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  • 严重影响Argo资料质量的关键技术:剖面浮标解码器
  • 作者:中国Argo实时资料中心   来源:中国Argo实时资料中心   发表时间:2017-07-08 09:45:31   点击:
  •       对各种型号的自动剖面浮标观测信息进行实时解码,是Argo数据流中的一个重要环节,也是各国Argo资料中心承担的重要任务之一。

          众所周知,目前国际Argo计划中使用的多型号自动剖面浮标,均是利用卫星通讯系统实现浮标观测信息实时传输的,其中包括美国、法国和印度等国联合经营的Argos卫星、美国的铱卫星(Iridium)和中国的北斗卫星(BDS)等。这些卫星的传输速率有快有慢,对浮标(或平台)发送信息的频率及每条信息的大小都有一定的要求,如使用Argos卫星通讯的自动剖面浮标,每45秒发送一条包含32个字节的信息;使用铱卫星通讯的浮标每条信息约为200个字节;而使用北斗卫星的浮标则要求每隔70秒发送一条信息(120个字节)。为此,自动剖面浮标生产商在研制过程中,均会按照不同卫星系统的要求对浮标观测信息和剖面数据进行合理编码,使其能通过选定的卫星系统将这些观测信息和数据顺利发送给卫星地面接收站,并最终提供给浮标用户。而浮标用户则须根据生产商提供的浮标用户手册,自行编写解码软件(或称“解码器”),方可将那些看不懂的机器编码(通常采用十六进制或二进制编码格式)解译为能读的工程数据(ASCII码),用于海洋和大气科学领域等的基础研究和业务化预测预报中。

          然而,目前世界上有能力研制自动剖面浮标的厂商已接近10家,生产提供的浮标型号也有数十种之多,且不同型号的浮标编码格式又各不相同,即使同一型号的浮标,由于携带的传感器或利用的卫星系统不同,编码格式也会各异,特别是越来越多生物光学和生物地球化学传感器的加载,使得剖面浮标的编码格式越加复杂,需要各国Argo资料中心投入相当多的人力和物力,谨慎编写各种解码器,才能确保浮标观测数据和技术信息的正确解译。需要指出的是,复杂的数据编码不可避免地会增加错误解码的概率,导致全球Argo数据集中由人为引起的异常剖面数量在不断增加,从而给业务化预测预报及科学研究带来困扰。

          过去十五年中,中国Argo实时资料中心在承担实施中国Argo计划的相关科研项目时,以及受国内其他科研院所承担的相关科研项目负责人的委托,针对各个时期引进的不同型号自动剖面浮标,及时组织技术人员编写了多种解码器,从而为这些浮标的观测资料实时交换共享,以及中国Argo计划的顺利实施提供了重要技术保障,使得我国成为世界上9个有能力实时提供Argo资料的国家之一,也为我国在Argo成员国中赢得了国际声誉。

          为了满足自动剖面浮标数据业务化接收、解码、处理和分发要求,中国Argo实时资料中心选取了更为稳定的Linux操作系统,其自带的“crontab”任务调度服务,可以方便地通过Linux脚本实现程序的定时自动运行。解码器代码采用MATLAB语言编写,因其自带了更多的数学和字符处理函数,可以避免编写庞大而复杂的代码,安装了由澳大利亚联邦工业组织(CSIRO)海洋与大气研究所开发的seawater工具包。现以国际上常用的一种APEX APF9A(版本号为062608,中国Argo实时资料中心命名为APEX_TS30)型剖面浮标为例,对该型号浮标解码器的编写和解码过程做一科学普及,以便国内用户对这一严重影响Argo资料质量的关键技术有较为全面的认识和了解。

          APEX_TS30型浮标由美国Teledyne Webb研究公司研制,使用APF9A控制器,携带了SBE41型CTD传感器,并利用Argos卫星传输浮标观测信息及剖面数据。该型浮标的Argos编码一般由10多条信息组成,每条信息占用32个字节,通常1-2号信息为浮标在某个循环的技术信息及在漂移深度处的温度、盐度和压力(简称“温盐压”)观测值等,具体编码格式分为:

          接下来的第4-N条信息存储浮标的温盐压观测数据,且按照采样的先后顺序编码,每一层的温盐压采样编码占用6个字节,各为2个字节。而数值转换和变量转换则如下表所示:

          需要指出的是,由于Argos信息有可能包含卫星误码,所以每条信息的第一个字节为循环冗余校验码(CRC),用于校验该条信息是否为误码。错误的CRC通常表示Argos信息已被破坏,在解码前需要剔除。

          据上述编码格式,即可编写出针对该型号浮标的MATLAB解码器代码(略),其中,结构变量“eng”中包含所有解码后的浮标技术信息,而浮标的剖面数据则包含在“data”结构变量中。下面给出的是由105440号浮标观测的第420条剖面的部分Argos编码:

          经解码器解码后的数据为:

          其他还有如APEX_TS31、APEX_TS32型浮标,使用APF9A控制器和Argos卫星进行通讯,且同样携带SBE41型CTD传感器,其主要技术指标与APEX_TS30型浮标也大体相同。但APEX_TS32型浮标可以观测近表层温度和压力,所以其编码格式会有所不同;再者APEXIR_TS3型浮标,使用APF9I控制器,但携带了SBE41CP型CTD传感器,并利用铱卫星通讯及采用RUDICS方式传输数据,其数据文件中包含有高、低分辨率CTD资料,以及卫星定位和技术信息等。APEXIR_TS4型浮标则又增加了表层温盐度传感器(STS),所以数据文件中除了有高、低分辨率CTD资料和卫星定位、技术信息外,还有针对表层温盐度传感器采集的STS数据。而APEXIR_TSO1型浮标又加装了安德拉3830溶解氧传感器,数据格式包括了(1)漂移阶段和低分辨率CTD及溶解氧数据;(2)高分辨率CTD数据和(3)卫星定位及技术信息等。上述这些型号的自动剖面浮标虽然均由美国Teledyne Webb研究公司研制生产,但其编码格式照样五花八门。

          其他如法国NKE公司研制的PROVOR CTS3和CTS3-DOI型浮标,前者携带的也是SBE41CP型CTD传感器,并使用Argos卫星通讯,但数据文件却包含了下潜时CTD数据、水下漂移时CTD数据、上浮剖面CTD数据和技术信息等4种。为了使数据发送完整,每条信息编码通常被重复发送数次,且其发送的次数又取决于数据量、传输周期以及设定的最小传输时间等。为了能保证接收到连续的剖面数据,使用了两条信息存储一条CTD(温盐深)观测值的方法,即当一条信息丢失时,可以重建一条剖面;而后者则利用了铱卫星通讯及SBD数据传输方式,携带了SBE41CP型CTD传感器及安德拉4330溶解氧传感器。由于采用的是SBD方式传输数据,所以每条SBD信息得包含1~2个数据包,且每个数据包占用100个字节,包含的数据文件则有技术信息、下潜CTDO(温盐深、溶解氧)信息、水下漂移CTDO信息、上浮CTDO信息和浮标参数信息等5个。显然,这两种型号浮标的编码格式会不尽相同,解码器也会有所区别。

          综上所述,无论是同一或是不同厂家研制、生产的自动剖面浮标,只要型号不同,其编码格式也会有所不同。中国Argo实时资料中心技术人员也曾在多种场合呼吁浮标生产厂家能统一提供解码软件,或者能尝试采取统一的编码格式,以便浮标用户都能正确解码,避免因解码器编写有误而造成浮标观测信息或剖面数据的人为误差,甚至错误。然而,这种看似合理的呼声却是应者寥寥。究其原因,一来浮标生产厂家无法满足不同用户对于解码软件编写语言的不同要求,通常只能提供一个手动的简易解码软件用于测试;二来可能是从商业利益考虑,浮标编码、解码完全是为了满足卫星传输的需要,应该由卫星服务商提供;三来可能也是为了浮标数据的集中接收考虑,因为大凡具有实力的Argo资料中心,几乎都有能力自行编制解码器。然而,恰恰是第三个原因,使得国内一些自动剖面浮标用户洋相百出,他们大都因为不情愿与国人共享浮标观测资料,要么自行尝试编写解码软件,其解码结果却莫衷一是,要么求助国外Argo资料中心协助解码,更有甚者接收了一堆“卫星编码”而埋怨浮标资料质量不高,……。

          为此,中国Argo实时资料中心提醒国内自动剖面浮标用户,特别是引进国外浮标的使用者,只要愿意将这些浮标作为中国Argo计划的一部分、且同意与国内用户共享观测资料,中国Argo实时资料中心依然愿意免费提供各型号自动剖面浮标观测资料的接收和解码服务,既为了充分发挥国家投入的有限浮标资源的作用,又为了提高由我国布放的自动剖面浮标观测资料的质量,更是为了维护我国在国际Argo成员国中的良好声誉。对此,希望能得到国内相关管理部门和单位,以及项目负责人的高度重视和积极响应。

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