基于国内气象通信系统CTS2.0的气象数据传输_黄丽娜.pdf

网络通信与安全本栏目责任编辑：代影Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.3,January2023基于国内气象通信系统CTS2.0的气象数据传输黄丽娜（锡林郭勒盟气象局，内蒙古 锡林浩特 026000)摘要：国内气象通信系统CTS2.0继承并优化了CTS1.0原有FTP文件传输功能，增加了对消息数据和流数据的收发和处理功能，承担着气象数据传输主要传输调度任务。基于国内气象通信系统CTS2.0的气象数据传输，充分利用地面通信网络和卫星广播通信的各自优势，实现对多种类、高频次、大容量、多协议的气象资料高时效传输，满足了气象预报、服务、科研的数据需求。关键词：国内气象通信系统CTS2.0；北斗卫星；文件传输；流传输中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)03-0069-03开放科学（资源服务）标识码(OSID)：1 引言气象通信发展大致经历了四个阶段：无线莫尔斯通信、电传和传真广播通信、电子计算机简单通信、计算机网络化通信。气象信息化发展也大致经历了传统通信、计算机通信、信息网络、以互联网应用为代表的数据驱动业务创新模式1。9210工程是覆盖全国的大型气象通信网络工程，于1999年正式业务运行。9210工程建成了空中与地面相结合、专网与公网相结合，以卫星通信为主、以地面通信为辅，以专网为主、公网为辅，集中控制、分级管理的气象信息网络系统2。随着气象事业的快速发展，各种探测手段的应用，气象资料种类和数量不断增加，日传输数据已超过40GB3，数据传输时效和质量要求不断提高，充分利用地面通信网络和卫星广播通信的各自优势，实现对多种类、高频次、大容量、多协议的气象资料高时效传输。由于地面通信网络带宽迅速提高，经过不断调整，成为上行数据传输的主要链路。卫星广播通信在9210工程建成初期，占据主力地位，肩负上行、下行数据传输两项任务，现转变为只负责下行数据传输。2 国内气象通信系统CTS2.0气象通信系统承担气象观测资料、预报预测产品、服务产品收集和分发，是连接气象综合观测系统、预报预测系统、公共服务系统的桥梁，是支撑气象各业务系统运行和开展科学研究工作的基础系统，其技术水平很大程度上反映了气象现代化、信息化发展水平。国内气象通信系统CTS1.0于2016年4月正式业务运行，是基于FTP文件传输的通信系统，气象预报服务产品收集时效可达到10分钟，观测数据收集时效可达到分钟级。随着气象综合观测、预报预测、公共服务等各项业务的迅速发展，气象数据的种类、频次、数量逐渐增加，关键业务数据的观测采集频次达到分钟级，各类数据按需共享需求日益迫切，基于FTP文件传输的CTS1.0难以完全满足业务发展需求。国内气象通信系统CTS2.0于2019年1月投入业务运行，采用分层结构和模块化设计，构建了具备数据收集、数据缓存、数据处理、数据发送、交换控制、数据补调、传输监视、系统管理、用户管理等功能的数据传输交换系统。CTS2.0实现了与气象观测数据源端的有机衔接，可靠保障了数据通信的规范和高效，继承并优化了CTS1.0原有FTP文件传输功能，增加了对消息数据和流数据的收发和处理功能，实现了对文件、消息和流数据的交换控制，能够支持多种类、高频次、大容量、多协议的气象资料的及时高效传输。CTS2.0实现了台站、市级、省级、国家级数据不落地吞吐和交换，使数据通信业务全流程更为高效快捷。CTS2.0建立了以元数据驱动的全局数据交换控制机制，实现了基于元数据的数据发现和数据订阅，提升了省际数据共享能力。3 气象数据传输气象数据传输主要是通过通信系统收集各气象观测台站、气象台以及省际交换、全国（球）交换等数据，将其分发至预报、科研、服务等用户的全过程。气象数据传输主要传输调度任务由省级国内气象通信系统CTS2.0执行，系统收集到数据后，向中国气象局、收稿日期：2022-06-09作者简介：黄丽娜(1983)，女，河北沧州人，工程师，硕士，主要研究方向为气象信息技术。69DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0142本栏目责任编辑：代影网络通信与安全Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）用户单位、省级全国综合气象信息共享平台(CIMISS)等目的主机进行分发。气象数据传输包含两个主要传输过程上行数据传输和下行数据传输。气象数据传输流程如图1所示。图1 气象数据传输流程示意图3.1 上行数据传输上行数据主要分为8个种类，分别为地面气象资料(SURF)、高空气象资料(UPAR)、气象辐射资料(RADI)、农业气象和生态气象资料(AGME)、大气成分资料(CAWN)、气象雷达资料(RADA)、气象服务产品资料(SEVP)、智能网格预报产品。3.1.1 上行数据传输链路上行数据传输依托于气象宽带网、互联网、北斗卫星通信链路，气象宽带网为主要传输链路，互联网、北斗卫星通信为备份传输链路，当气象宽带网故障时，可通过互联网、北斗卫星通信进行数据传输。上行数据传输链路如图2所示。图2 上行数据传输链路示意图气象宽带网(CMANet)是中国气象局为连通全国各省气象局建设的全国范围地面通信网络，承担着国家级和省级气象部门间的数据通信网络传输任务。内蒙古自治区气象宽带网由自治区、盟市、旗县三级组成，使用运营商提供的MSTP、PTN链路实现三级广域网互联。自治区气象局接入端采用双路由及双链路，利用网络设备堆叠及服务质量(QoS)等相关技术，使双路由及双链路共同承担视频和数据传输任务，实现业务分流以及应急热备的工作模式。自治区气象局通过联通MSTP、移动PTN链路连接至各盟市，达到双链路视频数据业务分流以及负载均衡的需求。盟市气象局分别配备两台接入路由器，避免了设备单点故障影响通信网络，以达到网络热备冗余的效果。北斗卫星通信系统通过北斗报文通信链路自动收集气象观测台站采集的气象数据实时同步传输到各省级气象信息中心，实现了常规地面资料的应急传输功能。北斗卫星通信系统由自治区级中心站管理系统、台站终端系统组成，其中自治区级中心站管理系统包括北斗指挥机、服务器、中心站管理系统软件，台站终端系统包括北斗终端、计算机、北斗终端数据处理软件4。北斗卫星通信具有信号覆盖范围广，信息传输时效性强，信道保密性强，并可为气象监测网提供统一时间基准和位置服务信息等优点。3.1.2 气象数据传输方式气象数据传输方式分为FTP 文件传输、消息传输、流传输三种传输方式。区域站、无人站、交通站、土壤水分站等气象采集数据通过GPRS移动通信自动上传至自治区级中心站，生成报文通过FTP文件传输方式传输至省级国内气象通信系统CTS2.0。气象服务产品、雷达产品、高空等资料也是通过FTP文件传输方式传输至CTS2.0。国家站、辐射、酸雨等BUFR格式的气象资料通过消息传输方式传输至CTS2.0。雷达基数据通过流传输方式传输至CTS2.0。FTP文件传输是指依托国内气象通信系统，基于文件传输协议，将不同台站产生的数据按照不同的配置策略传送到不同的用户。FTP文件传输协议是一套工作在 TCP 模型的应用层上进行文件传输的标准协议，允许用户以文件操作的方式如上传文件、下载文件、创建目录等与远端计算机进行通信，而非直接登录远端计算机成为完全用户，实现文件可靠高效传输，进而提高文件的共享性。消息传输是指依托国内气象通信系统基于消息队列机制，将不同台站产生的数据通过消息代理服务器按照路由指向放入不同的消息队列，从而高效可靠地传送至接收者。消息传输由台站级、省级、国家级三级组成，台站传输客户端通过文件接口目录从地面综合观测业务软件获取BUFR格式数据文件，将数据文件封装成消息，将消息上传至省级消息服务器，原始观测数据在自治区级经过快速质控后，由CTS2.0将质控后的观测数据消息传输至国家级、自治区级CIMISS数据环境，同时落地保护。流传输是指依托国内气象通信系统，基于TCP/IP70网络通信与安全本栏目责任编辑：代影Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第3期(2023年1月）第19卷第3期(2023年1月）协议，将不同台站产生的数据通过数据流传输功能向国家级不落地转发。数据流提供了一种可靠高效的、面向连接的双向数据传输服务，实现了数据无差别、无重复发送，适用于发送大批量的数据或者对数据传输有较高要求的场景。3.2 下行数据传输下行资料传输主要通过卫星广播系统(CMACast)下发、地面宽带网下载、国省协同下发三种方式。卫星广播系统(CMACast)下发方式是指通过接收天线获取卫星广播数据，接收机转发给CTS2.0通信系统，再由CTS2.0通信系统分发到CIMISS入库及其他目的主机。CMACast下发主要数据为全国（球）范围的地面、高空、辐射、农气、海洋、雷达、卫星、数值、融合分析产品、再分析产品等资料。地面宽带网下载方式是指基于定时任务，从中国气象局实时资料共享平台下载相关资料至省级数据共享平台，直接为预报、科研等用户提供服务。宽带网下载主要数据为包括NCEP、T639、GRAPS、葵花8号卫星等资料。国省协同下发方式是指基于消息通知的，通过地面宽带网和国省CTS2.0通信系统下发到省级信息中心，省级信息中心存入数据环境后为用户提供服务。国省协同下发主要数据为国家级网格预报指导产品、二/三源融合降水分析产品、三维云融合分析实时产品、智能网格实况分析产品等资料。3.2.1 卫星广播系统(CMACast)CMACast 是中国气象局新一代卫星广播系统，2012 年 6 月正式投入业务运行，基于国际领先的DVB-S2数字卫星广播标准，使用C波段卫星转发器，很大程度上扩展了气象数据广播的种类及数量，提升了气象数据分发的实时性及可信性。CMACast 卫星广播系统与欧洲中心EUMETCast、美国GEONETCast组成全球对地观测信息传播系统5。CMACast卫星广播系统由卫星转发器、国家级卫星广播主站、气象部门以及非气象部门用户卫星接收站组成。卫星广播主站按照预定的播发策略，对数据及流媒体进行编码加密后形成IP组播流，经过IP封装后，按照数字卫星广播标准DVB-S2进行调制后，进入卫星信道进行广播。在卫星接收站端，基于DVB-S2标准的卫星接收机将卫星信道上的广播数据传输至数据接收服务器，进而推送至数据存储服务器。CMACast卫星广播系统具有星型组网架构如图3所示。CMACast广播通道划分为16个通道组，每个通道组包含1个或多个通道。16个通道组分别为应急通道组、警报通道组、常规资料通道组、国内自定义格式观测资料通道组、数值预报产品通道组、天气雷达资料通道组、卫星资料通道组、预报服务产品通道组、其他资料通道组、省通道组、部门外通道组、国外通道组、业务通知通道组、EUMETSAT通道组、气象频道、电视会商系统直播。3.2.2 国省协同下发为了快速便捷地向省级气象部门提供智能网格实况分析产品、三维云融合分析实时产品等气象数据，中国气象局气象信息中心设计了基于消息通信进行数据下载的新流程，并根据新流程组织开发了相关程序。目前，程序已经能够实现国省之间消息通信、国家级数据授权、省级数据订阅等功能。国家级系统服务端发布实时数据共享服务，省级部署系统客户端，当授权订阅的数据到达国家级设定位置后，国家级服务端向省级客户端发送数据到达通知，由省级客户端从国家级下载对应资料，并通过省级通信系统接入省级数据环境6。4 结束语国内气象通信系统CTS2.0实现了对文件、消息和流数据的交换控制，能够支持多种类、高频次、大容量、多协议的气象资料的及时