1. 引言
随着我海军部队转型建设升级，走向深蓝，海军舰船编队远行远海执行任务已成常态，对战场环境感知力和气象信息情报资料获取能力的重要性逐渐凸显，相应地对我们气象官兵的远海保障能力提出了更高、更新的要求。虽然现在我军单舰出海执行大项任务时会有专职预报员提供保障，但单舰补充预报能力对于个人经验仍有较高的要求，因此一般情况下舰船主要还是通过接收气象预报来获知天气形势。
当前我海军舰船远海航行中进行气象保障获取远海气象预报的主要途径有5种，分别是气象传真图、海军气象报、各种天气报告(警告)、依靠卫星资源和GMDSS及沿岸广播电视等。其中海军气象报是我海军向作战单位发送的电话报，虽然保密性高、准确性好，但一般播报范围较大，精准度差；天气报告(警告)信息及时性比较好，准确性也较高，但受地理限制较大，有的海区无法覆盖到；GMDSS可以达到全球覆盖但设备成本较高且通信方式比较单一，对信号依赖性强；随着科技的进步，一些舰船上都开始配备了气象卫星，气象卫星虽可以实时获取观测数据且基本可以实现全球覆盖，但卫星也存在技术限制、成本较高、信号容易受到大气干扰导致信号衰减的问题；因此，使用气象传真接收机接收气象传真图仍是舰船远海航行获取气象信息的主要途径，是每一名航海人在进行气象保障工作时跨不过的坎。无疑，研究气象传真对提升气象服务的质量和效率、保障海上航行安全、推动气象通信技术进步等方面都具有积极的意义。
然而气象传真接收机，作为关键的无线电通信设备，虽然在设计和制造过程中采用了多种措施以确保其高稳定性和可靠性，但由于其长期在高温高湿高盐的海洋环境中运行，仍然可能出现设备故障而导致气象信号丢失，还可能引发航行安全事故[1] [2]。因此，对气象传真机进行有效的维修和维护，不仅对其正常运行和提高使用寿命十分重要，还对降低信号丢失率提高舰船气象保障具有积极作用。尽管近年来，随着技术的发展，气象传真机的研究和应用取得了一定的进展，但大多数集中在设备的设计和性能优化上，如哈工大的王晓明通过研究发现数字信号处理可以提高传真信号的接收质量，哈工程的顾兵专注于优化数字调解系统的设计以提高无线气象传真接收机的高性能等，而对气象传真机故障维修技术的系统性研究相对较少[1] [3]。
此外气象传真是短波频段，其在传输过程中也会遭受空间天气异常的影响[4]。诸如此类，可见海上航行时使用气象传真进行气象保障工作也不是一劳永逸的。只有深入地解析气象传真的工作原理，剖析其故障原理及解决措施，才能更好地提高海上气象预报的准确性，增强海上航行安全，促进相关技术发展等。因此，建立一套完善的信号丢失应急保障方案具有一定的必要性。本文对气象信号丢失常见的原因进行梳理分析，以期能提出一套气象信号丢失后的应急处理方案，为执行气象保障任务官兵提供建议参考，提高海上航行的天气灾害预警能力，减少舰船在恶劣海况下的经济损失。
2. 海上气象保障信息缺失的原因分析
2.1. 气象传真机设备故障
故障一：可以监听到清晰的音频信号，但打印出的图像不清晰，或打印传真图时突然出现乱码。
故障二：开机后传真机面板显示：TRAP (受限制)或ERROR (错误)，这种现象一般是由于机器内置的缓存电池失效，而造成的预置启动参数异常。
故障三：监听音频信号，音调明显偏低或偏高，收到的图像版面呈灰黑色或线条模糊。这种现象可能是由于机器内部电子元件老化或长时间连续工作造成的频率漂移，机器长时间运行，会造成内部温度升高，虽然现代气象传真机大多采用“温补晶振”技术，但机器长期在高温、高湿的环境下工作，可造成温度补偿电路工作异常，使机器本振频率发生波动。
故障四：传真图在打印过程中，出现卡纸或走纸不顺情况，这种现象一般是打印纸在安装时没有固定好，可重新安装打印纸。
故障五：接通主机上的交流电源开关，但未能接通接收机交流电源。这种情况可考虑是电源接口处出现故障。
2.2. 空间异常及电磁干扰
故障一：监听音频信号，隐约可以听到部分人声，传真台频点信号被覆盖。这种现象一般是由于短波频段窄，业务量大，导致信通拥挤，易互相干扰。短波传输使用的频段一般在1.6 MHz~30 MHz之间，且带宽只有28.4 MHz。除了供给为数极多的短波电台使用外，还分配了部分频段供公共事业业务、广播业务、导航业务及气象辅助业务等使用，因此短波频段的频率占用率十分的高，拥挤严重。同时，由于天波具有传播距离远的特点，使得短波通信也很容易受到同频率电台或相邻频率电台的干扰。例如，地方的调频广播一般发射功率较大，通常都在几十甚至几百kw，且占用频宽9 kHz，而气象传真台的发射功率均在20 kW以下，占用频宽仅2~3 kHz。此外舰船电台发报也可能会对无线电信号造成干扰。
Figure 1. Schematic diagram of the radio signal transmission path of Shanghai Coast Radio station to Weihai
图1. 上海海岸电台无线电信号传播至威海的路径示意图
故障二：气象传真图白天、夜间接收效果反差较大，出现这种现象则需要考虑气象传真广播使用短波单边带的方式，利用天波进行远距离传播，因此，传播的效果和电离层的季节、昼夜变化密切相关，短波无线电信号在电离层中的反射模式如图1所示[5]。有时当我们正确地切换了电台的昼夜频率却仍然无法接收到清晰图像，这是由于短波的远距离传播是依靠在电离层与地表之间进行多次跳跃而达成，一次跳跃距离在100 km左右，此外如果在传播路径上恰逢发生强对流产生强降水、雷暴等天气则会进一步干扰到短波的传播效率。此外，短波传播效率与大地的导电关系密切相关，一般来说位于地球表面时，城市和工业园区的导电情况最差，因此短波传播效果也较差。
故障三：所有的短波通信均发生短暂的中断。气象传真工作于短波频段，其远距离通信利用天波进行传播，即利用电离层的反射传送无线信号，电离层的信号传输特性以及短波频段的特点使其具有一定的缺点，易受到空间天气异常，如地球磁暴，可造成全球各波段无线电通信中断和无线电波传播异常[6]。
故障四：卫星云图在接收时时断时续，有时甚至出现乱码和数据失真，常表现为图像模糊不清[7]。舰艇电子设备在工作时也会辐射出大量频段的电磁波，使得舰船周围环境出现磁场异常化，使得卫星云图接收设备在这种复杂环境下信号受到干扰，信噪比下降，误码率上升，容易造成数据包的丢失。如果是在战时也有可能会受到敌方的电磁干扰，从而增大气象预报保障工作的难度[7] [8]。
3. 海上气象保障信息缺失找回对策分析
3.1. 气象传真接收机设备维修
3.1.1. 热敏头污损解决方法
对热敏头进行细致检测，如果污垢较多，可使用棉签蘸取少量酒精进行清洁，如果热敏头烧蚀严重，需要更换新的热敏头[9]。在日常使用中，要注意操作规范，在关闭传真机电源前，应先按下“停止”键，使热敏头停止工作，进行复位，防止损坏；特别要注意的是，在舰船离岸靠码头时通常会进行舰电、岸电的切换，会由低压转变为高压电，这种转换会造成舰船电路电压的瞬间剧烈波动，此时如果传真机正在工作当中，容易造成热敏头发生烧蚀损坏，因此在舰船离岸靠码头时要及时关闭传真机防止机器损伤。
3.1.2. 预置启动参数异常解决方法
更换缓存电池或直接更换机器。在舰船航行期间出现这种故障，可参考H/HQC001型传真机的应急处置方法：关闭电源，按住“模式”键的同时打开电源开关，进入自检模式，按“输入”键进行自检；如果还不能解决问题，按住“选频”键的同时打开电源开关，进入COLD START (冷启动)，按“输入”键确定，然后正常重启传真机，重新设置机器参数。
3.1.3. 电源检查
检查主机上的保险丝是否烧断，若烧断则更换相同型号的保险丝；检查交流电220 V插头座上的电压是否有220 V。
3.2. 降低信号丢失率
3.2.1. 传真台频点信号被覆盖解决方法
使用短波收音机对附近频率的调幅广播进行监听，总结广播时间规律，进行避让，或者尝试更换其他频率[10]。不同的气象台站具有不同的频率，例如日本东京气象台站常用频率为13987.5 kHz、7794 kHz和3621.5 kHz，而《中国之声》节目在每天的09:30~10:00时刻，会对中心频率为13,983 kHz的反动电台进行高功率、大带宽的压制和覆盖，通过图2我们不难发现日本东京气象台站13987.5 kHz的气象传真信号在此时间范围内也受到影响，几乎被完全覆盖，直到10点后气象传真信号才恢复正常。因此我们可以和相关通信部门进行沟通，在选择呼号频率时可以尽量避开舰船常用通信频率或者在该时间段更换其它频率接收信息。
Figure 2. Interdiagram of meteorological fax signal
图2. 气象传真信号受干扰图
3.2.2. 白天、夜间接收效果反差大解决方法
及时更改接收频率，一般传真台都会使用3个以上频率同时广播(见表1)，根据作者咨询数名多年相关行业从事者的经验，3~4 MHz夜间信号传播效果好，7~8 MHz晨昏信号传播效果好，10~15 MHz以上时白天信号传播效果好，当达到15 MHz以上频率时则是中午的信号远距离传播效果最好。
Table 1. Frequency and distribution number of fax stations
表1. 传真台频率及分布数
频率(MHz) |
<3 |
3~6 |
6~10 |
10~15 |
>15 |
台站分布数 |
5 |
25 |
28 |
21 |
18 |
3.2.3. 空间异常导致信号丢失解决办法
Figure 3. Tokyo meteorological station fax weather frequency chart
图3. 东京气象台传真天气频率图
针对电离层对短波信号传输的影响，国际上一般依赖大量电路传输情况的统计分析来对短波信道进行信道质量预测，指导选择质量更优的信道进行通信，以保证通信质量；对于气象传真通信，常用的JMH台(东京气象台)也做出了信道质量预测，每月以传真图的形式播发无线电预报图，如图3所示，舰船官兵可以根据自己所处的位置以及当前世界时，选择更好的频率接收气象图(亚洲部分气象传真频率见表2)。
Table 2. Asian meteorological receiving frequency table
表2. 亚洲气象接收频率表
发射岸台 |
信号方式 |
调制方式 |
发射频率(kHz) |
发射功率 |
亚洲 |
中国北京 |
BAF6 |
F3C |
5526.9 |
6~8 |
BAF36 |
F3C |
8121.9 |
6~8 |
BAF4 |
F3C |
10,116.9 |
10 |
BAF8 |
F3C |
14,366.9 |
15 |
BAF9 |
F3C |
16,025.9 |
|
BAF33 |
F3C |
18,236.9 |
6~8 |
中国北京 |
3SD |
F3C |
8461.9 |
10 |
3SD |
F3C |
12,831.9 |
10 |
3SD |
F3C |
16,903.9 |
30 |
日本东京 |
JMH |
F3C |
3622.5 |
5 |
JMH2 |
F3C |
7795 |
5 |
JMH4 |
F3C |
13,988.5 |
5 |
中国台湾 |
BMF |
F3C |
4616 |
10 |
|
F3C |
5250 |
10 |
|
F3C |
8140 |
10 |
|
F3C |
13,900 |
10 |
|
F3C |
18,560 |
10 |
韩国首尔 |
HLL2 |
F3C |
5385 |
3 |
HLL2 |
F3C |
5857.5 |
3 |
HLL2 |
F3C |
7433.5 |
3 |
HLL2 |
F3C |
9165 |
3 |
HLL2 |
F3C |
13,570 |
3 |
曼谷 |
HSW64 |
F3C |
7396.8 |
3 |
泰国 |
HSW61 |
F3C |
17,520 |
10 |
塔什干1 乌兹别克斯坦 |
RBV70 |
F3C |
3690 |
|
RPJ78 |
F3C |
4365 |
|
RBV78 |
F3C |
5890 |
|
RBX72 |
F3C |
7570 |
|
RCH72 |
F3C |
9340 |
|
RBV76 |
F3C |
14,982.5 |
|
新加坡 |
JJC |
F3C |
4316 |
5 |
JJC |
F3C |
8467.5 |
10 |
JJC |
F3C |
12,745.5 |
15 |
JJC |
F3C |
16,971 |
15 |
气象传真机切换频率方法如下：由于气象传真机定时切换接收频率功能默认打开，因此当我们按需调整传真频率时先要将该定时功能关闭。首先将选项移动到气象传真定时切换接收频率功能设置栏，通过功能复用键《定时开关》打开、关闭该功能。当该功能关闭时，气象传真接收以气象传真接收频率设置的值进行气象图的接收；当该功能打开时气象传真接收以该功能设置的值进行气象图的接收(见图4)。
Figure 4. Function of timing switching the receiving frequency of meteorological fax
图4. 气象传真定时切换接收频率功能
3.2.4. 机器本振频率发生波动解决方法
微调接收频率，直至监听到清晰的频点信号。平时要注意查看广播节目表，按需定时接收，避免机器超过12小时不间断运行。
3.2.5. 拓宽备用频率获取渠道
无线气象传真又称高频电传(HF Fax)，由于使用1500 Hz (黑)~2300 Hz (白)的音频进行模拟信号调制，其无线电频谱特征十分明显。使用软件定义无线电接收机(SDR)，可以直观地对无线电频谱进行实时监测。入门级SDR接收机的采样宽度为2.8 MHz，更高端SDR接收机可达20~60 MHz，所以短波(3~30 MHz)的频率分布情况在SDR接收机面前可谓“一览无余”。
2016年4月，某海军基地工程师在操作SDR接收机时，通过观察分析无线电频谱特征，发现两处未曾公开播报过的气象传真台信号，在后续的监听中，该工程师又在7117 kHz发现此前未公开的呼号为HLL2的韩国方向的气象传真频率。通过研究发现，由于SDR接收机使用软件来定义其频率、宽带等操作参数，因此具有更高的灵活性可以用来接收更加广泛的频率范围。故在战时，如果遇到外方突然变更常用气象传真信号频率的情况，使用常规的气象传真接收机通过手动调谐设备通常很难及时发现更改后的气象传真频率，而配合使用SDR接收机则可以一定程度上快速对其进行跟踪、捕捉，以期达到舰船气象保障的目的。
4. 气象设备的维护保养
为保证气象传真接收机更好的运行，还应该对其进行定期的维护和保养措施[11]。设备应安装在通风较好的地方，在清洁的环境下使用，使用时保持设备操作面板与外部干燥、保持设备外部的连接器和接插件干燥，避免水滴直接滴入连接器或接插件，以免造成安全事故或接触不良；应每季度对设备外部风机进行清洁和除尘，除尘时请勿使用含有有机溶剂的清洁工具。当不执行任务，舰船靠码头气象传真接收机长期不用时，应将设备放于清洁通风、不受潮，没有腐蚀气体的仓库中保存，仓库中温度应控制在5~45℃，相对湿度控制在50~70%，如设备放置时间超过一年不用的，还应定期通电检查。
5. 结束语
本文分析了气象信息丢失下的舰船气象保障存在的问题及可能产生的影响，并立足保障和作战需求，收集整理相关资料，从降低信号丢失率和气象设备维修两个角度出发，提出若干应对措施和保障意见，为研究、推进气象信息丢失下舰船气象保障方案的建设奠定了基础，与前人的研究相比，我们的研究工作在以下几个方面进行了创新：
1) 首次对气象传真工作中涉及的故障原因及解决措施进行了剖析；
2) 分析了影响传真信号丢失的原因，设计了一套降低信号丢失率；
3) 论证了一种新型无线电气象传真(SDR气象传真机)的应急处理机制。
本文所研究内容为推动气象传真图像处理技术的发展奠定了基础，也为航海和航空领域的气象传真服务提供了一定的参考建议，但本研究也存在一定的局限性，例如不同舰船上配备的气象传真机型号可能不同，其故障的情况可能还需具体情况具体分析，缺少大量的样本数据支持。针对这些局限性，下一步我们将着手将本次研究在各型舰船上进行推广试验，以期对本次研究成果进行进一步的验证和细化分析。