自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸方案分析

劉曉明，向恩慧

（民航新疆空管局氣象中心，烏魯木齊 830016）

自動氣象觀測系統(tǒng)是民用機場標(biāo)準(zhǔn)配備的重要助航設(shè)備，實時為空中交通管理部門、機場運行機構(gòu)及航空公司等用戶提供跑道附近的氣象要素數(shù)據(jù)。特別是在低能見度運行情況下，其探測的數(shù)據(jù)是航班能否正常起降的重要決策依據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸是自動氣象觀測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程中的重要環(huán)節(jié)。為提高自動氣象觀測系統(tǒng)的可靠性，近年來，各機場自動氣象觀測系統(tǒng)在已有有線傳輸?shù)幕A(chǔ)上，增加建設(shè)了無線傳輸，作為冗余備份手段。本文分析了自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸軟、硬件解決方案，并提出此方案設(shè)計的思考和建議。

1 自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

自動氣象觀測系統(tǒng)主要由安裝在跑道附近的傳感器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和用戶終端組成。傳感器包括風(fēng)向風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器、云高儀及大氣透射儀或前向散射儀等。通常這些氣象傳感器輸出信號為串口信號，可以選配為RS232或者RS485協(xié)議。這些串口數(shù)據(jù)信號通過傳輸網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP協(xié)議）數(shù)據(jù)包發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器進行驗證、處理。

圖1為典型的自動氣象觀測系統(tǒng)信號傳輸流程，其中串口服務(wù)器的功能為將串口信號轉(zhuǎn)換為UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)信號，串口服務(wù)器可以將UDP數(shù)據(jù)包同時向主、備服務(wù)器進行轉(zhuǎn)發(fā)。在自動氣象觀測系統(tǒng)中一般選用16個端口的串口服務(wù)器，每一個端口接入一個對應(yīng)的傳感器串口信號，在串口服務(wù)器進行信號轉(zhuǎn)發(fā)時，即給這一路信號打上了IP和端口標(biāo)簽[1]。

圖1 自動氣象觀測系統(tǒng)信號傳輸流程

自動氣象觀測系統(tǒng)AVIMET軟件采用遠(yuǎn)程對象結(jié)構(gòu)（ROA），ROA軟件結(jié)構(gòu)中每一個傳感器在AVIMET中被定義為一個對象，每個傳感器對應(yīng)一個固定的IP和端口[2]。服務(wù)器軟件只對傳感器對應(yīng)的IP和端口進行數(shù)據(jù)解析，這個IP和端口是與串口服務(wù)器中的配置一一對應(yīng)的，以區(qū)分各傳感器數(shù)據(jù)。相關(guān)傳感器對應(yīng)的IP、端口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在軟件的端口配置文件ports.ini中定義。以某機場07號跑道的RVR數(shù)據(jù)為例，配置文件解析如下。

[NET06]//串口服務(wù)器的第六路數(shù)據(jù)

LOCATION=[S]"RVV 07"http://跑道07號RVR數(shù)據(jù)

CLASS=[S]"udp"http://數(shù)據(jù)包類型為udp

LOCALPORT=[I]10006//本地數(shù)據(jù)監(jiān)聽端口為10006

REMOTEPORT=[I]1106//遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送端口為1106

REMOTEHOST=[S]"192.168.1.101"http://遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送的IP

自動氣象觀測系統(tǒng)增加建設(shè)無線傳輸，則在傳感器信號輸出端將串口信號并接線路一分為二，分別用于有線和無線傳輸。如新安裝的無線傳輸信號，仍然向服務(wù)器的10006端口發(fā)送數(shù)據(jù)，因為遠(yuǎn)程的IP和端口不同，在服務(wù)器端仍然不會對備份數(shù)據(jù)進行解析，起不到備份作用。自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸在進行傳輸硬件建設(shè)同時，也要解決數(shù)據(jù)軟件解析問題，才可以實現(xiàn)備份作用。

2 無線傳輸硬件

自動氣象觀測系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)，為固定間隔時間采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，不同傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送間隔不同。如風(fēng)向、風(fēng)速3 s，氣壓60 s，溫度、濕度60 s，雨量1 min，云高15 s和能見度15 s，傳輸使用ASCII碼，每個數(shù)據(jù)包不超過50個字符。在無線傳輸設(shè)備選用方面，5.8G無線網(wǎng)橋、4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTU）都可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄脱訒r要求，也是目前主流使用的2種傳輸硬件設(shè)備。不同的設(shè)備各有優(yōu)缺點，具體見表1。

表1 5.8G無線網(wǎng)橋和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)DTU參數(shù)對比

無線網(wǎng)橋具有速度快、帶寬大和延遲低等特點，但安裝條件要求較高，網(wǎng)橋之間需要開闊無遮擋，如不能通視或距離較遠(yuǎn)需要使用中繼設(shè)備，網(wǎng)橋安裝需要設(shè)備基礎(chǔ)，在已有條件不滿足情況下，可能需要重新立桿，進行水泥基礎(chǔ)建設(shè)，在機場飛行區(qū)內(nèi)施工難度較大。5.8G hz為公用頻段，不需要申請電臺執(zhí)照，但機場的各類通信導(dǎo)航設(shè)備較多，電磁環(huán)境復(fù)雜。在建設(shè)時需要對電磁環(huán)境進行評估，排除干擾問題[3]。無線網(wǎng)橋需要成對使用，通常來說，跑道2端、中間3端的自動氣象觀測系統(tǒng)設(shè)備，匯集到1個點即可，也就是單跑道使用網(wǎng)橋數(shù)量為3對。

4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)DTU，則相比之下速度慢，但自動氣象觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較小，也可以傳輸滿足需求，體積小，容易安裝，安裝在設(shè)備機箱內(nèi)即可，不需要考慮遮擋問題，只要有手機信號的地方就可以使用，且不用考慮傳輸距離問題，但使用的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)為運營商公共基站資源，如靠近航站樓，可能有大量旅客使用同一基站數(shù)據(jù)情況，會搶占公共資源，造成數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量下降。4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)DTU一般也為成對使用，每1個傳感器需要使用1個，但跑道機場則需要使用至少9對，每1個DTU都是單獨流量計費，使用成本相對較高。

按照每個機場的情況，如能達(dá)到通視條件和安裝條件，建議選擇無線網(wǎng)橋作為無線傳輸硬件。但在《民用航空機場氣象臺建設(shè)指南》的相關(guān)要求中“云高儀應(yīng)當(dāng)安裝在機場中指點標(biāo)臺內(nèi)，如果不能安裝在中指點標(biāo)臺內(nèi)，可安裝在跑道中線延長線900~1 200 m處”。這個位置通常很難達(dá)到通視條件，在安裝無線傳輸設(shè)備時，建議選擇4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)DTU方式。在一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，無線網(wǎng)橋和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)DTU方式并不沖突，可以進行互補。

3 無線傳輸軟件數(shù)據(jù)處理軟件方案

前文分析，通過硬件部分將數(shù)據(jù)傳輸至室內(nèi)機房，并且軟件只對固定IP和端口的信號進行解析，如何將這2部分?jǐn)?shù)據(jù)進行融合送給服務(wù)器處理是至關(guān)重要的問題。目前有3種較為成熟的解決方案。

3.1 方案一

將局域網(wǎng)內(nèi)的1臺計算機作為數(shù)據(jù)的匯集點，將有線和無線2種數(shù)據(jù)都發(fā)送至這臺計算機的IP，以不同端口方式來區(qū)分各路數(shù)據(jù)。在軟件中讀取有線和無線2路數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的比較和邏輯判斷，如主、備線路數(shù)據(jù)是否相同，校驗碼是否通過。將校驗過的有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給主、備用服務(wù)器。主、備服務(wù)器則不用進行配置方面的改動，主、備服務(wù)器仍然認(rèn)為外部是一路數(shù)據(jù)[4]。

此方法優(yōu)點為不用更改服務(wù)器配置，缺點為這臺匯聚計算機和部署在上面的軟件成為了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)新的單節(jié)點，如此節(jié)點出現(xiàn)問題，不能正常轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，將造成通信失效。

3.2 方案二

保持原有的通信線路和服務(wù)器配置不變，在局域網(wǎng)內(nèi)增加1臺新的計算機，將有線和無線的數(shù)據(jù)同時向這臺計算機轉(zhuǎn)發(fā)，在這臺計算機內(nèi)對2路軟件進行解析，如主用鏈路數(shù)據(jù)中斷，則這臺計算機將備份鏈路數(shù)據(jù)偽裝為主用鏈路數(shù)據(jù)的IP和端口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在服務(wù)器端仍然認(rèn)為數(shù)據(jù)是正常狀態(tài)，主、備傳輸數(shù)據(jù)進行無縫切換。

因為自動氣象觀測系統(tǒng)服務(wù)器只通過UDP數(shù)據(jù)包報頭的IP和端口識別是來自哪個傳感器數(shù)據(jù)。IP地址的偽裝是實現(xiàn)此方案的關(guān)鍵。通常發(fā)送UDP報文（圖2）的實現(xiàn)方式為數(shù)據(jù)報式套接字（SOCK_DGRAM），SOCK_DGRAM在發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，會通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進行封裝，加入UDP報頭、IP報頭等信息，這些信息自動封裝，無法進行修改。使用原始套接字（SOCK_RAW）可以繞過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧自動封裝的過程，對IP報頭等信息進行修改，實現(xiàn)IP地址偽裝的目的。標(biāo)準(zhǔn)套接字是建立在UDP/IP協(xié)議之上，原始套接字則植根于操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心部分。

圖2 UDP報文格式

通過原始套接字修改源地址、源端口，使得自動氣象觀測系統(tǒng)服務(wù)器認(rèn)為UDP報文是由串口服務(wù)器發(fā)出，進行正常的數(shù)據(jù)解析。而微軟公司為了限制黑客濫用此技術(shù)進行非法攻擊，自Windows2000版本后禁止軟件程序通過原始套接字發(fā)送偽造源IP和源端口的UDP報文。在技術(shù)實現(xiàn)上，如在Windows操作系統(tǒng)上需要程序員自行開發(fā)底層驅(qū)動，要進行一個“造輪子”的過程，或者在Linux操作系統(tǒng)上進行實現(xiàn)，無論哪種方法，無疑都是具有一定難度的。

此方法優(yōu)點是不改變原來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不存在單節(jié)點，新增的無線傳輸鏈路處于虛連接狀態(tài)，在主用鏈路終端情況下，備份鏈路才開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，缺點是技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜，對技術(shù)開發(fā)人員和設(shè)備維護人員要求較高。

3.3 方案三

在數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)采用“虛擬傳感器的方法”，即在將新增的無線傳輸通信數(shù)據(jù)，也向主、備服務(wù)器發(fā)送，同時，在數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)，增加新的傳感器對象，在服務(wù)器內(nèi)將新增的數(shù)據(jù)，當(dāng)作一個全新的傳感器進行數(shù)據(jù)處理，依靠數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)部的傳感器主、備邏輯進行準(zhǔn)備線路上的數(shù)據(jù)切換。以云高儀為例：

在ports.ini增加傳感器端口定義

在增加以上代碼后，還需要對自動氣象觀測系統(tǒng)界面文件進行修改，對新增的內(nèi)容進行顯示。

此方法優(yōu)點為沒有單節(jié)點，并且依靠AviMet軟件自身強大的數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)處理能力，可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，缺點為需要在軟件內(nèi)增加相應(yīng)的配置，虛擬出來的傳感器數(shù)量和現(xiàn)有傳感器數(shù)量一致，如單跑道機場至少有9套傳感器，則虛擬9套傳感器，多跑道機場則需要在服務(wù)器內(nèi)建立虛擬傳感器對象則更多，配置邏輯復(fù)雜[5]。圖3為自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸3種解決方案。

圖3 自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸解決方案

3.4 小結(jié)

以上3種軟件解決方案，是技術(shù)人員經(jīng)過多年不斷總結(jié)，并且根據(jù)實際情況形成的。方案一采用了星型網(wǎng)絡(luò)，其中數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)發(fā)計算機是網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點，有一定的安全隱患。方案二中相當(dāng)于是方案一的改進版，2路數(shù)據(jù)同時向數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)發(fā)計算機發(fā)送，由部署在改機的軟件進行判斷是否進行轉(zhuǎn)發(fā)，該方案使用了類似于黑客技術(shù)的原始套接字進行地址欺騙，完美地規(guī)避了改變原有網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)造成的風(fēng)險，但目前該軟件方案并沒有進行商業(yè)化，而且實現(xiàn)技術(shù)難度較高。方案一和方案二是相當(dāng)于在原有系統(tǒng)上的外掛式方案，方案三則更接近于原生方案，省去了數(shù)據(jù)監(jiān)控轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，但系統(tǒng)軟件配置較為復(fù)雜，需要廠家進行技術(shù)支持，并且產(chǎn)生較高的費用。

4 結(jié)束語

隨著民航事業(yè)的發(fā)展，自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸已經(jīng)是自觀建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置，原有未建設(shè)自動氣象觀測系統(tǒng)的機場，也逐漸增加建設(shè)了無線傳輸以提高數(shù)據(jù)的可靠性。在有線傳輸方面，目前不少機場已經(jīng)采用同步數(shù)字體系（SDH）光環(huán)網(wǎng)或通過脈沖編碼調(diào)制（PCM）機實現(xiàn)光纖和E1雙鏈路1∶1保護，可靠性已經(jīng)非常高，但仍存在地面鏈路多路傳輸?shù)灿猛粭l光纜的情況，如出現(xiàn)光纜被挖斷等情況造成通信失效，無線傳輸仍是必要的備份手段[6]。本文分析了自動氣象觀測系統(tǒng)的軟硬件解決方案，可為民航機場建設(shè)自動氣象觀測系統(tǒng)無線傳輸提供參考。