船载气象自动观测站的智能融合通信网关的设计

顾红兵 谢扬戈★

（中国气象局公共气象服务中心，北京 100081）

0 引言

中国海洋辽阔，但海洋气象信息覆盖面不广，传统通信方式的信息覆盖无法满足“一带一路”服务的需求[1]，因为气象信息发布手段比较单一，难以满足近海远海不同场景的需求。且预警信息快速发布的及时性不足，而对海上强对流天气、海啸等预报时效短、灾害后果严重的预警信息、海上紧急突发事件信息，都需要通过有效发布手段实现预警信息快速发布。为此，气象、渔业和海事等部门，分别建立了基于北斗卫星、天通卫星、风云四号卫星及短波通信等方式的通信系统，来拓展对海洋船只的预警信息发布覆盖面。

目前海上没有一种通信方式，可以同时满足稳定的全海洋覆盖、传输不受限、确保流畅的宽带资源、较低的设备成本和使用资费要求。而且，现有的各种通信系统之间相互孤立，缺乏统一的协调管理机制，不能保障整个海洋通信系统合理、高效地运行。对海上作业船只来说，每新添加一种通信方式，就需要在船上新增一个设备，对用户来说是重复建设，带来极大不便。为此，本文设计船载智能通信网关，下行能汇集接收所有通信渠道的数据，上行能够将船上的信息请求、采集数据和求救信号等通过智能选择通信方式，上传反馈到陆地控制中心。智能通信网关综合了多种通信渠道的优势，取长补短，能满足全天候、全域覆盖的海上通信要求。

船载气象自动观测站，正是建立在海上作业船只上，定时将采集的数据通过船载通信网关，利用最优的通信方式传输回数据中心。海上自动观测站点数量的增加，能帮助气象部门更迅速地掌握海上气象条件，不仅可以根据天气气候的特点，充分利用气候资源，提高海洋渔业、旅游、工程作业的生产能力和经济利益，而且在海上发生气象灾害时，能迅速联动多部门及时做出决策响应和指挥调度工作；另外船载气象自动观测站采集数据上传的定时性，能方便及时地发现通信系统的故障，减少系统运维成本，保障整个海上通信系统的正常运行。通信能力的优化，降低了海上建站的难度，也促进船载气象自动观测站的推广建设。

1 船载气象自动观测站

从海上作业平台、货船到普通渔船，都可以利用合适的空间增加采集设备，建造气象自动观测站。船上可用空间越大，可增加的自动观测设备越多，观测的要素种类就会越多；而对于普通渔船，在不影响其捕捞作业的前提下，可增加最小化的船载气象自动观测设备，即可对风速、风向、气压、气温和相对湿度等基础要素采集。气象部门通过获取的数据，为海上船只反向提供气象和应急服务，这是一个相辅相成的过程。

船载气象自动观测站一般由测量传感器、数据采集器和通信设备构成。测量传感器包括风速风向传感器、气温相对湿度传感器、气压传感器和GPS定位定向仪。数据采集器用来采集传感器信息，接收GPS和电罗经信号，并可由人工输入观测数据，规范地处理、存储和传输数据。船载气象自动观测设备采集到的数据通过北斗终端通信传输到数据中心。

按照GB/T 12763-2007《海洋调查规范》[2]、GB/T 17838-2017《船舶海洋水文气象辅助测报规范》[3]的规定，船载气象自动观测设备能自动处理真风速、真风向、气温、相对湿度、海平面气压、海水表温等观测数据，并可输入和存储人工观测数据，如云状、云量、云高、能见度、天气现象、波浪、涌浪和海发光体等的功能。

2 海上多渠道融合的通信系统

目前在海上可以使用多种通信方式，近海可使用蜂窝移动通信、短波通信，远海可使用风云四号气象卫星、北斗卫星和天通一号通信卫星等[4]。每种通信方式的稳定率、覆盖率、单双向、运行成本等都不一致（表1）。结合多种手段的优点缺点，把各种通信方式融合起来[5]，能够扬长避短，提高通信效率，降低成本。在不同的海域范围内，都能实现全天候、全覆盖的通信。

表1 各通信方式的参数

传播控制平台通过统一的CAP（common alerting protocol,通用协议）对接，将数据送到各种卫星的主站、短波发射塔、移动通信基站等，融合卫星、短波资源，多通道并发发布（图1）。接收端从各个通道获取信息后，将所有数据汇集到智能融合通信网关上，再由网关分发到终端控制显示屏、手机、大喇叭等，实现快速下发的通信方式。

图1 卫星、短波等多渠道融合通信体系

在融合通信体系中，我们同时研究基于探测数据、点播、查询请求、SOS等上行数据的通信方式，通过智能通信网关进行渠道优选策略，匹配最合适的通信渠道，提高了数据的反馈效率。 由预警信息传播控制平台对所有上行数据进行采集后，分析业务类别和需求，再将数据传输到对应的业务平台，实现了多渠道融合通信体系的闭环设计。

海上多渠道融合通信系统的建立，有效地减少了海上通信的障碍。气象、渔业和海事等部门可将相关业务平台分别对接传播控制平台，更好地扩展了海上业务的种类和范围，且共用一套渠道发布资源，提高系统的利用率，减少重复建设的成本。上下行信息顺畅的流通也减少了陆地和海洋的距离，便利了各部门的业务开展及与海上作业人员的通信。

3 船载智能融合通信网关的设计

3.1 星地动态协同组网的研究

建立多渠道融合体系已解决了海上通信覆盖问题，但星、地两张通信网在时延、速率等方面差异很大，例如GEO卫星的往返传输时延为几百毫秒，是地面系统的上百倍。当两张网融合，设计智能融合通信网关，借助海上用户位置可追溯、可预测的特点，进而按需编排星地单元，实现动态动网是目前条件下最可行路径。此外，依托智能通信网关上的本地存储和计算能力，可以很大地弥补海上通信的不确定性，提供相对稳定的信息服务，使得星地单元在不同尺度上构建多层次协同关系。

综合利用各类卫星、短波、岸基/岛基/船基基站等实现动态智能传输，依靠融合通信网关实现多平台信息的协同处理。将预警信息、海上自动观测数据、用户移动轨迹及通信需求特性等方面的信息通过窄带卫星、窄带广域覆盖岸基网络等收集，并上传至中央处理器进行分析处理。继而利用中央处理器和具有边缘处理能力的融合通信网关分布式、协同地优化调整星地协同策略、资源编排方式、传输参数等，实现海上环境感知智能传输，与常规通信方法相比，显著提升服务消费比。

海域信道受海上气象、海面波动等影响显著，通过引入精细化海况、天气条件等外信息，可估计或预测海洋通信的信道条件，进而相应地调整天线配置、载波选择、分集方案等，匹配信道条件，实现传输效率的最大化。这与常规通信方法相比，省去了信道估计环节，可极大地降低系统开销，提高海上通信消费比。

3.2 智能融合通信网关设计

船载智能融合通信网关[6]是建立在海上多融合通信系统的终端部分，是连接卫星、短波通信单元和船上应用终端设备、船载气象自动观测站的桥梁（图2）。

图2 船载融合通信网关的工作模式

船载智能融合通信网关，下行可以从多种卫星、短波和移动蜂窝信道获取信息内容，按照数据规范协议对信息进行解码还原，并且将信息分发到船上的信息管理系统、手机、喇叭等终端进行展示和应用。当加入一种新的通信方式，只需按照指定的数据协议，接入到船载智能通信网关，即可快速建立对接。相较于传统通信建设中每种通信方式都需要采购对应的接收和解码终端，船载通信网关能大大减少船上通信终端的建设花费。

上行以船载气象自动观测的风速、风向、气压、气温和相对湿度等为基础，以及对云状、云量、云高、能见度、天气现象等人工观测数据进行存储并处理，输出符合国际数据规范的数据格式后，通过船上建立的局域网，送到船载通信网关。船载通信网关对数据进行封装和编码，并针对目前海域位置、信道的情况，智能选择最优的传输方式，回传到陆地上的数据中心。船载智能通信网关还可以处理用户其他的点播互动、即时信息通信、求救等请求数据。

根据网关的工作模式，除了对接卫星、短波和移动蜂窝通信的天线及模块外，融合通信网关还内置了ZigBee和wifi的船上分发和接收模块，具有边缘数据处理能力需要的工业级处理器、内存和存储、可扩展式的USB和RJ45等线路接口（图3）。

图3 船载融合通信网关的设计

船载智能融合通信网关提高了海陆间的通信能力，降低了船上建立气象自动观测站的难度水平，同时也减少了通信设备的重复建设，更便于向渔民和货船等推广建设。当海上气象自动观测站的密度增加后，气象部门对海上的气象条件掌握得更多，做出的气象预报分析结论也更加准确，对海洋渔业、旅游、工程作业以及海上预警业务都产生了巨大的作用。

由于海陆间距离远，且以使用卫星通信为主，通信成本会比陆地上的成本更高，充分利用通信资源能降低对系统的运维成本。船载气象自动观测站采集数据后，定时通过船载通信网关上传数据，这可作为一种心跳连接的方式，让陆地上的控制中心定时更新船上设备运行状态，使整条通信链路处于顺畅状况。一旦观测数据停止了上报，便可立即获知设备或者通信出现了故障，人们便可及时对设备和通信进行抢救。作为海上预警业务的一个重要附加业务功能，其提高了对整套海上通信系统的运维能力，降低了运维成本，能保障重要应急预警业务的正常运行，创造良好的经济效益。

3.3 应用前景

当前船载设备存在两大痛点：数字化程度低，不利于商业服务。而且每使用一种通信方式，需要采购一个对应的通信终端，扩展性差。因此，融合通信网关以应用场景和服务需求为基础进行设计，可提高船载设备的可用性。

据2019年的统计数据，全球商船船队100GT以上的总共有95402艘海船[其中1000GT以上51684艘，中国（不含港台）6125艘，占比11.8%]；中国渔船70多万艘，海洋捕捞机动渔船数量为14.70万艘（12m以上45%左右，6.65万艘），广东省为3.40万艘；其他包括海洋工程船舶、海洋开发船舶、游艇（近年来增长迅速）。前期应用以渔业安全生产为抓手，以渔港改造为落脚点推进，服务用户初期定位为休闲渔船/渔船。

结合渔业政策方面的两个重点：“渔港经济区，渔业产业升级，渔港振兴”，“渔港港长制，依港管人、管船、管渔获”；按农业农村部的部署，以渔港为重点，加强全省渔港建设与管理，推进渔港经济区发展。以渔港为落脚点，围绕部门关注的“安全管理”，增值服务方面考虑渔港提供的“渔船服务，港船联动”需求。

中后期以气象导航、海上气象观测数据采集、气象传真和船舶监测业务进行推广，逐步接入当前的海洋专业服务。同时融合通信网关在陆地上也具有通用性，通过修改配置可进行偏远山区的预警信息发布、山水林草湖信息采集、重点行业使用等。

图4 海洋服务覆盖范围

4 结论

本文介绍了船载智能融合通信网关的设计原理、功能和推广前景。在以卫星、短波、移动蜂窝为主的多渠道融合通信体系下，利用船载智能通信网关可扩展式对接通信资源，使其性能优势相互补充，扩大海洋通信的覆盖范围，提升了星、地间通信效率。这不仅有效地推动了海上应急预警业务的发展，船载气象自动观测站也可利用这个良好的通信环境推广建设在更多的海上作业的船只上，减少了硬件设备的重复采购以及系统的运维成本。海上观测数据的丰富完善，有助于气象部门充分分析和及时发布气象预报、气象预警等信息，让海洋渔业、旅游、工程作业能结合气候条件更充分地挖掘海洋资源，也让各部门迅速联动，针对海上恶劣天气，及时通知海上作业人员，提前做好防护工作，减少人员和经济的损失，创造巨大的社会效益。