雪衰对CMACast通讯的影响和故障处理

刘思宇 陈澍 孟金 冯勇

（山东省气象信息中心 山东省济南市 250031）

1 业务运行现状

CMACast 系统是目前气象部门传输气象数据的重要途径，通过亚洲四号卫星的C 波段转发器，播发常规资料、天气雷达、卫星遥感资料以及流媒体视频等。CMACast 作为新一代卫星广播系统是目前中国气象局唯一的通过通讯卫星广播的系统，并完成亚太地区geoss 数据的广播分发，CMACast 系统最高传输速率可达64Mbps。

CMACast 卫星数据广播系统总体由CMACast 主站、通讯卫星转发器和各级小站三大部分组成，CMACast 主站和CMACast 省级接收系统，通过新一代通讯系统实现通讯传输（图1），省级CMACast 接收系统由卫星接收天线、接收机和数据接收监控软件组成。在主站的统一调度下，汇集到国家气象信息中心和卫星气象中心的业务播发资料，按照预先设置的分发策略，经打包机、调制器、OD 和天线，进入综合播发服务器的卫星通道进行广播分发。在接收小站端，各小站通过DVB-S2 数据接收机接收卫星信道上广播的数据，由小站的业务网上的数据接收服务器进行解析。各小站根据接收资料的数据量的大小及可靠性需求，可部署多台数据接收服务器，实现资料的并行接收或分担接收。

2 降雪对CMACast通信的影响

2.1 雪衰的成因和规律

在CMACast 接收站长期业务运行中发现，CMACast 卫星接收机在有暴雪天气过程过境时，有积雪的情况下明显造成CMACast卫星接收信号的电平降低，误码率变大，甚至在业务使用当中出现气象数据丢失数量增大等情况，严重影响业务的文件接收准确率，这种由天气过程对无限电波吸收和散射所致的数据丢失，即雪衰现象。雪衰是CMACast 通信中不可抗拒的自然现象，只有建立一套完整的除雪系统，才能减少雪衰变化对CMACast 接收造成的影响。通过统计不同积雪深度造成的雪衰程度（表1），发现只要降雪量超过1mm 以上，就有可能出现系统不入锁或者未完整接收文件数量增多的情况，天气转晴后系统恢复正常，馈源上的积雪太厚影响接收机信号接收，因此必须具备快速高效，措施完善的应急措施，才能保证文件接收的完整性。

2.2 雪衰对CMACast信号传输影响的应对对策

目前，CMACast 系统所使用的亚洲四号卫星为地球同步轨道卫星，具有传输距离远，可靠性高，传输容量大等特点。针对以上特点，抗雪衰方法可分为以下几类：

（1）加大信号接收天线的尺寸或信号功率，降低雪衰影响，（2）根据接收站所在位置的气候条件和业务需求适当增加地面卫星接收终端站，备份数据接收终端。

（3）加装除雪装置和积雪故障检测设备。

2.2.1 增大接收天线口径

CMACast卫星广播接收站，目前采用的是C波段卫星通信系统，对应的半功率角度比较窄，在降雪较多和低仰角地区，对跟踪的精度和天线精度就有了更高的要求。在C 波段接收过程中，电波频率如果超过10GHz，雪衰的影响会非常明显。因此提高卫星接收机可用性能可以采用更大口径的接收天线，因为接收口径越大半功率角越小，增大采集信号的接收面积，可以弥补雪衰对信号接收造成的影响，保证信号接收的最低阈值。

图1：CMACast 卫星系统通讯示意图

2.2.2 增加CMACast 地面卫星终端站

为防止降雪天气，业务运行过程中出现卫星接收资料的大面积缺失，可以在远离市区，没有高大障碍物遮挡和电波干扰的地区，最好架设在开阔地带的最高处，天线基架位置牢固且保持水平，尽量避开通风口，削弱风的因素对数据接收的影响，尽可能避免在雷电多发地带架设天线，并采取避雷措施。增设CMACast 接收站和接收系统，可以最大程度的降低因雪衰导致的数据丢失风险，为气象资料的接收备份有效接收途径。

2.2.3 安装自动除雪装置

目前的CMACast 卫星接收系统在暴雪天气下极易发生故障，现在通常会配备故障检测器对故障进行实时监测，方便及时通知技术人员到达现场进行处置，但是故障检测器只能报警不能处置，还需要技术人员对信号接收盘上的积雪进行手动处置，存在一定的局限性。由于电磁波在传输过程中需要经过抛物面的反射，最终电磁波汇集到焦点的高频头位置，才能保证信号的正常传输，然而，在有积雪的情况下，就会导致抛物面反射不均匀，即产生漫散射，电磁波将不会聚集在高频头的位置，会导致CMACast 接收系统无法正常接收数据，使系统无法入锁，导致数据无法正常接收。因此，自动除雪装置可以削弱暴雪等恶劣天气对CMACast 卫星接收系统的影响。

3 CMACast系统的维护

CMACast卫星通讯系统是气象资料实时接收的主要通道之一。在业务运行过程中由于受到传输误码率不稳定、接收信号电磁干扰、极端天气等因素的影响，经常出现文件接收错误和数据丢失的情况，在恶劣天气过境时严重影响资料接受的完整度，从而影响气象预报和服务。为提高实时气象资料分发的服务质量，有效保障CMACast 小站数据接收的完整性，对CMACast 卫星接收系统进行定期维护十分必要。

3.1 接收天线的定位

在CMACast 接收系统建设部署完毕后，接收机天线的方位角、俯仰角等往往长时间不会改变，因此在天线安装过程中应尽可能将天线的仰角、方位角以及LNB 的极化角都调到最佳接收信号位置，亚洲4 号卫星方位角(AZ)、俯仰角(EL)、极化角(PL)的计算公式如下：

式中，α 代表经度，β 代表卫星经度，θ 代表纬度，R 地球半径为6378km，卫星距地球表面高度H 为35786km。由于卫星的长时间运行会造成接收性能指标飘移，因此应根据实际接收资料的情况，适时采用寻星仪或者场强仪对天线仰角进行调整，确保接收站处于最佳接收方位。

3.2 CMACast文件接收缺失的故障排除

在CMACast 系统接收服务器的监控程序中（图2），在接收机入锁的情况下，显示有文件缺失较多的情况。在重启接收机和接收服务器后，仍显示文件缺失异常，首先查看接收机监控日志查看Eb/NO 值是否正常，若存在Eb/NO 值为0 或跳变情况，由此可以判断接收信号质量不稳定。在排除硬件故障和接收天线定位异常等因素后，将接收机馈线插入寻星仪，出现寻星仪Q 值跳变，故障原因可以判定为接收机周围电磁环境干扰，通过更换设备场地、加装滤波器、金属网等屏蔽干扰设备可以解决电磁干扰导致的文件缺失故障。排除由接收天线周围环境电磁干扰和接收机设备等故障影响后，查看接收机监控界面接收信号正常，初步断定故障原因在数据接收服务器，查看服务器监控界面若文件资源使用率超过80%，故障原因可以判定为文件接收服务器的某个文件系统格式化问题。针对文件系统格式化进程问题，通过重启服务器，重新启动进程，或者手动挂载进程解决。

图2：CMACast 服务器监控界面

表1：不同积雪深度的CMACast 接收统计表

3.3 接收小站的巡检

在暴雪等极端天气情况下，CMACast 广播卫星接收系统的值班人员，一定要注意观察，由于极端天气情况会造成信号中断，需要值班人员手工启动，否则会影响正常接收。CMACast 接收系统的日常维护需要注意三点：

（1）CMACast 接收系统长时间运行会出现卡顿，因此需要每隔一段时间重启CMACast 广播接收系统的服务器，防止因为长时间运行导致的主机故障。

（2）应定期进行系统备份，防止因系统崩溃或其他故障导致的无法启动。

（3）制定接收系统的网络维护计划，CMACast 接收站的配有两张网卡，一张网卡与CMACast 卫星广播接收机连接，用来接收CMACast 小站从卫星广播接收的数据，另一张与业务内网相连，防止有病毒入侵或网络通信异常，导致服务器无法正常接收数据，若有病毒入侵需要及时断网杀毒或者更换网卡。

4 结语

本文介绍了雪衰的成因和规律，说明了雪衰对CMACast 信号传输的影响,间接影响业务的正常使用,通过CMACast 通讯系统多年的业务运行经验，证实了本文上述措施有助于消除降雪给CMACast 通讯系统带来的影响，并能有效提高CMACast 系统的稳定性和可靠性。通过讨论雪衰对CMACast 通讯的影响和故障处理方法，针对降雪天气容易出现的故障进行了故障快速诊断方法，对CMACast 小站技术维护人员有一定的参考价值。