自动气象观测系统无线传输方案分析

刘晓明，向恩慧

（民航新疆空管局气象中心，乌鲁木齐 830016）

自动气象观测系统是民用机场标准配备的重要助航设备，实时为空中交通管理部门、机场运行机构及航空公司等用户提供跑道附近的气象要素数据。特别是在低能见度运行情况下，其探测的数据是航班能否正常起降的重要决策依据。数据传输是自动气象观测系统业务流程中的重要环节。为提高自动气象观测系统的可靠性，近年来，各机场自动气象观测系统在已有有线传输的基础上，增加建设了无线传输，作为冗余备份手段。本文分析了自动气象观测系统无线传输软、硬件解决方案，并提出此方案设计的思考和建议。

1 自动观测系统数据流程

自动气象观测系统主要由安装在跑道附近的传感器、数据传输网络、数据处理服务器和用户终端组成。传感器包括风向风速传感器、气压传感器、温湿度传感器、雨量传感器、云高仪及大气透射仪或前向散射仪等。通常这些气象传感器输出信号为串口信号，可以选配为RS232或者RS485协议。这些串口数据信号通过传输网络，最终将数据信号转换为用户数据报协议（UDP协议）数据包发送给数据服务器进行验证、处理。

图1为典型的自动气象观测系统信号传输流程，其中串口服务器的功能为将串口信号转换为UDP协议的网络信号，串口服务器可以将UDP数据包同时向主、备服务器进行转发。在自动气象观测系统中一般选用16个端口的串口服务器，每一个端口接入一个对应的传感器串口信号，在串口服务器进行信号转发时，即给这一路信号打上了IP和端口标签[1]。

图1 自动气象观测系统信号传输流程

自动气象观测系统AVIMET软件采用远程对象结构（ROA），ROA软件结构中每一个传感器在AVIMET中被定义为一个对象，每个传感器对应一个固定的IP和端口[2]。服务器软件只对传感器对应的IP和端口进行数据解析，这个IP和端口是与串口服务器中的配置一一对应的，以区分各传感器数据。相关传感器对应的IP、端口和数据结构，在软件的端口配置文件ports.ini中定义。以某机场07号跑道的RVR数据为例，配置文件解析如下。

[NET06]//串口服务器的第六路数据

LOCATION=[S]"RVV 07"//跑道07号RVR数据

CLASS=[S]"udp"//数据包类型为udp

LOCALPORT=[I]10006//本地数据监听端口为10006

REMOTEPORT=[I]1106//远程数据发送端口为1106

REMOTEHOST=[S]"192.168.1.101"//远程数据发送的IP

自动气象观测系统增加建设无线传输，则在传感器信号输出端将串口信号并接线路一分为二，分别用于有线和无线传输。如新安装的无线传输信号，仍然向服务器的10006端口发送数据，因为远程的IP和端口不同，在服务器端仍然不会对备份数据进行解析，起不到备份作用。自动气象观测系统无线传输在进行传输硬件建设同时，也要解决数据软件解析问题，才可以实现备份作用。

2 无线传输硬件

自动气象观测系统的传感器数据，为固定间隔时间采集并发送数据，不同传感器数据发送间隔不同。如风向、风速3 s，气压60 s，温度、湿度60 s，雨量1 min，云高15 s和能见度15 s，传输使用ASCII码，每个数据包不超过50个字符。在无线传输设备选用方面，5.8G无线网桥、4G蜂窝网络数据终端设备（DTU）都可以满足数据传输的带宽和延时要求，也是目前主流使用的2种传输硬件设备。不同的设备各有优缺点，具体见表1。

表1 5.8G无线网桥和4G蜂窝网络DTU参数对比

无线网桥具有速度快、带宽大和延迟低等特点，但安装条件要求较高，网桥之间需要开阔无遮挡，如不能通视或距离较远需要使用中继设备，网桥安装需要设备基础，在已有条件不满足情况下，可能需要重新立杆，进行水泥基础建设，在机场飞行区内施工难度较大。5.8G hz为公用频段，不需要申请电台执照，但机场的各类通信导航设备较多，电磁环境复杂。在建设时需要对电磁环境进行评估，排除干扰问题[3]。无线网桥需要成对使用，通常来说，跑道2端、中间3端的自动气象观测系统设备，汇集到1个点即可，也就是单跑道使用网桥数量为3对。

4G蜂窝网络DTU，则相比之下速度慢，但自动气象观测系统数据量较小，也可以传输满足需求，体积小，容易安装，安装在设备机箱内即可，不需要考虑遮挡问题，只要有手机信号的地方就可以使用，且不用考虑传输距离问题，但使用的4G蜂窝网络为运营商公共基站资源，如靠近航站楼，可能有大量旅客使用同一基站数据情况，会抢占公共资源，造成数据传输质量下降。4G蜂窝网络DTU一般也为成对使用，每1个传感器需要使用1个，但跑道机场则需要使用至少9对，每1个DTU都是单独流量计费，使用成本相对较高。

按照每个机场的情况，如能达到通视条件和安装条件，建议选择无线网桥作为无线传输硬件。但在《民用航空机场气象台建设指南》的相关要求中“云高仪应当安装在机场中指点标台内，如果不能安装在中指点标台内，可安装在跑道中线延长线900~1 200 m处”。这个位置通常很难达到通视条件，在安装无线传输设备时，建议选择4G蜂窝网络DTU方式。在一个无线传输网络中，无线网桥和4G蜂窝网络DTU方式并不冲突，可以进行互补。

3 无线传输软件数据处理软件方案

前文分析，通过硬件部分将数据传输至室内机房，并且软件只对固定IP和端口的信号进行解析，如何将这2部分数据进行融合送给服务器处理是至关重要的问题。目前有3种较为成熟的解决方案。

3.1 方案一

将局域网内的1台计算机作为数据的汇集点，将有线和无线2种数据都发送至这台计算机的IP，以不同端口方式来区分各路数据。在软件中读取有线和无线2路数据，并进行数据的比较和逻辑判断，如主、备线路数据是否相同，校验码是否通过。将校验过的有效数据，转发给主、备用服务器。主、备服务器则不用进行配置方面的改动，主、备服务器仍然认为外部是一路数据[4]。

此方法优点为不用更改服务器配置，缺点为这台汇聚计算机和部署在上面的软件成为了网络内新的单节点，如此节点出现问题，不能正常转发数据，将造成通信失效。

3.2 方案二

保持原有的通信线路和服务器配置不变，在局域网内增加1台新的计算机，将有线和无线的数据同时向这台计算机转发，在这台计算机内对2路软件进行解析，如主用链路数据中断，则这台计算机将备份链路数据伪装为主用链路数据的IP和端口将数据发送出去。在服务器端仍然认为数据是正常状态，主、备传输数据进行无缝切换。

因为自动气象观测系统服务器只通过UDP数据包报头的IP和端口识别是来自哪个传感器数据。IP地址的伪装是实现此方案的关键。通常发送UDP报文（图2）的实现方式为数据报式套接字（SOCK_DGRAM），SOCK_DGRAM在发送数据报文时，会通过网络协议栈进行封装，加入UDP报头、IP报头等信息，这些信息自动封装，无法进行修改。使用原始套接字（SOCK_RAW）可以绕过网络协议栈自动封装的过程，对IP报头等信息进行修改，实现IP地址伪装的目的。标准套接字是建立在UDP/IP协议之上，原始套接字则植根于操作系统网络核心部分。

图2 UDP报文格式

通过原始套接字修改源地址、源端口，使得自动气象观测系统服务器认为UDP报文是由串口服务器发出，进行正常的数据解析。而微软公司为了限制黑客滥用此技术进行非法攻击，自Windows2000版本后禁止软件程序通过原始套接字发送伪造源IP和源端口的UDP报文。在技术实现上，如在Windows操作系统上需要程序员自行开发底层驱动，要进行一个“造轮子”的过程，或者在Linux操作系统上进行实现，无论哪种方法，无疑都是具有一定难度的。

此方法优点是不改变原来的网络结构，不存在单节点，新增的无线传输链路处于虚连接状态，在主用链路终端情况下，备份链路才开始转发数据包，缺点是技术实现复杂，对技术开发人员和设备维护人员要求较高。

3.3 方案三

在数据服务器内采用“虚拟传感器的方法”，即在将新增的无线传输通信数据，也向主、备服务器发送，同时，在数据服务器内，增加新的传感器对象，在服务器内将新增的数据，当作一个全新的传感器进行数据处理，依靠数据服务器内部的传感器主、备逻辑进行准备线路上的数据切换。以云高仪为例：

在ports.ini增加传感器端口定义

在增加以上代码后，还需要对自动气象观测系统界面文件进行修改，对新增的内容进行显示。

此方法优点为没有单节点，并且依靠AviMet软件自身强大的数据校验和数据处理能力，可以保证数据的可靠性，缺点为需要在软件内增加相应的配置，虚拟出来的传感器数量和现有传感器数量一致，如单跑道机场至少有9套传感器，则虚拟9套传感器，多跑道机场则需要在服务器内建立虚拟传感器对象则更多，配置逻辑复杂[5]。图3为自动气象观测系统无线传输3种解决方案。

图3 自动气象观测系统无线传输解决方案

3.4 小结

以上3种软件解决方案，是技术人员经过多年不断总结，并且根据实际情况形成的。方案一采用了星型网络，其中数据监控转发计算机是网络中的单一节点，有一定的安全隐患。方案二中相当于是方案一的改进版，2路数据同时向数据监控转发计算机发送，由部署在改机的软件进行判断是否进行转发，该方案使用了类似于黑客技术的原始套接字进行地址欺骗，完美地规避了改变原有网络传输结构造成的风险，但目前该软件方案并没有进行商业化，而且实现技术难度较高。方案一和方案二是相当于在原有系统上的外挂式方案，方案三则更接近于原生方案，省去了数据监控转发环节，但系统软件配置较为复杂，需要厂家进行技术支持，并且产生较高的费用。

4 结束语

随着民航事业的发展，自动气象观测系统无线传输已经是自观建设的标准配置，原有未建设自动气象观测系统的机场，也逐渐增加建设了无线传输以提高数据的可靠性。在有线传输方面，目前不少机场已经采用同步数字体系（SDH）光环网或通过脉冲编码调制（PCM）机实现光纤和E1双链路1∶1保护，可靠性已经非常高，但仍存在地面链路多路传输但共用同一条光缆的情况，如出现光缆被挖断等情况造成通信失效，无线传输仍是必要的备份手段[6]。本文分析了自动气象观测系统的软硬件解决方案，可为民航机场建设自动气象观测系统无线传输提供参考。