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摘要：文章基于北斗短報文通信技術設計了一套海洋石油平臺氣象站數據傳輸和共享系統，并在設計氣象站通信協議基礎上，提出了兩種北斗通信方案，經過實驗最終選擇終端中轉通信方案更適合在石油平臺氣象站運行，并成功應用在天津市氣象局新建的14套海洋石油平臺氣象站中。

關鍵詞：信息處理技術；協議；方案

0引言

當前，海上開展氣象觀測大多依托于浮標、海島、船舶以及石油平臺等海上設施，由于渤海海域的特殊性，沒有島嶼，但石油資源豐富，大大小小分布著許多采油平臺和燈塔。因此，充分利用這個特點，天津市氣象局與渤海石油管理局等部門協商在石油平臺上建立自動氣象觀測站，開展氣象觀測和數據共享。文章結合石油平臺氣象觀測在數據傳輸和數據共享等方面的特殊要求，設計了一套基于北斗衛星通信系統和區域站統一版軟件的石油平臺自動氣象站數據傳輸方案，為海洋氣象探測數據傳輸摸索出一套穩定可行的新方法，為今后開展類似北斗通信應用積累寶貴的經驗。

1概述

2000年，我國成功發射了“北斗一號”地球同步軌道導航定位衛星，標志著我國已進入自主擁有衛星導航定位系統的先進國家行列，為在未來多元化衛星導航定位系統應用體系中占有一席之地，形成具有我國特色的衛星導航定位應用產業。北斗系統主要有3大功能：1）快速定位。為服務區域內的用戶提供全天候、實時定位服務，定位精度與GPS相當，其定位數據比較穩定，采用差分定位技術，定位精度達10m以內。2）短報文通信。提供民用三級和四級卡通信服務，每次通信為78／106個ASCII碼，服務頻度為1min，可傳輸漢字和數字信息。3）精密授時。授時精度達20ns。因此，北斗系統不但可以為我國及周邊國家提供各類導航定位服務，還可以針對海洋氣象水文監測等各領域提供各類衛星數據通信服務［1］。

2石油平臺氣象站傳輸流程設計

由于石油平臺涉及到人員登平臺、飛機起降等作業活動，氣象站所在石油平臺對實時氣象觀測數據的要求較高，除衛星通信外，還必須考慮在石油平臺本地實時顯示氣象站的實時數據，因此總體數據傳輸流程如圖1所示。石油平臺氣象站通過連接長線驅動器，將采集器輸出的RS－232數據轉換成RS－485數據，用石油平臺專用的防爆信號線纜與石油平臺控制室工控微機相連，工控微機上安裝本地數據共享軟件，如圖2所示，數據刷新頻次為1min，實時顯示氣象站的氣象信息。另一方面通過北斗衛星終端，將氣象實況觀測數據發送至架設在天津市氣象局機房內的北斗衛星指揮機，觀測頻次設置為10min，最小可加密到1min。發送到指揮機的觀測數據按照本方案設計的傳輸編碼協議生成固定格式的數據流，按照區域自動氣象站方式與區域站統一版軟件，如圖3所示，進行數據交互，然后由區域站統一版軟件完成數據解析、入庫以及報文生成等功能。

3通信設計

3．1采集器數據包設計北斗衛星通信系統在民用業務中，有兩個約束條件：1）最小數據通信間隔為1min；2）基于78個ASCII碼進行設計，除去2個ASCII碼的幀號信息，只有76個字節可用。石油平臺氣象站通常采集溫度、相對濕度、風速、風向、雨量、氣壓、能見度等要素以及各種狀態信息和監控信息等，通常所傳輸的數據量要大于76個字節，因而需要對現有自動氣象站的傳輸協議進行改造，對現有的數據進行壓縮，在最短的時間內，將所有要素數據傳遞到數據中心。另外，由于雨量數據的特殊性，需要獲取60min降水數據明細，所以將雨量數據獨立組包，通常的做法是將北斗通信數據包拆分為“雨量數據包”和“其它要素數據包”［2］。“其它要素包”設計包含觀測時間、自動氣象站狀態信息、風速、風向、溫度、相對濕度、氣壓、能見度、輻射（預留）等實時觀測數據和極值信息。共47個字段，106個字節，默認10min發送1次數據，數據包超過76個字節，因此需要進行壓縮。“雨量數據包”設計包含協議類型、數據包序號、記錄時間、分鐘降水等8個字段共計68字節。根據“其它要素數據包”中“小時內累計降水”字段的內容確定每次上報的數據包個數。當“小時內累計降水”數據項為0時，只上報“其它要素數據包”；當“小時內累計降水”字段內容項為非0時，上報“其他要素數據包”后，于下1min上報“雨量數據包”。默認10min發送1次數據。數據項所對應的數據位全部置為1，則代表此項數據缺測。數據傳輸時，高字節在前［3］。

3．2北斗系統與區域站統一版軟件數據交互區域站統一版軟件可以將不同廠家，不同型號的氣象站設備按照統一的數據格式、統一的數據庫、統一的文件進行接收、處理和存儲［4］。文章設計的北斗通信也是將北斗站點作為1臺區域自動站接入到區域站統一版軟件中。北斗指揮機通過RS－232串口與安裝區域站統一版軟件的服務器連接，按照設計的傳輸通信協議，北斗上傳數據自動形成固定格式數據串，并通過TCP協議發送給區域站統一版軟件進行數據解析和入庫，以及形成中國氣象局標準長Z文件格式報文等。

3．3數據補傳機制設計兩種數據補傳機制保障數據到報率，一是北斗系統自行檢查數據完整性，除了按照設定的頻次上傳觀測數據外，衛星系統根據發送數據的幀號連續的特性，根據缺失的幀號自動補調3h內的缺測數據。補調流程為：北斗通信控制系統軟件檢查收到數據幀的連續性。查到缺失數據幀后，軟件自動下發指令給探頭，探頭收到指令后啟動指定數據幀的重傳，上傳給指揮機，再到北斗通信控制系統軟件，然后轉發給區域站統一版；二是數據接入區域站統一版軟件后，統一版軟件對數據完整性進行檢查，并自動補調24h內整點數據。區域站統一版補調流程為：區域站統一版軟件將補調數據指令發送給北斗通信控制系統軟件，軟件通過指揮機將指令透傳給衛星終端，衛星終端再轉給采集器，采集器收到指令后將補調數據回傳給北斗通信控制系統軟件，再傳輸到統一版，從而實現了數據的自動補傳。設計兩種補傳機制同時存在，以北斗系統為主，統一版自動補傳為輔，最大限度地提高北斗的通信成功率，保證數據的到報率滿足用戶要求。

4通信方案選擇

通過北斗衛星通信采用兩種方案實現，一種是終端透傳模式，即衛星終端和指揮機只負責數據通信，不負責對數據進行壓縮、解壓縮等工作，對數據的壓縮工作放在采集器中，數據平臺的解壓縮等功能放在中心站軟件中或者另做中轉軟件；另一種為終端中轉模式，即數據發給衛星終端，衛星終端經過二次壓縮后發給指揮機，指揮機將數據解壓后通過TCP方式發送給中心站軟件。兩種模式均需要實現，根據測試情況擇優選擇數據通信方案。

4．1終端中轉模式終端中轉模式數據上傳流程如圖4所示，衛星終端按照設定的加密間隔給采集器發指令獲取數據，采集器收到指令后形成數據串發給衛星終端，衛星終端經過二次壓縮后傳給指揮機，通過北斗衛星指揮機控制平臺軟件對指揮機數據進行解壓縮，然后通過TCP協議傳給區域站統一版中心站軟件，完成氣象數據的解析入庫、報文生成和上傳等任務。

4．2終端透傳模式終端透傳模式，采集器將數據按照壓縮協議進行壓縮，按照衛星4．0協議打包后，根據設定的上傳間隔主動傳給衛星終端，衛星終端將數據通過衛星透傳給指揮機，指揮機將數據傳給中轉軟件，中轉軟件一方面對獲取到的數據進行存儲，另一方面要對數據進行解析，解析后的數據通過TCP方式發給區域站統一版軟件［5］。

4．3兩種設計模式優缺點比較兩種數據傳輸模式均可以實現石油平臺自動氣象站數據通過北斗衛星通信正常傳輸，總結兩種模式優缺點。

4．4測試結果通過分析超過一個月的試驗數據表明，采用終端透傳的方式，通信效率較高，但是由于上位機對探頭缺乏控制，數據通信成功率能達到80％，采用終端中轉的方式，增加了對探頭的控制，通信成功率能達到99％以上。因此最終選用終端中轉方式在石油平臺氣象站上應用。天津市氣象局應用文章設計的通信方案建設了14套石油平臺氣象站，對運行1個月（2017年09月）的到報率進行統計分析，如圖6所示，5min平均收報率98．84％，10min平均收報率99．00％，15min平均收報率99．12％，最終收報率為100％，滿足業務化運行條件，其中錦州9號收報率相對較低的主要原因是該平臺09月份由于濕度傳感器故障進行現場維修，在維修期間，通信中斷，造成個別數據的延遲。5結束語文章設計了一套基于北斗通信的石油平臺氣象站數據傳輸和共享系統，試驗證明系統通信運行穩定可靠，數據傳輸及時。該系統將實時氣象觀測數據共享給石油平臺，滿足了對直升機起降、船只航行等氣象數據的需求。同時，該系統集成度高，體積小巧，結構采用防爆防腐的材料，適應于各種石油平臺、海島等場合。北斗短報文通信技術在石油平臺氣象站的應用，完善了天津市的海洋氣象觀測網，進一步增加了天津市的海洋氣象觀測能力，為開展渤海氣象服務提供了強有力的數據支撐。該系統在石油平臺上成功應用，也豐富了海洋氣象預報預警服務產品，提高了沿海區域天氣的氣象服務水平。

參考文獻：

［1］甘志強，陸土金，李大君，等．北斗衛星通訊在南海海洋氣象觀測中的應用［J］．氣象水文海洋儀器，2015，33（01）：70－74．

［2］劉玲瑞，田萬榮，林立，等．北斗衛星通訊技術在新疆山區水文氣象監測中的應用［J］．水利規劃與設計，2014，（01）：26－29．

［3］張繼光，羅林艷，高爐東．北斗衛星通信在省級氣象數據收集中的應用［J］．安徽農業科學，2015，43（11）：186－187．

［4］江彩英，黃永玉，謝丹，等．北斗衛星應急通信傳輸試點建設［J］．氣象科技，2013，41（05）：857－860．

［5］聶林波．基于北斗的氣象自動觀測系統數據編碼設計［J］．微型機與應用，2017，36（08）：15，18．

作者：李曉波1；郭玉潔2；崔明1；陳樹成1單位：1．天津市氣象探測中心，2．中環天儀（天津）氣象儀器有限公司