基于北斗短報文的衛(wèi)星通信車快速組網(wǎng)方案設(shè)計

雷思磊,賀文寶,李劍青,熊志堅,馮赟

(酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,甘肅 酒泉 732750)

0 引 言

衛(wèi)星通信具有信號覆蓋范圍廣、傳輸帶寬較大、不受通信距離限制、不依賴地面常規(guī)通信設(shè)施等優(yōu)點,是應(yīng)急機動通信時的重要技術(shù)手段,衛(wèi)星通信車是車載機動衛(wèi)星通信平臺,是應(yīng)急機動通信時的重要力量。目前衛(wèi)星通信車在組網(wǎng)時需要提前與遠端站協(xié)商載波頻率、調(diào)制方式、編碼速率等系統(tǒng)參數(shù),這種方式存在以下弊端:

1) 參數(shù)協(xié)商使用的是常規(guī)通信手段,一旦衛(wèi)星通信車進入到?jīng)]有常規(guī)通信手段依托的地域執(zhí)行任務(wù),那么參數(shù)協(xié)商將無法進行。

2) 現(xiàn)階段是人工協(xié)商,速度慢,無法適應(yīng)未來瞬息萬變的戰(zhàn)場形勢。

3) 每輛衛(wèi)星通信車都需要配備2～3名專業(yè)人員才能完成參數(shù)配置、通信組網(wǎng)等工作,對人員技術(shù)水平依賴度高,容易成為戰(zhàn)斗力生成的桎梏。

針對上述問題,本文設(shè)計利用北斗短報文技術(shù),通過北斗衛(wèi)星信道傳遞遠端參數(shù),并使用自主研發(fā)的中心控制單元對設(shè)備進行自動配置,有效解決了上述弊端。

1 北斗短報文技術(shù)介紹

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨立運行,并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1994年啟動工程建設(shè),2000年建成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng),并投入使用,該系統(tǒng)能夠提供基本的定位、授時和短報文通信服務(wù)。北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2004年啟動工程建設(shè),2012年12月,正式開始為亞太地區(qū)的用戶提供定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)[1]。北斗系統(tǒng)的特點之一是同時具備定位與通訊功能,無需其他通訊系統(tǒng)支持,能夠?qū)崿F(xiàn)北斗用戶間的雙向短報文通信。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面中心站、地面網(wǎng)管中心和用戶數(shù)傳終端組成,其短報文通信工作流程如圖1所示。首先,發(fā)送方的數(shù)傳終端將短報文數(shù)據(jù)加密后,采用碼分多址直接擴頻序列調(diào)制(即CDMA方式),用L波段頻率發(fā)送到衛(wèi)星,通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為C波段傳送至地面中心站(入站信號);地面中心站處理接收到的入站信號,并將其發(fā)送到地面網(wǎng)管中心;地面網(wǎng)管中心接收到通信申請信號后,經(jīng)解密和再加密后發(fā)送至地面中心站;地面中心站將其加入持續(xù)廣播的出站電文中,經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)換為S波段廣播給接收方的用戶終端;用戶機接收出站信號,解調(diào)解密出站電文,完成一次點對點通信[2]。

北斗短報文通信的優(yōu)點如下[2]:

1) 快速響應(yīng)能力,短消息通信時延約為0.5 s,點對點通信時延為1～5 s;

2) 通信抗干擾強,通信采用CDMA技術(shù),碼間干擾小,同時采用S/L波段衛(wèi)星傳輸,可穿透平流層和對流層,可保證極端天氣條件下的通信;

3) 通信可靠性高,數(shù)據(jù)誤碼率<10-5,系統(tǒng)阻塞率<10-3;

4) 保密性強,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),能保證通信的安全性和保密性;

5) 覆蓋面積廣,已經(jīng)形成整個亞太地區(qū)的服務(wù)能力。

正是由于北斗短報文具有上述優(yōu)點,目前在預(yù)警信息發(fā)布[3]、氣象數(shù)據(jù)傳輸[4]、指揮通信[5]、應(yīng)急通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,發(fā)揮了巨大價值。

但是通過應(yīng)用,也逐漸暴露了北斗短報文通信的缺點,主要如下[2]:

1) 通信頻度有限,北斗短報文通信由北斗用戶卡控制,發(fā)送端發(fā)送一條通信申請指令后間隔一段時間才可發(fā)送下一條報文內(nèi)容,一般通信間隔為1～60 s,但10 s以內(nèi)的只開放給特殊用戶,普通用戶很難申請到。

2) 單次通信容量受限,單次短報文通信時,通信報文長度受限,一般民用北斗終端單次通信內(nèi)容長度最大為120個漢字,即240個字節(jié)。

3) 北斗衛(wèi)星通信鏈路不可靠,連續(xù)發(fā)送多條短報文后,存在丟包現(xiàn)象,并且接收端不發(fā)送回執(zhí)信息,無法確定報文是否被成功接收。

針對上述問題,目前已有學(xué)者提出了多種解決方案,文獻[6]中通過分詞、編碼、Lempel-Ziv無損壓縮技術(shù)進行通信數(shù)據(jù)擴容;文獻[7]提出了基于剖分影像金字塔模型的北斗短報文系統(tǒng)影像傳輸策略與方法;文獻[8]采用丟包反饋重傳機制、小數(shù)據(jù)粘包機制等提高通信可靠率。本文通過分析衛(wèi)星通信車參數(shù)特點,設(shè)計了適合衛(wèi)星通信車參數(shù)傳遞的數(shù)據(jù)包格式,通過雙北斗終端的兵乓使用機制提高通信頻度,同時通過請求-響應(yīng)、超時重傳等機制提高可靠率。

2 衛(wèi)星通信車快速組網(wǎng)方案設(shè)計

衛(wèi)星通信車快速組網(wǎng)方案設(shè)計示意如圖2所示,其中中心站是控制站,技術(shù)人員在中心站通過中心快速組網(wǎng)分系統(tǒng)軟件編輯、選擇指令,并控制雙北斗終端,選擇其中一個終端,通過串口將指令發(fā)送給該終端,后者再將指令通過北斗短報文方式發(fā)送給衛(wèi)星通信車上的北斗終端。衛(wèi)星通信車的北斗終端接收短報文后,通過串口將報文內(nèi)容交給中心控制單元(CCU),CCU上運行車載站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)軟件,該軟件分析判斷報文內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)是參數(shù)配置指令,且指令有效,便按指令要求配置車載裝備,配置完成后,遠端站點與衛(wèi)星通信車即建立了衛(wèi)通鏈路。

整個系統(tǒng)包括兩個部分:中心站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)、車載站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)。中心站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)包括服務(wù)器、雙北斗終端,以及運行在服務(wù)器上的中心快速組網(wǎng)分系統(tǒng)軟件,后者通過雙北斗終端控制、管理車載站,其功能設(shè)計如圖3所示。

1) 車載站信息管理:管理車載站的基本信息,包括歸屬、北斗ID、車型、衛(wèi)通設(shè)備型號、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備型號、車輛附屬功能、備注等。

2) 車載站配置查詢:通過發(fā)送特殊指令到車載站,可以查詢指定車載站的當(dāng)前衛(wèi)通設(shè)備參數(shù)配置參數(shù)配置等信息。

3) 車載站態(tài)勢顯示:通過定期發(fā)送特殊指令到各車載站,獲取其即時坐標,并進一步通過GIS方式呈現(xiàn)出來。

4) 車載站衛(wèi)通設(shè)備配置寫入:通過發(fā)送特殊指令到車載站,可以指定衛(wèi)通車上衛(wèi)通設(shè)備的配置,比如頻點、調(diào)制方式、調(diào)制速率、編碼速率等。

5) 車載站中心控制單元重啟:通過發(fā)送特殊指令到車載站,可以對車載站的CCU進行重啟操作,以應(yīng)對突發(fā)狀況。

6) 北斗短報文發(fā)送間隔顯示:由于中心站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)采用的是雙北斗終端的方式,每個北斗終端的短報文發(fā)送頻次是1次/分鐘,所以此處的發(fā)送間隔顯示表示還有多少秒可以發(fā)送下一條短報文。

7) 預(yù)置衛(wèi)通設(shè)備參數(shù)模板管理:事先存儲了一些經(jīng)過驗證的衛(wèi)通設(shè)備配置參數(shù),此處加以保存,便于后期快速再利用。

車載站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)包括CCU、雙北斗終端,以及運行在CCU上的車載站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)軟件,后者通過雙北斗終端接收中心站的指令,通過設(shè)備接口直接訪問設(shè)備,以進行相關(guān)參數(shù)配置,其功能設(shè)計如圖4所示。其具體含義與圖3中中心站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)的對應(yīng)功能一致。

2.1 雙北斗終端乒乓使用機制

北斗短報文的發(fā)送具有頻次限制,本文使用的北斗終端的發(fā)送頻次是1次/分鐘,間隔時間略長,為了減少緊急情況下的間隔時間,設(shè)計使用雙北斗終端輪流發(fā)送短報文的機制,即雙北斗終端乒乓使用機制。假設(shè)兩個北斗終端分別為終端A、終端B,在終端A發(fā)送短報文后,正常情況下需要經(jīng)過60 s才能發(fā)送下一條短報文,采用乒乓使用機制后,可以在60 s內(nèi)使用終端B發(fā)送緊急短報文,提高應(yīng)急響應(yīng)能力。

2.2 CCU硬件設(shè)計

CCU是車載站的核心設(shè)備,為了從硬件上確保安全,本文設(shè)計采用完全自主可控的2 K龍芯派作為主控板,2 K龍芯派是龍芯高端SoC平臺,搭載龍芯最新64位2K1000雙核處理器,主頻1 GHz,其上器件都實現(xiàn)了國產(chǎn)化,并且有豐富的接口,滿足CCU設(shè)計需求。同時,在2 K龍芯派上運行國產(chǎn)翼輝實時操作系統(tǒng)SylixOS,進一步確保安全可控。在SylixOS上運行自行研發(fā)的車載站快速組網(wǎng)分系統(tǒng)軟件。CCU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。以2 K龍芯派為核心,充分利用其接口豐富的特點,連接雙北斗終端、液晶觸摸顯示屏、音頻輸出、SD卡存儲器,此外,通過網(wǎng)口1連接網(wǎng)絡(luò)交換機,通過網(wǎng)口2連接串口服務(wù)器,進行衛(wèi)通設(shè)備參數(shù)配置。

不同的北斗終端的串口通信協(xié)議不一樣,以福建福大北斗通信科技有限公司的北斗RDSS、北斗RNSS和GPS一體化模塊FB3511為例,其發(fā)送短報文的消息格式如圖6所示,接收短報文的消息格式與此類似。

2.3 北斗短報文可靠傳輸協(xié)議

作為一種衛(wèi)星通信方式,北斗短報文通信也同樣有一般衛(wèi)星通信方式的缺點,易受天氣等環(huán)境因素的影響,短報文丟失率比較高,收發(fā)時延比較大,文獻[3]中進行了詳細的測試,發(fā)送2.5萬個數(shù)據(jù)包,其丟包率為4.5%左右,平均收發(fā)時延為3.8 s.本文借鑒TCP/IP協(xié)議中的請求-響應(yīng)、超時重發(fā)機制,設(shè)計北斗短報文可靠傳輸協(xié)議如圖7所示。正常情況下,中心站發(fā)送一個請求包,會在短時間內(nèi)收到車載站的響應(yīng)包,從而完成一次操作,異常情況包括兩種,一種是請求包丟失,一種是響應(yīng)包丟失,無論是哪一種情況,都采用超時重發(fā)機制,中心站等待時間T后,重新發(fā)送請求,直到收到響應(yīng)包為止,由于采用了雙北斗乒乓發(fā)送機制,此處的T可以設(shè)置為30 s.

2.4 北斗短報文編碼設(shè)計

北斗短報文容量有限,一次一般為240字節(jié),因此,必須合理設(shè)計、緊湊地編碼,以充分利用有限的單次報文容量。

從類型上區(qū)分,本系統(tǒng)短報文可以分為查詢、配置、響應(yīng)三種,從功能上區(qū)分,本系統(tǒng)短報文可以分為坐標查詢、坐標查詢響應(yīng)、車載站配置查詢、車載站配置查詢響應(yīng)、衛(wèi)通設(shè)備配置、衛(wèi)通設(shè)備配置響應(yīng)、CCU重啟、CCU重啟響應(yīng)等。因此,設(shè)計北斗短報文編碼如圖8所示。

1) 序列號:占用報文最開始的2個字節(jié),從1開始遞增,每一個新報文加1,加到0xffff后,再從1開始。如果是重發(fā)報文,那么此序列號不變,通過序列號也可以在一段時間內(nèi)唯一標識某一個報文。

2) 功能碼:占用報文第3個字節(jié),用來表示報文的功能。其含義如表1所示。

表1 短報文功能碼定義

3) 數(shù)據(jù)長度:占用報文第4個字節(jié),表示緊接著的數(shù)據(jù)部分長度,單位是字節(jié)。

4) 數(shù)據(jù):占用報文第5個字節(jié)開始的n個字節(jié),不同功能的報文,其數(shù)據(jù)部分有特殊的格式,查詢報文和CCU重啟報文數(shù)據(jù)部分為空,其他報文格式如下圖9～13所示。

5) 校驗碼:數(shù)據(jù)部分后面緊接著的是一個字節(jié)的校驗碼,其值等于從序列號開始到數(shù)據(jù)部分最后一個字節(jié)為止的所有字節(jié)的異或的結(jié)果。接收端通過這個校驗碼判斷報文是否有錯。

6) 結(jié)束標志:固定為0xFF,表示報文結(jié)束。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有衛(wèi)星通信車使用過程中存在的弊端,本文設(shè)計了一種衛(wèi)星通信車快速組網(wǎng)方案,其利用北斗短報文傳遞參數(shù)到衛(wèi)星通信車,并在衛(wèi)星通信車上使用自主研發(fā)的中心控制單元對接收配置參數(shù),依據(jù)配置參數(shù)對衛(wèi)通設(shè)備進行自動配置,有效解決了衛(wèi)星通信車使用過程中的弊端,具有一定的推廣和應(yīng)用價值。