卫星通信助力气象服务保障“一带一路”

● 文 |.中国气象局发展研究中心 .中国气象局预报与网络司 陈鹏飞 周勇 刘东君

一、引言

2013年秋天，习近平主席提出共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路，即“一带一路”倡议（简称“一带一路”）。“一带一路”沿线国家和地区具有气候类型多样、自然条件较差、气象灾害种类多等特点，如果没有可靠的气象服务作为支撑和保障，“一带一路”顺利推进将难以保证，做好“一带一路”气象服务保障既是国家发展大局要求，也是气象部门义不容辞的责任和事业发展需求，中国气象局高度重视、积极落实有关工作，已与世界气象组织（WMO）签署了《中国气象局与世界气象组织关于推进区域气象合作和共建“一带一路”的意向书》[1]，并围绕国家重大工程建设、助力提升“一带一路”沿线气象防灾减灾水平、联合应对气候变化、深化业务技术交流合作等开展了大量有成效的工作[2]。

随着“一带一路”深入推进，气象服务保障工作面临新的挑战和遇到新的问题，其中，气象通信能力不足，尤其是境外和海洋气象通信能力薄弱，已成为制约“一带一路”气象资料获取和气象预警预报信息发布的瓶颈问题。目前，了解卫星通信在气象领域的应用现状，掌握“一带一路”框架下的气象服务通信需求，展望卫星通信系统在气象领域的应用前景，从而进一步科学合理地利用卫星通信技术，增强电信基础设施较差的山区、沙漠、海岛等区域气象通信能力，对于更加有效开展“一带一路”气象服务保障工作有重大的现实意义。

二、气象服务保障“一带一路”的卫星通信应用现状分析

卫星通信技术不仅在广播电视上广泛应用，也是气象领域数据传播的重要途径之一，已经被广泛地应用于气象观测数据传输、预警预报信息发布、天气预报会商、气象应急保障服务等气象行业的诸多业务领域。其中，与气象服务保障“一带一路”密切相关的卫星通信主要有两个方面：一是中国气象局对周边国家和地区的气象数据卫星广播；二是基于中国北斗卫星导航系统的气象观测数据收集和预警信息发布。

高分三号黄河三角洲卫星影像图

该图为2016年11月5日高分三号卫星影像图。该图为全极化条带1成像模式数据。采用空间多视、NL滤波、极化分解、伪彩色合成、图像增强等技术制作。图为黄河三角洲，其中不同颜色代表了不同的极化散射特征，这是由于植被覆盖、建筑、裸地等实际地物不同造成的。

中国科学院电子学研究所_供图

1．中国气象局气象数据卫星广播系统

中国气象局气象数据卫星广播系统（简称CMACast系统）自1998年开始业务运行，已演进至第三代（如图1），新一代于2012年6月1日正式投入业务运行，与美国GEONETCast American卫星广播系统和欧洲的EUMET Cast卫星广播系统一起，共同构成了世界气象组织地球观测数据卫星分发系统（GEONETCast）。其中，CMACast系统负责提供覆盖亚太区的WMO全球交换资料数据分发和风云系列卫星云图产品的广播[3]，最西端可覆盖到伊朗，最东端可覆盖到新西兰。目前，CMACast系统是气象数据资料广播分发业务的主渠道，是气象服务保障“一带一路”的基础支撑，随着“一带一路”继续推进，必将为中亚、东亚、南亚、西亚乃至部分欧洲区域的互联互通做出更大贡献。

新一代CMACast系统使用亚洲4号卫星C6H转发器，上行中心频率6065MHz，下行中心频率3840MHz，广播带宽36 MHz，采用8PSK、FEC5/6调制及第二代卫星数字视频广播标准（DVB-S2），广播信息速率可达70Mbit/s[4]。2017年11月，CMACast系统转星工作顺利完成，亚洲4号通信卫星由同轨亚洲9号通信卫星替代。CMACast系统播发数据除常规气象资料外，还包括了全国雷达数据、卫星云图数据产品以及国际交换气象数据，同时还提供气象频道、气象会商等实时高清视频流媒体广播。至2017年，CMACast系统注册接收站已达2680个[5]，包括印度尼西亚、巴基斯坦、澳大利亚等24个国外接收站，播发数据量每日接近300GB。

CMACast系统作为地球观测数据分发平台的重要组成部分，在促进亚太地区地球观测数据的共享和应用方面做出了重要贡献。例如，2015年4月25日，尼泊尔发生8.1级地震，造成大量建筑物坍塌，当地所有互联网、电话等系统全部中断。地震发生后，CMACast系统由于不依赖当地的通信条件，成为了尼泊尔气象局地震后24小时内的主要天气预报平台，为尼泊尔气象局做好抗震救灾气象保障服务和灾后搜救工作提供了有力保证[6]。

图1 CMACast系统发展演进示意图

2．中国北斗卫星气象应用系统

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统具有授时、定位、短报文三大功能，覆盖范围包括了中国全境及亚洲大部分地区，已成功于测绘、气象、水利、渔业、减灾救灾和公共安全等诸多领域。气象领域是最早应用我国北斗系统的重要领域之一，北斗卫星气象系统主要利用北斗卫星的短报文通信功能，进行气象观测数据收集和预警信息发布。目前，主要用在新疆、西藏、云南、海南、福建等我国境内与“一带一路”密切相关的重要枢纽和窗口地区。随着北斗系统覆盖区域的扩大，将逐步扩展到更大范围。

在气象观测数据的收集方面，北斗卫星气象应用系统主要用于边远山区、海岛、海上船舶、浮标等处自动气象站数据的上传业务[7-11]。主要采用两种组网方式：一是以北斗系统运营单位的服务平台为远端站数据汇集点，再通过地面专线或互联网传给气象部门，如：中国气象局与中国东方红卫星股份有限公司联合承担的国家高技术产业发展计划项目“基于北斗的气象监测应用示范工程”采用的系统结构（图2）；另一种是以北斗指挥机为远端站数据汇集点，北斗指挥机与气象部门业务内网连接，接收的数据直接进入本地气象通信系统，如：海南、福建、新疆、宁夏等省（区）气象局的北斗自动气象站数据传输系统（图3）。前者更适于大规模布点应用，后者虽受到北斗指挥机通信容量限制，站网规模一般不超过100个站，但已能满足省级气象部门在数据收集和监控方面的需求，因此得到了较为广泛的应用。

北斗卫星通信的覆盖面积广，而且还具备全天候无盲区的功能。在预警信息发布方面，北斗卫星已经成为国家突发公共事件预警信息发布系统的重要组成部分[12]。利用北斗卫星短报文通信功能，以广播方式发布预警信息，有效提高了预警信息的覆盖范围和时效性，增强了我国海洋及陆地边远地区预警信息发布能力[13,14]。目前，供电和短报文长度不足问题是北斗卫星系统在气象观测数据收集和预警信息发布领域应用时遇到的主要问题。前者一般采用太阳能或风能供电的方式解决；后者一般采用数据压缩和数据分包传输的方式解决[15]。

图2 采用中国卫星北斗综合信息服务平台的自动气象站数据传输系统结构

图3 采用北斗指挥机的自动气象站数据传输系统结构

三、气象服务保障“一带一路”对卫星通信的需求分析

随着“一带一路”不断推进，国际化气象服务需求大增，表1列出了气象服务保障“一带一路”涉及典型业务应用的通信需求，境外、特别是海上气象通信面临着新的挑战，同时，也为卫星通信技术在气象领域更加广泛、深入应用带来了新机遇。

一是从气象服务领域拓展层面来看，“一带一路”框架下的气象通信能力亟待进一步提升。根据《气象“一带一路”发展规划（2017—2025年）》，“一带一路”气象服务保障工作在陆上以沿线中心城市为支撑，为重点经贸产业园区提供气象服务，与沿线国家就新亚欧大陆桥、中蒙俄、中国－中亚－西亚、中国－中南半岛等国际经济合作走廊共同提供气象保障；海上以重点港口为节点，气象保障通畅、安全、高效的运输大通道；大力提升中巴经济走廊、孟中印缅经济走廊气象防灾减灾与公共服务的能力，提供优质气象保障[16]。我国努力为“一带一路”沿线国家和地区提供相对完善的气象服务，即气象服务涉及地理范围明显扩大、服务对象显著增加。气象服务质量要跟上，必然要求气象通信能力进一步加强，尤其偏远地区、境外的气象通信能力亟待提升。目前，卫星通信具备不受时间、地点、环境等因素限制、通信容量大、传输距离远、开通时间短等诸多优点，是气象服务中最有保障的通信手段之一，可满足偏远地区、海洋和灾害破坏情况下的气象通信需求，而且对有效提供“一带一路”地区、海洋气象服务保障极为重要，是我国气象服务“走出去”的重要基础支撑。

二是从气象业务应用层面来看，主要在气象观测数据采集、气象信息发布和天气预报会商等3类典型应用（表1）方面需要卫星通信技术支撑，从而为更好地做好“一带一路”气象服务保障工作夯实基础。就传输时效而言，天气预报会商和预警信息发布的时效要求最高，需要达到实时或近实时通信；自动气象站、雷达等观测数据采集和国际共享交换数据的传输时效一般需要达到分钟级；根据内容不同，天气预报和服务数据的发布一般为分钟级到小时级。就传输数据量而言，数据量最大的是气象卫星遥感数据，日增量2014年约为2TB，到2020年预期将达到30TB[17]；其次是天气雷达，按照目前常规业务模式，单部天气雷达观测数据每日增量就可达到GB级；自动气象站观测数量较小，一般一份报文在1kB左右；文字类型的天气预警预报信息一般每条不超过1kB。就移动性而言，车载、船载设备通信需要具备“动中通”功能；浮标站漂浮于海面，也宜采用移动通信方式。就拓扑结构和传输方向而言，观测数据的采集一般为“多点对一点”的单向传输方式，在使用卫星通信时，星状结构比分级树状结构更有助于提高传输时效；预警、预报和服务等信息发布一般采用“一点对多点”的星状结构，单向传输；天气预报会商则属于网状双向通信。此外，虽然观测数据只需从观测站到中心站的单向通信，但为实现海上和境外观测设备的远程监控，还需要采用半双工或全双工方式的双向通信信道。

表1 气象服务保障“一带一路”涉及典型业务应用的通信需求

续表

三是从卫星通信系统选择层面看，要有效提升“一带一路”气象服务保障的质量和效益，需要科学合理地选择适合我国气象业务和服务工作的卫星通信系统。不同的卫星通信系统具有不同的特点和优势，单一的或是某方面的卫星通信技术应用是难以满足气象通信业务的。以海上气象通信为例，当前北斗卫星虽已用于海岛气象站和船舶通信[11]，但受短报文字符数和发报间隔时间的限制，通信能力难以满足较大数据量的气象通信需求；甚小口径终端（VSAT）卫星通信虽然通信能力较强，且有长期的气象应用基础[18]，但受定向天线对星条件限制，难以满足船舶或浮标“动中通”的通信业务需求；海事卫星、全球星、铱星等国外卫星通信系统[19-21]虽从功能角度讲，可部分满足业务需求，但从国家安全角度出发，不宜长期、大范围应用于海洋气象通信业务中。可见，“一带一路”气象服务保障的卫星通信系统的选择是需要从多方面考虑的，且应首选我国自主可控的卫星通信系统，最大化挖掘其气象通信应用潜力。

四、气象服务保障“一带一路”的卫星通信应用前景展望

20世纪90年代以来，中国的卫星通信事业蓬勃发展[22]。2015年10月，国务院批准发布了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》，明确提出将发展面向行业及市场应用，以商业化模式为主，保障公益性发展需求的卫星通信广播系统，主要发展固定通信广播卫星和移动通信广播卫星，逐步建成覆盖全球主要地区、与地面通信网络融合的卫星通信广播系统[23]。国家支持鼓励卫星通信事业稳步发展，卫星通信广播资源将不断丰富，一定能够为“一带一路”气象服务提供更强有力的通信支撑。卫星通信在我国气象领域的应用越来越多，例如，天通卫星、北斗卫星系统、“海星通”系统，以及CMACast系统，都能在“一带一路”气象服务保障中发挥重要作用（表2）。

表2 中国卫星通信系统主要特点及在气象服务保障中的应用[24-28]

续表

天通、北斗卫星工作于S、L等频段，抗雨衰能力强，且覆盖范围大，在“一带一路”乃至全球范围天气预警信息发布和小数据量气象观测数据传输中，将起到不可或缺的作用。“海星通”系统具有丰富的Ku和C频段卫星通信资源和门类齐全的卫星通信终端设备，适用于高速、大数据量的气象数据通信和视频天气会商。CMACast系统采用C频段卫星资源，较Ku、Ka频段抗雨衰能力强，较S、L频段卫星通信容量大，将能够为更多“一带一路”相关国家政府、组织和企业提供高效、高可靠的数据广播服务，提高中国气象的国际影响力。此外，正在迅速发展的Ka频段卫星通信资源，容量大、通信速率高，虽然受云、雾、雨、雪、霜等天气影响大[29]，与气象服务需求强度相悖，但可采用提升功率、分集、编码等措施加以抑制[30,31]，在“一带一路”气象服务保障中也具有很大的应用潜力。

五、结束语

我国卫星通信事业有着良好的发展前景，在“一带一路”框架下，卫星通信技术在气象领域必将得到更加广泛、深入的应用。我国自主可控的卫星通信广播系统将是“一带一路”气象服务保障工作中卫星通信的主力。无论从需求牵引和技术推动角度看，还是从我国民用空间基础设施规划和天通、北斗、“海星通”等系统的发展计划上看，到“十三五”末期，科学合理利用我国自主可控的卫星通信广播系统将能够满足“一带一路”气象服务保障工作对卫星通信的需求。而现阶段，以海事卫星为代表的国外卫星通信资源在部分地区、部分业务应用中还有明显优势。因此，在“一带一路”气象服务保障能力建设中，要注重顶层设计、统筹规划、合理安排，兼顾当前应用和长远发展需求，有效提高气象投资效益和服务质量。