基于國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0的氣象數(shù)據(jù)傳輸

黃麗娜

關(guān)鍵詞：國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0；北斗衛(wèi)星；文件傳輸；流傳輸

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0069-03

1 引言

氣象通信發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：無線莫爾斯通信、電傳和傳真廣播通信、電子計算機簡單通信、計算機網(wǎng)絡(luò)化通信。氣象信息化發(fā)展也大致經(jīng)歷了傳統(tǒng)通信、計算機通信、信息網(wǎng)絡(luò)、以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為代表的數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)創(chuàng)新模式[1]。

9210工程是覆蓋全國的大型氣象通信網(wǎng)絡(luò)工程，于1999年正式業(yè)務(wù)運行。9210工程建成了空中與地面相結(jié)合、專網(wǎng)與公網(wǎng)相結(jié)合，以衛(wèi)星通信為主、以地面通信為輔，以專網(wǎng)為主、公網(wǎng)為輔，集中控制、分級管理的氣象信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。

隨著氣象事業(yè)的快速發(fā)展，各種探測手段的應(yīng)用，氣象資料種類和數(shù)量不斷增加，日傳輸數(shù)據(jù)已超過40GB[3]，數(shù)據(jù)傳輸時效和質(zhì)量要求不斷提高，充分利用地面通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星廣播通信的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)對多種類、高頻次、大容量、多協(xié)議的氣象資料高時效傳輸。由于地面通信網(wǎng)絡(luò)帶寬迅速提高，經(jīng)過不斷調(diào)整，成為上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕溌?。衛(wèi)星廣播通信在9210工程建成初期，占據(jù)主力地位，肩負(fù)上行、下行數(shù)據(jù)傳輸兩項任務(wù)，現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹回?fù)責(zé)下行數(shù)據(jù)傳輸。

2 國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0

氣象通信系統(tǒng)承擔(dān)氣象觀測資料、預(yù)報預(yù)測產(chǎn)品、服務(wù)產(chǎn)品收集和分發(fā)，是連接氣象綜合觀測系統(tǒng)、預(yù)報預(yù)測系統(tǒng)、公共服務(wù)系統(tǒng)的橋梁，是支撐氣象各業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行和開展科學(xué)研究工作的基礎(chǔ)系統(tǒng)，其技術(shù)水平很大程度上反映了氣象現(xiàn)代化、信息化發(fā)展水平。

國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS1.0于2016年4月正式業(yè)務(wù)運行，是基于FTP文件傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，氣象預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品收集時效可達到10分鐘，觀測數(shù)據(jù)收集時效可達到分鐘級。隨著氣象綜合觀測、預(yù)報預(yù)測、公共服務(wù)等各項業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，氣象數(shù)據(jù)的種類、頻次、數(shù)量逐漸增加，關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的觀測采集頻次達到分鐘級，各類數(shù)據(jù)按需共享需求日益迫切，基于FTP文件傳輸?shù)腃TS1.0難以完全滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0于2019年1月投入業(yè)務(wù)運行，采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，構(gòu)建了具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、交換控制、數(shù)據(jù)補調(diào)、傳輸監(jiān)視、系統(tǒng)管理、用戶管理等功能的數(shù)據(jù)傳輸交換系統(tǒng)。CTS2.0實現(xiàn)了與氣象觀測數(shù)據(jù)源端的有機銜接，可靠保障了數(shù)據(jù)通信的規(guī)范和高效，繼承并優(yōu)化了CTS1.0原有FTP文件傳輸功能，增加了對消息數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理功能，實現(xiàn)了對文件、消息和流數(shù)據(jù)的交換控制，能夠支持多種類、高頻次、大容量、多協(xié)議的氣象資料的及時高效傳輸。CTS2.0實現(xiàn)了臺站、市級、省級、國家級數(shù)據(jù)不落地吞吐和交換，使數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)全流程更為高效快捷。CTS2.0建立了以元數(shù)據(jù)驅(qū)動的全局?jǐn)?shù)據(jù)交換控制機制，實現(xiàn)了基于元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)訂閱，提升了省際數(shù)據(jù)共享能力。

3 氣象數(shù)據(jù)傳輸

氣象數(shù)據(jù)傳輸主要是通過通信系統(tǒng)收集各氣象觀測臺站、氣象臺以及省際交換、全國（球）交換等數(shù)據(jù)，將其分發(fā)至預(yù)報、科研、服務(wù)等用戶的全過程。氣象數(shù)據(jù)傳輸主要傳輸調(diào)度任務(wù)由省級國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0執(zhí)行，系統(tǒng)收集到數(shù)據(jù)后，向中國氣象局、用戶單位、省級全國綜合氣象信息共享平臺（CIMISS）等目的主機進行分發(fā)。氣象數(shù)據(jù)傳輸包含兩個主要傳輸過程上行數(shù)據(jù)傳輸和下行數(shù)據(jù)傳輸。氣象數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1所示。

3.1 上行數(shù)據(jù)傳輸

上行數(shù)據(jù)主要分為8個種類，分別為地面氣象資料（SURF） 、高空氣象資料（UPAR） 、氣象輻射資料（RADI） 、農(nóng)業(yè)氣象和生態(tài)氣象資料（AGME） 、大氣成分資料（CAWN） 、氣象雷達資料（RADA） 、氣象服務(wù)產(chǎn)品資料（SEVP） 、智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品。

3.1.1 上行數(shù)據(jù)傳輸鏈路

上行數(shù)據(jù)傳輸依托于氣象寬帶網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星通信鏈路，氣象寬帶網(wǎng)為主要傳輸鏈路，互聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星通信為備份傳輸鏈路，當(dāng)氣象寬帶網(wǎng)故障時，可通過互聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星通信進行數(shù)據(jù)傳輸。上行數(shù)據(jù)傳輸鏈路如圖2所示。

氣象寬帶網(wǎng)（CMANet） 是中國氣象局為連通全國各省氣象局建設(shè)的全國范圍地面通信網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著國家級和省級氣象部門間的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)。內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象寬帶網(wǎng)由自治區(qū)、盟市、旗縣三級組成，使用運營商提供的MSTP、PTN鏈路實現(xiàn)三級廣域網(wǎng)互聯(lián)。自治區(qū)氣象局接入端采用雙路由及雙鏈路，利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備堆疊及服務(wù)質(zhì)量（QoS） 等相關(guān)技術(shù)，使雙路由及雙鏈路共同承擔(dān)視頻和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流以及應(yīng)急熱備的工作模式。自治區(qū)氣象局通過聯(lián)通MSTP、移動PTN鏈路連接至各盟市，達到雙鏈路視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分流以及負(fù)載均衡的需求。盟市氣象局分別配備兩臺接入路由器，避免了設(shè)備單點故障影響通信網(wǎng)絡(luò)，以達到網(wǎng)絡(luò)熱備冗余的效果。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過北斗報文通信鏈路自動收集氣象觀測臺站采集的氣象數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)礁魇〖墯庀笮畔⒅行模瑢崿F(xiàn)了常規(guī)地面資料的應(yīng)急傳輸功能。北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)由自治區(qū)級中心站管理系統(tǒng)、臺站終端系統(tǒng)組成，其中自治區(qū)級中心站管理系統(tǒng)包括北斗指揮機、服務(wù)器、中心站管理系統(tǒng)軟件，臺站終端系統(tǒng)包括北斗終端、計算機、北斗終端數(shù)據(jù)處理軟件[4]。北斗衛(wèi)星通信具有信號覆蓋范圍廣，信息傳輸時效性強，信道保密性強，并可為氣象監(jiān)測網(wǎng)提供統(tǒng)一時間基準(zhǔn)和位置服務(wù)信息等優(yōu)點。

3.1.2 氣象數(shù)據(jù)傳輸方式

氣象數(shù)據(jù)傳輸方式分為FTP 文件傳輸、消息傳輸、流傳輸三種傳輸方式。區(qū)域站、無人站、交通站、土壤水分站等氣象采集數(shù)據(jù)通過GPRS移動通信自動上傳至自治區(qū)級中心站，生成報文通過FTP文件傳輸方式傳輸至省級國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0。氣象服務(wù)產(chǎn)品、雷達產(chǎn)品、高空等資料也是通過FTP文件傳輸方式傳輸至CTS2.0。國家站、輻射、酸雨等BUFR格式的氣象資料通過消息傳輸方式傳輸至CTS2.0。雷達基數(shù)據(jù)通過流傳輸方式傳輸至CTS2.0。

FTP文件傳輸是指依托國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)，基于文件傳輸協(xié)議，將不同臺站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按照不同的配置策略傳送到不同的用戶。FTP文件傳輸協(xié)議是一套工作在TCP 模型的應(yīng)用層上進行文件傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)協(xié)議，允許用戶以文件操作的方式如上傳文件、下載文件、創(chuàng)建目錄等與遠端計算機進行通信，而非直接登錄遠端計算機成為完全用戶，實現(xiàn)文件可靠高效傳輸，進而提高文件的共享性。

消息傳輸是指依托國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)基于消息隊列機制，將不同臺站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過消息代理服務(wù)器按照路由指向放入不同的消息隊列，從而高效可靠地傳送至接收者。消息傳輸由臺站級、省級、國家級三級組成，臺站傳輸客戶端通過文件接口目錄從地面綜合觀測業(yè)務(wù)軟件獲取BUFR格式數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)文件封裝成消息，將消息上傳至省級消息服務(wù)器，原始觀測數(shù)據(jù)在自治區(qū)級經(jīng)過快速質(zhì)控后，由CTS2.0將質(zhì)控后的觀測數(shù)據(jù)消息傳輸至國家級、自治區(qū)級CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境，同時落地保護。

流傳輸是指依托國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)，基于TCP/IP協(xié)議，將不同臺站產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)流傳輸功能向國家級不落地轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)流提供了一種可靠高效的、面向連接的雙向數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無差別、無重復(fù)發(fā)送，適用于發(fā)送大批量的數(shù)據(jù)或者對數(shù)據(jù)傳輸有較高要求的場景。

3.2 下行數(shù)據(jù)傳輸

下行資料傳輸主要通過衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMACast）下發(fā)、地面寬帶網(wǎng)下載、國省協(xié)同下發(fā)三種方式。

衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMACast） 下發(fā)方式是指通過接收天線獲取衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)，接收機轉(zhuǎn)發(fā)給CTS2.0通信系統(tǒng)，再由CTS2.0通信系統(tǒng)分發(fā)到CIMISS入庫及其他目的主機。CMACast下發(fā)主要數(shù)據(jù)為全國（球）范圍的地面、高空、輻射、農(nóng)氣、海洋、雷達、衛(wèi)星、數(shù)值、融合分析產(chǎn)品、再分析產(chǎn)品等資料。

地面寬帶網(wǎng)下載方式是指基于定時任務(wù)，從中國氣象局實時資料共享平臺下載相關(guān)資料至省級數(shù)據(jù)共享平臺，直接為預(yù)報、科研等用戶提供服務(wù)。寬帶網(wǎng)下載主要數(shù)據(jù)為包括NCEP、T639、GRAPS、葵花8號衛(wèi)星等資料。

國省協(xié)同下發(fā)方式是指基于消息通知的，通過地面寬帶網(wǎng)和國省CTS2.0通信系統(tǒng)下發(fā)到省級信息中心，省級信息中心存入數(shù)據(jù)環(huán)境后為用戶提供服務(wù)。國省協(xié)同下發(fā)主要數(shù)據(jù)為國家級網(wǎng)格預(yù)報指導(dǎo)產(chǎn)品、二/三源融合降水分析產(chǎn)品、三維云融合分析實時產(chǎn)品、智能網(wǎng)格實況分析產(chǎn)品等資料。

3.2.1 衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMACast）

CMACast 是中國氣象局新一代衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，2012 年6 月正式投入業(yè)務(wù)運行，基于國際領(lǐng)先的DVB-S2數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)，使用C波段衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，很大程度上擴展了氣象數(shù)據(jù)廣播的種類及數(shù)量，提升了氣象數(shù)據(jù)分發(fā)的實時性及可信性。CMACast 衛(wèi)星廣播系統(tǒng)與歐洲中心EUMETCast、美國GEONETCast組成全球?qū)Φ赜^測信息傳播系統(tǒng)[5]。

CMACast衛(wèi)星廣播系統(tǒng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、國家級衛(wèi)星廣播主站、氣象部門以及非氣象部門用戶衛(wèi)星接收站組成。衛(wèi)星廣播主站按照預(yù)定的播發(fā)策略，對數(shù)據(jù)及流媒體進行編碼加密后形成IP組播流，經(jīng)過IP封裝后，按照數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2進行調(diào)制后，進入衛(wèi)星信道進行廣播。在衛(wèi)星接收站端，基于DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星接收機將衛(wèi)星信道上的廣播數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，進而推送至數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。CMA?Cast衛(wèi)星廣播系統(tǒng)具有星型組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

CMACast廣播通道劃分為16個通道組，每個通道組包含1個或多個通道。16個通道組分別為應(yīng)急通道組、警報通道組、常規(guī)資料通道組、國內(nèi)自定義格式觀測資料通道組、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品通道組、天氣雷達資料通道組、衛(wèi)星資料通道組、預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品通道組、其他資料通道組、省通道組、部門外通道組、國外通道組、業(yè)務(wù)通知通道組、EUMETSAT通道組、氣象頻道、電視會商系統(tǒng)直播。

3.2.2 國省協(xié)同下發(fā)

為了快速便捷地向省級氣象部門提供智能網(wǎng)格實況分析產(chǎn)品、三維云融合分析實時產(chǎn)品等氣象數(shù)據(jù)，中國氣象局氣象信息中心設(shè)計了基于消息通信進行數(shù)據(jù)下載的新流程，并根據(jù)新流程組織開發(fā)了相關(guān)程序。

目前，程序已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)國省之間消息通信、國家級數(shù)據(jù)授權(quán)、省級數(shù)據(jù)訂閱等功能。國家級系統(tǒng)服務(wù)端發(fā)布實時數(shù)據(jù)共享服務(wù)，省級部署系統(tǒng)客戶端，當(dāng)授權(quán)訂閱的數(shù)據(jù)到達國家級設(shè)定位置后，國家級服務(wù)端向省級客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)到達通知，由省級客戶端從國家級下載對應(yīng)資料，并通過省級通信系統(tǒng)接入省級數(shù)據(jù)環(huán)境[6]。

4 結(jié)束語

國內(nèi)氣象通信系統(tǒng)CTS2.0實現(xiàn)了對文件、消息和流數(shù)據(jù)的交換控制，能夠支持多種類、高頻次、大容量、多協(xié)議的氣象資料的及時高效傳輸。隨著地面通信網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷增加及衛(wèi)星廣播通信不斷進步，地面通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星廣播通信相融合，并由CTS2.0執(zhí)行氣象數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度任務(wù)，構(gòu)建了可靠高速的氣象數(shù)據(jù)綜合通信傳輸系統(tǒng)，保障了氣象數(shù)據(jù)及時穩(wěn)定可靠傳輸。