计建设的全球卫星导航系统，于2020 年7 月31 日建成并提供全球服务。北斗三号系统在提供定位导航授时服务外，还集成了星基增强和精密单点定位功能，具有高精度、高完好性，同时融合了通信数传功能，实现全球、区域短报文通信及国际搜救服务。

2023 年5 月17 日10 时49 分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功发射第56 颗北斗导航卫星。增强了系统的可用性和稳健性，提升北斗卫星导航系统现有区域短报文通信容量三分之一，还有助于用户实现快速高精度定位。

2 短报文传输

北斗区域短报文通信（regional short message communication,RMSC）技术是北斗三号卫星导航系统区别于其他导航系统的一项通信导航一体化融合特色服务，它通过双向通信技术，以北斗三号卫星为中转手段，根据地面站的调度规划，将军用用户终端和民用用户终端的消息发送至目标用户终端。北斗一代系统利用两颗地球静止轨道卫星实现区域导航定位，它将导航定位、双向数据通信和精密授时结合在一起，于2003 年底正式开通服务，解决了我国卫星导航系统的有无问题。这个系统能在中国及其周边地区范围内提供定位、授时、短报文通信和GPS 广域差分服务。北斗二代第一期工程在2012 年完成建设完成，覆盖我国全境，具备亚太地区区域服务能力，既提供类似于GPS 的开放服务，也保留了北斗一代的同时提供定位和通信的服务。“北斗三号”系统是全球首个融合导航、通信与仪器的卫星通信系统，具有双向短报文通信功能。北斗三号系统区域短报文通信民用应用服务平台是北斗三号系统的重要组成部分，作为国家服务基础设施，对中国及覆盖区国家和地区提供北斗短报文通信能力，服务国家战略，保证国家资源的高效利用。其应用场景广泛，可应用至电力水利、石油气田、开采运输、海洋渔业等业务领域，解决运输、开采、重点人员监管不足，重要活动过程依赖国外卫星系统，紧急、偏远地区信号架设不便等痛点需求[3]。目前北斗三代卫星导航系统已经能实现不同加密等级不同报文长度的区域短报文传输，见表1。

表1 区域短报文通信等级及电文长度说明

3 天线安装

北斗三号应急备份系统主要包括台站北斗终端、省级北斗指挥机、省级北斗平台三部分。北斗终端安装在有人站，从OSSMO/ISSO 软件获取国家站的各种报文（主要是地面bufr 文件），通过北斗卫星将报文回传到省级平台，进行直观展示，数据统计，并推送到新一代通信系统。国家站与省级平台之间可以通过北斗进行应急信息的交互。北斗指挥机分为主机和天线两部分。主机和天线之间采用射频线缆连接，天线置于楼顶。指挥机通过串口与服务器相连，长度不超过15 m。北斗指挥机有唯一的指挥机卡号，用于通信协议和数据传输。

4 软件安装

北斗省级平台采用资源池服务器进行安装，充分利用云平台资源。使用linux 系统，采用B/S 架构设计，使用java 软件开发。省级北斗平台应用软件主要分为JavaSE6.0 的安装、Tomcat6 的安装、MySQL 数据库的安装、配置本地串口动态链接库、软件文件夹的部署、设置软件自启动。使用WEB 浏览器访问北斗卫星回传的气象数据，并生成BUFR 文件或其他文件，使用消息/FTP 方式将文件推送至用户设置的地址。

5 气象应急通信备份系统架构

北斗气象通信终端应用于无人值守的自动气象站、便携自动气象站中，作为一种稳定可靠的关键通信方式，将气象数据采集器采集的气象数据经过台站isos 软件处理，通过北斗卫星发送给省级北斗指挥机。北斗指挥机将接收到的台站报文信息进行处理后，将数据送给中心站应用软件进行报文的解码，结构化显示，再发送给省级通信系统CTS,提供给其他部门及单位作为天气预报、应急减灾的参考依据[4]，见图1。

图1 北斗气象应急备份系统架构

6 北斗气象应急通信系统传输流程

无人站台站终端发送到省级北斗平台的信息为入向信息，省级北斗平台发送到北斗台站终端的信息为出向信息，这是整个北斗平台的信息传输流程，实现平台和终端的双向通信[2]。

入向信息主要是采集器通过台站客户端isos 软件生成小时或者分钟的bufr 格式文件或其他格式的文件，省级北斗平台通过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 程序将bufr 格式文件Z 文件txt 文件进行接收解码入库并结构化显示各要素在平台上，包括报文的台站时间气温降水等要素。入向信息也包括台站终端向省级平台发送应急指令。

出向信息主要有省级北斗平台向台站终端发送未到报数据，作为地面网络传输的备份；向北斗终端发送应急指令确保应急通信；发送采集器指令进行一系列操作。

整个平台的信息流程，见图2。

图2 系统传输流程

7 省级北斗平台介绍

省级北斗平台主要分为台站管理、数据管理、监控信息、应急信息、日志管理、配置管理、用户权限管理七个主要模块，每个模块又分为各个不同功能的子模块。台站管理模块分为站点地图显示、站点基本信息、站点设备信息，可以显示省内站点位置，站点设备状态，北斗终端详情。数据管理可以显示国家站到报时间、到报信息统计；区域站到报时间、到报信息统计，同时还有未到报补报帧的功能。可以对历史整点数据进行补录。

监控信息可以监控设备异常、数据异常并进行告警。应急信息是北斗三号卫星应急备份系统的重要功能，可以实现与台站的北斗终端的互通，同时具有组播通播功能。能够接收所有台站的应急信息进行应答，同时对所有台站终端一键发送应急指令。通过日常巡检及汛期前测试可有效保障台站报文传输及应急信息互通。

北斗平台具有科学的用户管理功能，能够给不同的用户不同的权限，本省的用户按州市进行划分，还能设置不同的角色进行权限管理。

8 北斗三号应急备份系统优点

8.1 国产自主可控

北斗三号卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，独立自主建设、稳定运行的国家重要空间基础设施。建设过程中始终坚持走自主创新发展道路，自研百余种宇航级器部件，核心器部件完全自主可控[6]。

8.2 覆盖范围广

北斗一号系统覆盖范围为北纬5 度至55 度、东经70 度至145 度，覆盖中国大陆所有地区和海区。北斗二号覆盖亚太地区，服务区域为南北纬55 度，东经55 度-180 度的区域。北斗二号卫星导航系统是一个区域导航定位系统。北斗卫星三号：2017 年开始，开始发射北斗三号全球导航定位系统卫星。2018 年完成了一带一路国家的信号覆盖。到2020 年，实现了全球覆盖。这标志着我国独立自主研发的，适合我国国情的全球卫星定位系统，迈进全球服务新时代。

8.3 可靠性高

北斗系统的卫星经过精心的设计，以适应太空环境下的高温、低温、辐射和真空等极端条件。卫星的结构、材料和组件都经过严格的测试和验证，以确保其能够正常运行并抵御外界干扰。

为了提高系统的可靠性，北斗系统采用了多颗卫星进行组网，以确保即使某颗卫星发生故障，仍然能够提供稳定的导航服务。此外，系统还配置有备份地面站和冗余通信链路，以应对可能的故障和干扰情况。受地形和气候影响小，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

8.4 兼容性

北斗三号指挥机兼容北斗二号终端和北斗三号终端，可以实现不同终端的数据接收指令控制。

9 常见故障处理

北斗三号指挥机兼容北斗二号终端，在与北斗二号台站终端进行互通的过程中，无法获取数据的情况下，查看终端，显示文件未找到是一种较为常见的状况。

经过平台管理员的检查和台站的确认，在其他回复内容为文件未找到的情况下，需要台站工作人员打开isos软件，选择参数设置导航栏下面的自定项目参数选框，见图3 和图4。

图3 台站isos 软件选项卡

图4 isos 软件报文发送参数设置

在参数设置选项页面勾选是否发送选项卡，然后在运行日志里检查整点报文是否发送，见图5。

图5 修改后台站报文终端发送成功显示

再在平台的台站终端查询日志进行检查，看是否有整点bufr 报文发送记录，如果修改后整点查询有该站号bufr 格式报文发送记录，登录平台进行终端查询，其他恢复内容没有提示文件未找到，说明修改正确。

10 结论

北斗三号指挥机的应用确保了只通过北斗传输的无人站的bufr 格式的气象数据传输，保证在环境复杂恶劣的地方不会出现气象信息盲点。同时对于其他北斗平台的国家站和区域站bufr 格式数据作为气象专网传输的备份，在山洪、泥石流等突发事件道路损毁网络中断的情况下加了保险。基于北斗短报文的双向通信保证了应急信息的双向传输。平台提供的多种功能方便实现对采集器的控制。气象应急备份系统的建设为我省的气象信息传输提供保障支撑。