基于北斗的县级气象应急通信系统的设计与实现

刘一谦，张常亮，余嘉

（1.四川省气象探测数据中心，成都　610072；2.德阳市气象局，德阳　618000）

基于北斗的县级气象应急通信系统的设计与实现

刘一谦1，张常亮1，余嘉2

（1.四川省气象探测数据中心，成都610072；2.德阳市气象局，德阳618000）

512和420地震都对四川地震灾区通信和气象信息网络系统造成严重损害，为解决全省气象信息网络仅仅依靠地面网络的问题，对现有的气象信息网络系统不足进行分析，构建一套采用北斗系统短报文功能的县级气象应急通信系统。系统建设完成以来运行总体稳定，通过实际应用表明，作为地面气象信息网络的有效补充，该系统发挥良好效益，为气象系统防灾减灾气象服务做出贡献。

北斗系统；短报文；应急通信；防灾减灾

0　引言

四川省幅员辽阔，境内地貌复杂，大部分为丘陵、山地和高原，四川西部高原山区地质灾害高危点多，汛期地质灾害频发，造成道路和通信中断，受灾地区气象台站无法与外界信息沟通，严重影响气象业务正常开展，特别是2008年512汶川地震和2013年420芦山地震，造成震区地面气象宽带网络严重受损，灾区受损灾情和人员伤亡情况不能及时传送到各级领导部门，同时地震后灾区地质灾害发生频率和危害性明显增加，进一步加大了全省气象业务正常开展的难度。这就迫切需要我们探索一条新的可靠的技术路线对现有气象信息网络进行补充，解决四川省气象广域网络仅仅依托于运营商地面网络，在地震、山洪、泥石流以及塌方等自然灾害发生时极易受到损害，影响国家级台站应急信息和取消资料传输的薄弱环节，因此，建设一套基于卫星通信的应急通信系统是十分迫切和有必要的。

1　全省气象信息网络系统分析

2007年四川省启动了全省气象广域网络系统建设，通过租用电信的SDH专线，构建一套星型与树型相结合的、覆盖全省的省市县三级气象广域网络系统。其中，省-市带宽为4M，市-县带宽为2M。同时，为提高整个网络可靠性，采用基于Internet的VPN建设了一套备份线路，通过动态路由调度，实现备份线路的热备份功能。2008年512汶川大地震导致了地震灾区的气象宽带网络全面中断，虽然VPN在一定程度上对专线网络进行了补充，但是单运营商网络系统在大灾害发生时仍然显得十分脆弱［1］。

为了提高整个气象广域网络的健全性与稳定性，2011年全省引入了第二运营商SDH专线，构建了“双宽带并用、业务分流、互为热备”的气象广域网络系统。正常情况下，常规业务数据传输以电信线路为主通道，移动线路路作为备份，在电信线路出现故障后，自动切换到移动线路；视频会商数据以移动线路为主通道，电信线路作为备份。虽然双运营商网络系统具有互补作用，但是2013年420芦山地震发生后，整个运营商基础设施基本被摧毁，虽然拥有了双运营商线路，但是重灾区在相当长的时间内都是失联的信息孤岛，人员财产损失情况上报和气象资料传输都受到极大的影响。

四川省一共有156个国家级气象观测站，目前业务开展和资料传输、共享主要依赖于全省气象广域网络系统，网络拓扑图如图1所示。该网络系统基本能够满足全省气象业务目前的需求，然而考虑到西部边远台站和地震灾区极易受到地址灾害的影响，在各种自然灾害发生的时候，相关气象服务工作的各种需求陡增，这种时候，气象通信及信息网络系统的稳定性、可靠性就显得尤为重要。我们需要考虑一种不基于地面线路的应急通信系统［2］。

图1　全省气象广域网络系统结构图

2　应急通信系统的设计

2.1北斗卫星导航系统简介

北斗卫星导航系统是我国自行研制，正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星定位与通信系统。北斗卫星是继美国“GPS”系统和俄罗斯“GLONASS”系统后世界上第三个实际运行的定位导航系统。第一代导航系统“北斗卫星导航试验系统”于1995年正式启动工程研制，并在2003年正式开始提供较为完整的区域卫星导航。2003年之后，第二代“北斗卫星导航系统”开始建构，计划于2020年建成并覆盖全球，总共由35颗卫星组成。2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式向亚太大部分地区正式提供各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力［3］。

2.2系统架构设计

北斗应急通信系统由省级中心管理系统、台站终端系统组成。应急通信系统架构如图2所示。台站终端系统包括北斗终端、计算机、北斗终端数据处理软件，北斗终端通过网络方式连接到部署终端数据处理软件的计算机；省级中心管理系统包括北斗卫星中心管理系统接入终端（北斗指挥机）、服务器、中心管理系统软件。

图2　应急通信系统架构图

2.3系统功能设计

北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。系统主要采用的是北斗系统的短报文功能，采用106字节/分的四级卡，对应急信息和气象数据进行相应的压缩并传输，依托北斗通信系统，建立完成高原三州及地震灾区县级气象应急通信系统，系统功能模块如图3所示。

系统要实现应急情况下受灾点与省局及周边台站信息传递功能，同时实现观测资料应急传输，完善资料应急传输流程，应急通信系统具备以下功能：

（1）应急信息传输

在发生极端自然灾害，地面通信网络中断时，能够通过该应急通信系统，将台站人员安全情况、设备及建筑受损等情况，上报到省气象局及知会周边台站，能够与省局现有短信平台有效结合，将台站上报的信息有选择的通过短信平台发送给相关领导，同时省局能够通过该系统将应急指导意见传达到地面通信中断的台站，确保极端自然灾害波及的台站不会与外界失去联系。应急信息处理流程图如图4所示。

图3　系统功能模块示意图

图4　应急信息处理流程图

（2）气象资料传输

根据北斗通信系统数据传输能力考虑，作为应急通信系统，在非应急状态下维持资料传输主要是为了检验确保系统的工作状态，北斗系统能满足自动站文件的传输需求，同时能够作为资料传输的备份方式。北斗应急通信系统设计为自动传输自动站每个时次的正点资料，手动选择发送自动站加密资料、自动站日照文件、自动站辐射文件、自动站状态文件等，同时还能够根据需要利用该应急系统传输指定文件。数据传输处理流程如图5所示。

图5　数据传输处理流程图

2.4省级中心端系统设计

省级中心端系统主要用来接收从台站系统通过北斗卫星发送过来的各种数据，包括数据文件以及应急信息等。具体功能模块分为用户管理、站点管理、应急信息、国家站数据、监控与统计、日志管理、系统设置和北斗监控。省级中心系统自动从与指挥机连通的串口接收数据，进行数据解析、数据组包、数据补帧以及后期数据处理。

2.5台站终端系统设计

台站终端系统在原有通信传输方式 （地面宽带网络传输）的基础上，通过在业务计算机上安装北斗终端数据处理软件，实现应急信息编辑、发送、接收、显示，完成数据处理、终端控制等所需的功能操作。数据处理软件能够对气象观测报文进行压缩、分包、发送，能实现自动和手工两种传输方式。应急信息界面设计一个站点选择列表，能够对需要发送应急信息的点进行方便快捷的选择，且所有台站的站点选择列表在省级中心管理系统信息更新后能够进行及时同步。

3　应急通信系统的实现

中心管理系统负责接收所有县级台站通过北斗终端发送来的应急信息和气象数据，中心管理系统界面如图6所示。

图6　省级中心平台界面

当系统接收到应急信息时，将该信息接入省级现有短信平台，并通过告警功能提示省中心系统值班人员处理该信息，应急信息交互界面如图7所示。对于接收到的气象观测数据则进行解包、整合，还原为完整的观测报文。若出现缺报或丢包的情况，中心管理系统即向下属站点发送补发指令，下属站点接收到补发指令后把丢失的数据重新上传到北斗中心管理系统。中心管理系统根据实际需要，能够将接收到的文件处理留底，定制是否发送至通信系统，进入传输流程，对于通过终端软件侦测功能识别到地面宽带故障时上传的文件，均须发送至通信系统。

图7　应急信息交互示意图

作为一套平战结合的应急通信系统，气象台站的整点自动站资料通过北斗应急通信系统准时上传至省级北斗中心平台，在地面广域网络链路正常状态下，默认不向省级通信系统推送，传输气象资料的成功与否作为测试北斗链路状况的参考指标。在遇到地面双气象宽带同时中断时，台站的工作人员电话告知省中心，值班人员通过设置可以将气象资料传入通信系统，保证气象资料的时效不受影响。在遇到地震等不可抗拒的自然灾害时，气象台站可以通过北斗应急通信系统将应急信息发送到省级中心站或者相关的台站，将台站受灾害的相关信息和人员安危情况及时和外界进行沟通，及时消除了因沟通不畅而造成的信息缺失。台站终端系统软件界面如图8所示。

图8　台站终端系统

4　结语

县级气象应急通信系统的建设包括省级中心平台的安装部署和76个县级台站的软硬件安装调试。在试点安装测试工作完成之后，全部76个县级台站于2014 年7月初完成了安装实施工作。76个站的整体到报率（2014年07月11日0时至2014年08月07日23时共计672个时次）为90.57%，除部分台站防雷模块故障、版本升级影响和北斗终端软件没有正常开启运行造成的终端离线外，整个系统运行稳定。该系统的正常运行表明，依托北斗系统的县级气象应急通信系统能够在各类地质灾害发生时，能够为灾区各类应急信息和气象资料的发送提供提供一条稳定可靠的备份线路，大大提升四川省气象部门防灾减灾的能力。

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Design and Implement of County Meteorological Emergency Communication System Based on Beidou

LIU Yi-qian1，ZHANG Chang-liang1，YU Jia2
（1.Sichuan Meteorological Observation and Data Centre，Chengdu 610072；2.Deyang Meteorological Bureau，Deyang 618000）

The 512 and 420 earthquakes both made severe damage to meteorological information network system of Sichuan.For the sake of solving the problem on the weakness of ground network system.Analyzing the shortage of current network system，constructing a meteorological emergency communication system based on short message of Beidou System.The system is running stably since installation，practical application shows that this system makes a great contribution to supplementing the ground network and weather service for disaster mitigation and prevention as well.

Beidou System；Short Message；Emergency Communication；Disaster Prevention and Mitigation

1007-1423（2016）27-0059-05DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.015

刘一谦（1984-），男，四川成都人，工程师，本科，研究方向为通信与计算机网络、虚拟化、高性能计算等

2016-07-07

2016-09-15