刘增宏，王德亮， 卢少磊， 谌启伟， 曹敏杰， 李 莉， 许建平

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

国际 Argo计划自 2000年启动实施以来，30多个国家和地区在全球海洋中陆续投放了超过14 000个自动剖面浮标。目前在海上正常工作的浮标总数约3 900个，已经成为全球海洋观测系统的重要支柱，正源源不断地为国际社会提供全球海洋 0～2 000 m深度范围内的海洋温度和盐度资料。迄今所获剖面资料总数已达180万条，并正以每年约14万条剖面的速度增加[1-3]。Argo已经成为从海盆尺度到全球尺度物理海洋学研究的主要数据源，而且已在海洋和大气科学领域的基础研究及其业务化预测预报中得到广泛应用[4-6]。在未来 2年内将最终建成由4 000个剖面浮标组成的“全球Argo”实时海洋观测网，每年补充布放的浮标约需1 000个左右[7]。截止 2017年底，我国累计在太平洋和印度洋等海域布放了400多个Argo剖面浮标，仍有100多个在海上正常工作，已成为国际 Argo计划的重要成员国。

然而，我国Argo计划布放的剖面浮标主要为美国Teledyne Webb公司研制的APEX型，以及法国 NKE公司研制的PROVOR 型和ARVOR型剖面浮标。在这些型号的剖面浮标中，APEX型浮标的开发时间最早，技术性能最稳定，特别受到各Argo成员国的青睐，目前约占全球Argo观测网中浮标总数的57%。我国虽自“十五”计划开始，就已着手国产剖面浮标关键技术的开发工作，先后研制出了多种型号的自持式剖面浮标，并采用北斗卫星导航系统（BDS）定位和数据传输，已经具备批量生产的能力，但在 2015年 10月以前，在全球Argo实时海洋观测网中却还难见其身影[8]。究其原因，除了国产剖面浮标提供的观测信息、数据格式和采样参数等与国际Argo资料管理小组的规定不符，以及剖面浮标在海上长期测量的可靠、稳定性和观测资料的精度还有待改进和提高外，利用北斗卫星导航系统定位、通讯的国产剖面浮标，缺乏如国际上Argos和Iridium卫星地面接收服务中心那样的为全球 Argo实时海洋观测网提供剖面浮标观测信息统一接收服务的国家平台。仅仅依靠浮标生产商提供间接的、不具备专业性的观测信息接收服务，影响了国产剖面浮标进入全球海洋观测网的进程。

为此，有必要建立中国北斗剖面浮标数据服务中心，统一为北斗剖面浮标用户提供观测信息接收、解码和质量控制等专业服务，开发和研制北斗剖面浮标数据自动接收，以及数据解码、校正、质量控制及数据共享服务系统，使之具备自动、批量、业务化接收浮标数据，以及业务化处理和分发浮标数据的能力，从而帮助国产剖面浮标走出国门参与国际竞争，早日成为全球Argo大家庭中的重要一员。同时，还可为我国深远海资源开发、海洋运输、远洋渔业和海上军事活动等提供基础数据与信息服务，对捍卫国家安全和维护海洋权益都有着重要的战略和现实意义。

1 总体方案设计

北斗剖面浮标泛指利用我国自主研制的BDS，进行位置定位和观测数据传输的各种类型（如HM2000、COPEX型）自动剖面浮标的统称。北斗剖面浮标数据服务系统就是为这类使用BDS定位和通讯的自动剖面浮标提供浮标信息及其测量数据统一接收、解码、处理和质量控制等服务的综合管理平台，也是中国北斗剖面浮标数据服务中心的重要基础设施。可为国内外北斗剖面浮标用户提供业务化信息服务，并可拓展北斗卫星导航系统的服务领域，加速国产剖面浮标产品化，使得我国主导建设南海 Argo区域海洋观测网有了足够的技术保障和坚实基础。同时，也可为我国倡议建设“覆盖‘海上丝绸之路'的区域Argo实时海洋观测网”打下基础，增进与“海上丝绸之路”沿线国家的交流与合作，扩大我国在国际合作计划中的显示度。

BDS是继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS全球定位系统之后第3个成熟的卫星导航系统，全部建成后可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力。目前已经具备区域导航、定位和授时能力（图1），定位精度优于20 m，授时精度优于100 ns。2012年12月，北斗系统空间信号接口控制文件正式版的公开发布，开创了北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务的先河[9]。而且，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，还能与GPS兼容，特别适合集团用户大范围监控与管理和无依托地区数据采集用户数据传输应用。

图1 北斗系统覆盖区域Fig.1 Coverage area of BDS

与北斗剖面浮标数据服务系统配套建设的“北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）”，其常规服务功能（如接收、分发来自浮标的信息和剖面数据）将与国际上已有的“ARGOS卫星地面接收中心（法国图卢兹）”和“IRIDIUM卫星地面接收中心（美国马里兰）”相同，且部分服务功能（如对浮标信息/数据解码、校正和质量控制等）应优于ARGOS和IRIDIUM卫星地面接收中心。建成后可成为第3个为全球 Argo实时海洋观测网提供剖面浮标运行及其观测数据服务的国家平台（图2）[10]。

图2 国际上3个为全球Argo实时海洋观测网提供浮标数据服务的国家平台位置Fig.2 Locations of 3 platforms that providing data services for global Argo real-time ocean observing network

北斗剖面浮标数据服务系统主要由数据自动接收/监视子系统和数据解码、处理与分发共享子系统组成（图3）。方案设计中，利用了剖面浮标研制单位已经掌握的北斗用户机通用技术，以及用户机拥有的基带数字信号处理和数据处理等功能[11]；同时针对浮标分布式海洋调查测量的具体应用需求所研制的应用软件，对接收的信息和数据进行解码和优化处理等。

图3 北斗剖面浮标数据服务系统总体结构Fig.3 Architecture of BEIDOU profiling float data services

本系统研制主要围绕国产北斗剖面浮标观测信息、数据接收、参数设置、解码，以及数据质量控制、校正、存档建库和共享服务等内容展开。包括如下3个方面：

1）研制北斗剖面浮标数据自动接收/监视子系统，实现自动、批量、业务化接收浮标数据的目标；

2）研制北斗剖面浮标数据解码处理与分发共享子系统，实现自动、批量、业务化处理和分发浮标数据的目标；

3）筹建“北斗剖面浮标数据服务中心”，实现能接受国内外北斗剖面浮标用户的委托，业务化接收浮标资料，并进行必要的质量控制，快捷地为国内外用户提供高精度的北斗剖面浮标资料及其相关数据产品服务的建设目标。

2 关键技术及解决方案

北斗剖面浮标数据服务系统研制需要解决如下2项关键技术：

1）国产剖面浮标观测信息和数据的自动、批量和业务化接收技术。国产剖面浮标采用北斗通信系统进行观测信息和数据的传输及指令提交，其定位则使用北斗和 GPS双重模式，需要通过专用设备（北斗指挥机和收发天线）接收信息、数据和发送指令，从而实现北斗剖面浮标信息和数据的自动、批量和业务化接收功能，满足业务化运行的需求。

2）国产剖面浮标观测资料自动处理及其交换共享技术。各种型号的国产剖面浮标数据编码格式各不相同，且与国外浮标也完全不同，需要针对各型浮标编写信息解码、数据处理和统一格式写入软件等，实现北斗剖面浮标信息和数据的自动解码、校正处理、质量控制和交换共享等功能，满足业务化运行的需求。

针对上述2项关键技术，主要从北斗剖面浮标数据自动接收/监视子系统和北斗剖面浮标数据解码、校正、质量控制及共享服务子系统的设计和技术路线入手。

2.1 数据接收/监视子系统

北斗剖面浮标数据接收/监视子系统主要由北斗指挥单元、大屏拼接单元和数据存储/处理单元等组成。

1）硬件单元。

首先需要建立北斗地面接收站，主要设备包括北斗指挥机专用天线、北斗指挥机主机、工控机、大屏拼接墙（46寸屏，2列2行拼接墙）、大屏拼接器、VGA矩阵和数据存储控制器等，具备管理并接收5 000个浮标的能力，硬盘容量不小于20 T。

北斗指挥单元是数据接收/监视子系统的核心，配备有北斗指挥机、工控机及GSM模块等硬件设备。北斗指挥单元通过与浮标进行通信实现对浮标状态（包括电池电压、传感器数据、沉浮调节装置和北斗通信终端等）的监测和工作参数的设定。工控机上配套安装有浮标态势显控软件，该软件采用交互式图形操作界面设计，使检测和设定工作简单快捷，并可通过GSM模块发送手机短信方式提供浮标新剖面实时提醒功能。

2）软件单元。

设计的北斗剖面浮标接收数据与参数操作流程如图4所示。

根据上述浮标数据接收流程，以及北斗剖面浮标的工作流程和国际Argo资料管理小组要求提供的浮标观测信息，基于 C#编写了“HM 系列剖面浮标数据接收/监视系统”运行软件和“北斗剖面浮标数据转发”软件等，实现北斗剖面浮标数据的自动接收（包括利用北斗卫星向浮标发送指令）及数据自动转发等功能。

该子系统的主要功能包括：

① 自动接收及数据解码功能：能自动接收多种型号（COPEX、HM系列）的北斗剖面浮标信息，并进行数据解码；

② 实时海图态势显示功能：接收并实时显示海上工作浮标的漂移轨迹；

③ 实时图形界面显示功能：以图形和数据方式直观显示接收到的观测参数（如温度、盐度、深度等）数据；

④ 无人值守功能：系统工作过程全由计算机自动完成，无需人员值守，浮标浮出水面上传数据时，能够自动提醒相关操作技术人员；

⑤ 双向通信功能：设定或更改浮标工作参数，实现远程控制浮标工作状态功能。

2.2 数据解码、处理和分发共享子系统

基于Linux操作系统和MATLAB、Linux脚本，编写针对北斗剖面浮标数据的信息提取、校正、质量控制及共享服务子系统（图5）软件。

所有由“北斗剖面浮标数据自动接收/监视子系统”接收到的观测数据，经信息提取（包括浮标技术信息和观测数据）后，按照国际Argo资料管理组规定的程序[12]对压力进行实时校正，并对温、盐度观测剖面和卫星定位等数据进行实时质量控制，主要包括定位信息、漂移速度、温盐度全局范围、压力单调增长、毛刺、梯度、密度倒转、最大压力等14步测试。

图4 浮标数据接收流程Fig.4 Flow of float data receiving

通过上述14个步骤的实时质量控制后，基本上能够保证原始资料的质量，并按照国际Argo计划规定的统一格式写入并存储。最后，所有资料进入基于分布式数据库和 Web GIS技术开发的“北斗剖面浮标数据共享服务系统”（图6），为用户提供所有北斗剖面浮标观测数据的信息查询、显示和下载等共享服务，以及将经筛选的剖面数据和轨迹数据自动发送至2个全球Argo资料中心（位于法国和美国）；同时以BUFR报文格式[13]通过国家气象局设在北京的全球通信系统（GTS）节点将数据发布到GTS，供各国气象部门使用（参考http://ds.data.jma.go.jp/gmd/argo/data/bfrdata/repBeijing.html）。

图5 北斗剖面浮标数据解码、处理和分发共享子系统Fig.5 Data decoding，processing and distributing sub-system for BEIDOU profiling float

该子系统的主要功能包括：

1）具备管理并接收大批量浮标的能力，并能准实时（24 h内）地通过互联网和GTS进行资料交换共享等；

2）自动接收经压力校正和延时质量控制后的浮标数据并进入数据库，为用户提供所有北斗剖面浮标观测数据的信息查询、显示和下载等共享服务；

3）可以按浮标用户的要求，将经筛选的剖面数据和轨迹数据自动发送至2个全球Argo资料中心（位于法国和美国）；同时以BUFR报文格式通过国家气象局设在北京的 GTS节点将数据发布到GTS，供各国气象部门使用。

2.3 数据服务系统试运行

2015年10月，北斗剖面浮标数据服务系统开始在中国Argo实时资料中心部署，完成北斗卫星接收设备安装调试、剖面浮标观测资料接收与解码软件联机测试，并开始接收我国首批来自西北太平洋海域的HM2000型剖面浮标观测数据。部分剖面资料通过互联网（WWW、FTP）和GTS实现了与国际Argo和世界气象组织（WMO）成员国交换共享的目标[14]。

HM2000型剖面浮标观测数据的接收和监视系统由中船重工第七一〇研究所研制，主要包含以下几种功能：浮标观测数据的实时接收、信息解译、浮标参数设置、态势观察和剖面数据文件存档等，具体使用和操作说明请参考 HM2000浮标用户手册V1.2[11]。

在 HM 系列北斗剖面浮标数据接收/监视系统试运行过程中，也遇到了如北斗指挥机数据接收不稳定、浮标的剖面文件无法及时生成、浮标运行各阶段的时间信息缺失、个别浮标观测信息偶尔出现异常和浮标观测信息和数据文件无法自动发送等问题，进行了逐一剖析，并及时得到了圆满解决。

图6 北斗剖面浮标数据共享服务系统Fig.6 BEIDOU profiling float data sharing service system

3 数据服务中心及业务运行

北斗剖面浮标数据服务系统的顺利研制及其试运行的圆满成功，为建立北斗剖面浮标数据服务中心打下了坚实基础，也就很快在中国Argo实时资料中心正式落成。

为了实现“统一为北斗剖面浮标用户提供观测信息接收、解码和质量控制等专业服务，帮助国产剖面浮标走出国门参与国际竞争”的建设目标，设计并明确了9大服务功能及其服务宗旨，得到了国内北斗剖面浮标用户的响应和支持，使得该中心很快从试运行阶段进入正常业务运行。

3.1 服务中心的主要功能

服务中心的主要功能包括：

1）北斗剖面浮标观测信息的实时接收与监控；

2）北斗剖面浮标工作参数的更改与调整；

3）北斗剖面浮标观测信息的解码和实时校正处理；

4）北斗剖面浮标实时和延时数据质量控制；

5）北斗剖面浮标元数据和剖面数据建库、存档；

6）北斗剖面浮标观测信息和剖面数据的格式转换，通过GTS和互联网及时向WMO成员国和全球Argo资料中心上传经浮标用户同意共享的北斗剖面浮标观测资料；

7）对国内外北斗（COPEX和HM2000系列）剖面浮标用户开展数据接收和质量控制方面的技术培训，以及提供相关技术服务等；

8）协助编制北斗剖面浮标用户手册，以及观测资料接收、处理和共享服务手册，为培养国内外北斗剖面浮标使用技术人员，以及观测资料接收、处理和应用人才提供培训教材；

9）协助北斗剖面浮标观测网建设与维护、浮标检测与布放方案设计等。

3.2 服务中心宗旨

北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）将秉承中国 Argo实时资料中心的建设原则和服务宗旨，坚定不移地为促进中国 Argo计划的发展和Argo资料的共享，以及沟通与各Argo计划成员国科学家之间的合作与交流提供更有效的服务。一如既往地为剖面浮标研制单位及其广大浮标用户提供力所能及的技术和咨询服务，协助解决系列北斗剖面浮标开发、定型和商业化生产过程中遇到的相关技术问题。提高剖面浮标的长期可靠性和稳定性，以及观测资料的质量，满足国际Argo资料管理小组对剖面浮标辅助参数、数据格式和质量控制的技术要求。协助编制北斗剖面浮标用户手册，以及观测资料接收、处理和共享服务手册，为培养国内外北斗剖面浮标使用技术人员，以及观测资料接收、处理和应用人才提供培训教材。同时，对国内外北斗剖面浮标用户提供数据接收、解码、校正和质量控制等方面的技术服务，进一步推动海洋观测资料在更大范围、更多领域内的交换共享。

3.3 服务中心业务运行

早在2015年10月，该中心就已接受中国科学院海洋研究所的委托，为该所承担的“中科院战略性先导科技专项”在西北太平洋西边界流区布放的6个HM2000型剖面浮标，全方位提供浮标观测资料的接收、解码、质量控制和交换共享服务等。2016年9月，该中心又为自然资源部第二海洋研究所承担的国家科技基础性工作专项“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目布放在我国南海海域的 10个HM2000型剖面浮标，提供业务化接收、处理和分发等服务。图7给出了上述15个北斗剖面浮标的布放位置及其漂移轨迹，这些浮标均通过国际Argo信息中心进行注册登记，正式纳入全球Argo海洋观测网的管理。

图7 西北太平洋和南海HM2000型剖面浮标漂移轨迹（止于2016年12月25日）Fig.7 Drifting trajectories of HM2000 floats in northwestern Pacific and South China Sea（end in 25 December 2016）

截至2016年12月25日，北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）累计收集到了来自15个北斗剖面浮标观测的978条温、盐度剖面，其中308条按国际 Argo组织的相关规定，与其他 Argo和WMO成员国交换共享。

4 结束语

北斗剖面浮标数据服务系统的研制和北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）的落成，为北斗剖面浮标走出国门、参与国际竞争，赢得了先机，更是实现了我国海洋观测仪器设备用于国际大型海上合作调查计划“零”的突破。北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）也已成为国际上3个有能力为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标数据接收服务的国家平台之一，从而为我国大规模布放北斗剖面浮标，以及主导建设南海，乃至覆盖“21世纪海上丝绸之路”Argo区域海洋观测网打下了坚实基础。

然而，由于目前“北斗1代”或“北斗2代”的定位和通讯覆盖区域还十分有限，即使在 2020年后可以实现全球定位，但能否实现全球通讯还尚无时间表，也许需要借助其他通讯卫星的辅助，北斗剖面浮标才能从局部海域进入全球大洋。此外，由于受到“北斗1代”报文传输速率的限制，还不能满足北斗剖面浮标垂向高分辨率采样和多参数传感器观测的需求，这些问题的解决都还有待北斗导航系统的不断改进和完善。