基于DCP的自动气象站数据传输系统设计

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1 风云四号数传功能

根据ITU-R SA.2045建议书的规定，401-403MHz频段专用于卫星气象数据收集。基于此频段规划，风云四号A星设计了数传系统，主要包括原始信息发射机、X/L数据转发器（X波段上行，L波段下行）和UHF/L数据转发器（UHF波段上行，L波段下行），能够实现接收探测数据和星务数据、调制和传输原始遥感数据、转发CDAS处理的云图信号和业务测距信号、转发DCP的数据信号——数据收集平台报告（datacollectionplatformreport，DCPR）、转发搜索救援信号以及提供遥测信标等，如图1所示。其中DCPR的转发通过UHF/L数据转发器的DCPR转发器实现。地面DCP的数据按照401.2MHz的频率上行发送至风云四号卫星，卫星上的DCPR转发器对接收信号进行频率变换后，以1691MHz的频率将数据下行发送至地面CDAS。风云四号A星的DCPR转发器支持多路信号转发，转发通道数达433个，其中国内通道占400个，传输波特率为 1200bit⋅s−11200bit⋅s−1 ，服务范围覆盖 65∘S−65∘N65∘S−65∘N ， 40∘E−165∘E40∘E−165∘E 之间的广阔区域，涵盖亚洲、太平洋、印度洋及澳大利亚等地区[11- 12]。

2 系统设计

DCP安装在自动气象站端，通过串口获取自动气象站观测数据，并按时将观测数据上传至风云卫星。卫星搭载的DCPR转发器将观测数据实时下发至地面CDAS，从而完成自动气象站观测数据的空间传输。作为我国5个风云气象卫星业务国家级地面接收站之一，广州气象卫星地面站建有CDAS，具备DCP数据的接收能力，并将接收的数据以十六进制形式存储于本地数据库中。为保障观测数据访问的安全性，本研究在CDAS部署RESTful API，支持通过远程访问API获取数据库中的自动气象站观测数据，从而避免对数据库的直接操作。在气象私有云上，本研究开发部署了数据采集软件，该软件按照预设规则访问CDAS的数据服务API，获取自动气象站观测数据。数据采集软件对观测数据进行解析处理后，按照要求编制为JSON格式，最终上传至"天擎"，完成自动气象站观测数据的采集传输流程。用户通过访问"天擎"提供的数据接口获取自动气象站观测数据，并根据实际需要开展应用。系统架构示意图如图2所示。

3 CDAS数据接口设计

自动气象站观测数据完成空间传输后，存储于CDAS的本地数据库中，受网络连通及数据库连接限制，后端数据处理系统无法直接对数据库进行操作。为此，本研究基于HTTP网络协议，在CDAS部署RESTful数据接口，根据用户端需求提供自动气象站报文，有效避免因穿透外网而引入的网络安全风险，同时相较于直接读取数据库，也显著提高了数据服务的效率。

3.1 结构设计

数据接口作为CDAS和数据采集软件的连接枢纽，以提高数据库安全性、屏蔽数据库异构性为设计原则。为满足规范化调用方式、规范化输出结果和接口易维护、易扩展的需求，系统在结构上划分为调用层、业务层和数据层3个层次，如图3所示。

调用层是用户调用数据访问服务的边界。数据层是通过数据服务访问系统对外提供数据的数据库管理系统，采用数据库连接池技术来提升应用性能、屏蔽底层数据库的敏感信息。业务层作为核心，负责对用户请求进行分析处理与响应，其内部按逻辑划分为5个模块：解析单元、身份认证、业务规则、服务定位和执行单元。

解析单元：负责解析参数，参数分为：（1）系统参数，即服务系统业务逻辑完整运行必要的非空参数，主要包括API Server；（2）业务参数，即业务规则正常执行所需的非空参数，主要包括Access Token、DCP Code和Time。

身份认证：负责验证用户身份和权限，身份分为：（1）系统管理员拥有通过接口获取数据，以及登录本系统控制台进行管理的权限；（2）用户仅能调用系统发布的数据接口。验证用户的身份，可以判定本次调用是否合法。

业务规则：根据用户请求，在业务规则库中检索对应的业务规则程序，利用业务参数填充规则程序中对应的位置，形成一个完整且可执行的程序。

服务定位：根据业务规则，在业务规则库中检索对应的数据库连接池服务名，通过命名服务和目录服务定位到目标数据库管理系统。

执行单元：通过数据库连接池获取数据库会话，执行已生成的业务程序，最终将得到的正确数据集作为结果返回。

3.2 功能设计

为降低CDAS数据接口与数据采集软件之间的耦合，CDAS数据接口的功能设计以业务需求为指引，设计了实时数据接口和历史数据接口两种类型的API。

1）实时数据接口。

目前，广东省自动气象站报文频率为每5min上传1条，即每小时的0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55min各发送一条当前分钟的气象报文，未来可能加密至每分钟1条。每台DCP均配有唯一序号，数据接口以该DCP序号为索引，提供每台DCP的最新报文，用户仅需按固定时间间隔读取数据接口，即可获取最新的观测信息。

2）历史数据接口。

当数据接口、用户软件或用户网络发生故障时，可能导致用户无法实时读取数据。为方便用户在故障修复后及时补全缺失数据，数据接口提供历史数据补调功能。用户通过HTTP访问读取数据时，只需提交所需历史数据的开始时间和结束时间，即可获取对应时段的数据。

4 数据采集软件设计

数据采集软件通过主动访问CDAS数据接口，获取自动气象站数据，解析处理后上传至"天擎"。软件对各站点数据采集情况进行图形界面展示，主要包括DCP站点管理、接口数据获取、自动气象站报文解析、数据上传、数据分发等功能，如图4所示。

4.1 DCP站点信息管理

自动气象站站号与DCP序号均为独立的唯一编码（DCP Code），根据使用方式，每台自动气象站安装一套DCP，实现了DCP序号与自动气象站站号的一一对应。在自动气象站观测数据的空间传输阶段，由于系统不解析自动气象站报文，无法直接获取自动气象站站号和报文观测时间，因此，需要通过检索DCP Code和CDAS来报时间来区分报文。软件提供了自动气象站站号与DCP Code对应关系的站点管理功能，支持站点参数设置，实现自动气象站站号与DCP Code的相互绑定，绑定关系可在软件主界面查看，如图5所示。软件可通过预设的站点参数信息准确读取相应的站点数据。

4.2 接口数据获取

除DCP Code参数之外，软件通过接口读取数据时，还需将自动气象站报文观测时间转换成对应的CDAS来报时间，再与DCP Code共同作为参数以获取相应时次的站点数据。对CDAS而言，来报时间与报文观测时间存在的时差主要有两个来源：一是报文传输的延迟；二是自动气象站时间与接口服务器时间的差异。软件在综合考虑报文观测时间和传输延迟的基础上，通过设置一定的时延容限来访问接口并获取数据。软件访问接口的频率可根据实际需求进行配置。此外，CDAS数据接口为每套数据采集软件分配唯一密钥，软件通过网络访问数据接口时，需要提供访问密钥以完成验证，验证通过后方可读取数据。

4.3 报文解析

不同类型的自动气象站报文格式不同，需匹配相应的解析方法。软件支持3种报文格式的解析：区域站ASCII、区域站HEX和新型站ASCII。用户可通过选择站点类型，将站点数据导入对应的数据解析流程。在解析原始数据的过程中，软件会产生观测数据和状态数据，并将观测数据按照区域自动气象站标准编码为JSON数据。此外，软件还提供了DCP原始数据、设备数据以及上传前JSON数据、上传后JSON数据共3种数据、4个处理节点的数据保存，其中设备数据从原始数据中提取，JSON数据从原始数据解析后所得。目前软件仅在JSON数据正常上传到中间件后，方会在本地生成上传后JSON数据文件，以便确认数据成功上传。

4.4 数据上传与分发

数据采集软件在完成自动气象站报文解析后，按照兼容现有数据采集传输业务系统的要求，将JSON数据通过中间件上传，最终由后端软件实现数据入库。软件支持四路中间件上传，每一路均可选用RabbitMQ或ActiveMQ作为消息队列服务。

为满足台站的数据应用需求，软件支持将原始数据通过UDP分发到指定的计算机，用户可根据需求配置分发端口。软件支持将每个站点的原始数据发送至多个不同的目标IP和端口，多个IP/端口以分号"；"分隔，并为每个站点设置独立的发送开关。

为实时监控软件运行状态，软件可接入业务值班辅助平台，在数据解析提取监控信息后，软件每分钟通过本地UDP发送端口向信息采集服务器IP的远程接收端口发送心跳包，心跳包中包含本软件固定标识。值班辅助平台解析心跳包后，根据发送方IP和固定标识识别其来源，实时监控软件的运行状态。若心跳包显示异常，值班辅助平台向值班员告警。

5 结论

基于DCP的自动气象站数据传输系统实现了广东省区域站、石油平台自动气象站、海岛自动气象站的数据传输。开发的数据采集软件对自动气象站数据进行处理后上传至中间件，继而汇入区域站4G传输的数据流程，可直接进入业务应用。未来，通过增加数据解析方式，本系统可扩展应用至移动气象站、船舶自动气象站、浮标自动气象站等应急通信或无移动通信覆盖的站点。本系统为广东省气象观测数据传输提供了一套完整的卫星传输方案，可作为4G传输的补充。

与北斗传输相比，该方案由气象部门自主可控，具有更高的安全性和可靠性。通过聚合4G、北斗及风云四号DCP等多种传输方式，实现多链路、多频段数据采集与传输，可大幅提高以石油平台自动气象站为代表的一批海上气象观测站和边远地区自动气象站的稳定运行率，为台风观测、海洋牧场及"一带一路"气象保障服务提供可靠的数据支撑。

风云四号C星于2025年12月27日在西昌卫星发射中心成功发射，目前处于在轨测试状态，待完成测试正式投入业务运行后，其搭载的DCPR转发器将开始为自动气象站观测数据传输提供可靠服务。

参考文献：

[1]陈冰怀,王明辉,陈虹杏,等.基于DCP的自动气象站数据传输系统设计[J/OL].

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