基于通航飛機平臺的北斗短報文通信性能評估

王爾申,左 權,雷 虹，曲萍萍，龐 濤，孫 軍，徐 嵩

(1.沈陽航空航天大學a.電子信息工程學院；b.遼寧通用航空研究院，沈陽110136；2.沈陽飛機設計研究所 電磁環境效應航空科技重點實驗室，沈陽110035；3.中國人民解放軍93398部隊 90分隊，沈陽 024413)

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]。不同于其他衛星導航系統，如全球衛星導航系統(Global Positioning System，GPS)、格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)等[2]，BDS不僅能提供導航、定位和授時服務[3]，而且具有短報文通信功能[4]。北斗短報文通信在搶險救災[5]、邊遠地區氣象站的數據遠程傳輸等領域得到廣泛應用。隨著通用航空產業的發展[6]，北斗在通航飛機導航監視應用中發揮了重要作用[7-8]。利用北斗短報文可以監視飛機的飛行狀態等信息，對通航飛機安全飛行起到了重要作用。

為了更好地應用北斗短報文功能，需要評估北斗短報文通信性能。文獻[9]在2015年進行了定點大數據統計并給出了北斗通信傳輸成功率。文獻[10]對北斗短報文遠程傳輸系統的通信成功率進行了統計。文獻[11]通過安裝在通航飛機上的北斗終端進行了在1 000～3 000 m高度的RDSS性能分析實驗。在已有的研究中，大部分實驗數據均來自定點測試，并不包括空中運動載體的短報文上報和通航飛機在高度為1 500 m以下的飛行試驗情況。

為更好地評估北斗短報文通航應用性能，文中采用銳翔RX1E-A和SA60L通航飛機搭載北斗終端，并進行全飛行階段試驗采集數據，對飛行高度1 500 m以內的飛行數據進行了采集與研究，評估了低空域通航飛行器北斗短報文的通信性能指標，研究了以通信成功率作為北斗短報文在通航低空監視領域的評估方法，并分析了影響通信性能的因素，研究結果對北斗短報文服務航空領域有一定的意義。

1 北斗一號系統

1.1 北斗一號系統原理

“北斗一號”衛星導航系統的空間段由兩顆工作衛星和一顆備用衛星組成，三顆衛星均為地球靜止同步軌道衛星。服務區域范圍為北緯5°～55°，東經70°～145°?！氨倍芬惶枴毕到y具備三大功能：定位、授時和短報文通信。

短報文通信的實際工作流程為發送方將接收方的ID號和通信內容經過加密傳送給衛星，由衛星轉發入站，地面站將接收的信息經過脫密和再加密后加入出站電文，廣播到接收方用戶機上，接收方用戶機解調解密出站電文，完成一次通信，系統定位過程示意圖如圖1所示。

圖1 “北斗一號”有源定位過程

1.2 北斗短報文通信

“北斗一號”系統具有短報文通信功能，北斗卡按照服務頻度不同分為一類、二類和三類三種類別，具體如表1所示。

表1 北斗短報文通信不同類別定義

普通居民一般能申請到的類別為二類，即服務頻度為10～60 s，并且用戶機與地面站之間每次最多120個漢字或1 680 bit的短報文通信服務。而三類一般運用加密手段適用于軍方。

由于北斗短報文每次通信字節長度有限，在文中的飛行試驗中，對通信信息進行編碼處理，北斗終端通過GEO衛星向指揮機上傳信息具體格式如表2所示。

表2 北斗終端短報文信息格式

北斗機載終端利用北斗RDSS(Radio Determination Satellite Service，衛星無線電測定業務)[12]鏈路向指揮機傳輸航空報文信息，其信息編碼方式沿用“北斗一號”入站信號格式及其擴展協議格式，通信電文形式為代碼，僅對通信內容數據段進行擴展編碼。

表2中的電文內容最長為1 680 bit，其分為兩部分，前一部分為標志位，后一部分為代碼信息內容。第一字節固定為航空標志位0XBF。普通非密二類卡代碼信息內容可用長度為620 bit，上報的定位點的數據段共有77個字節。

2 北斗短報文通信性能測試

2.1 北斗短報文通信性能評估方法

按照民航局“先通用，后運輸；先監視，后導航”的實施策略，研究北斗通航監視性能測試，將北斗終端上報的位置信息進行處理，并且進行短報文上報成功率統計，數據處理的流程與評估方法如圖2所示。選取載體處于運動時的數據，即通航飛機處于起飛、空中飛行、下降和著陸等階段的數據。

圖2 北斗通信成功率計算流程

首先，統計總短報文數據量，即為M；然后，剔除異常數據，得到所需的成功上報的短報文數據量，即為S。

北斗數據包傳輸成功率的計算表達式如式(1)所示。

(1)

2.2 通航飛行測試平臺

通航飛行測試平臺主要由通航飛機、北斗終端、北斗指揮機和地面監視中心系統等組成。其中，通航飛機用來搭載北斗終端設備，北斗終端用于采集定位信息、通信信號波束強度和通信短報文等[13]，北斗指揮機接收北斗衛星信息，地面監視中心系統綜合處理飛行試驗數據[14]。平臺系統結構示意圖如圖3所示。

圖3 通航飛行測試平臺

(1)北斗終端

北斗終端主要完成北斗定位和短報文通信，實驗中所用的北斗終端主要包括：北斗終端主機、北斗通信卡、電源線、數據線和北斗終端供電鋰電池。北斗終端使用的是民用北斗卡，短報文上報的頻度為60 s/次。

(2)通航飛機

飛行測試中，使用兩種不同型號的通航飛機采集實驗數據，兩種飛機的型號分別為銳翔RX1E-A電動飛機和SA60L油動飛機。

(3)北斗終端飛行測試搭載

北斗短報文通信衛星為地球靜止軌道衛星，為了獲得更好的試驗效果和通信成功率，在北斗終端搭載過程中，北斗終端的天線要盡可能朝向赤道上空的北斗衛星。

為不影響通航飛機的現有結構，北斗終端采用便攜式搭載方式固定[15]。為考慮不同搭載位置對通信性能的影響，搭載位置一個為飛機的前艙，另一個為飛機后艙，具體搭載效果如圖4所示，其中，圖4a為前艙搭載，圖4b為后艙搭載。

圖4 北斗終端分別在通航飛機前后艙搭載

3 性能評估與分析

3.1 飛行數據采集與統計分析

對2019年9月～11月期間采集的近26天的飛行數據進行評估和分析，試驗飛行的總時長近200 h。試驗期間總的應上報報文數量為12 032條，實際接收到的報文總數為10 470條，在此期間，北斗短報文通信成功率如表3所示。

從表3的結果可以看出，飛行試驗期間北斗終端上報短報文的平均通信成功率為87.02%，能夠較好地滿足通航公司對飛行器的監視需求。

表3 飛行試驗北斗短報文通信成功率結果

為了更全面地分析北斗通信成功率與北斗通信信號波束功率之間的關系，采集了北斗通信信號波束功率。經過試驗測試，信號通道波束功率大于等于2時，當前時刻可以通信成功。以在法庫機場飛行采集的波束數據為例，對波束信號強度與通信成功率進行分析，統計結果如圖5所示。

圖5 波束統計與通信成功率對比

由圖5中的結果可看出，各通道的波束功率情況與短報文通信成功率基本一致。

3.2 通信性能影響因素分析

3.2.1 前后艙搭載位置影響

北斗終端搭載在飛機前后艙對應的成功率統計結果如表4所示。

表4 SA60L型飛機前后艙搭載通信成功率

從表4中可以看出，搭載在SA60L前艙時通信成功率比搭載在后艙略高，在前艙的北斗終端與衛星可視情況優于北斗終端搭載在后艙情況。因此，在條件允許情況下，北斗終端天線安裝在機身頂部，有利于提高北斗衛星與終端之間通信信號質量，提高短報文通信成功率。

3.2.2 飛行高度的影響

根據飛行高度，將采集的飛行數據分為90～300 m、300～600 m與600～1 000 m三個區間進行對比分析，北斗短報文通信成功率統計結果如表5所示。從表中可以看出，飛行高度在90～300 m時通信成功率均值較低；飛行高度在600～1 000 m時，北斗衛星與北斗終端天線之間通信受機場周圍山體遮擋等影響較小，通信成功率較高。

表5 不同飛行高度對通信成功率影響分析

4 結論

本文研究了北斗短報文通信性能飛行測試評估方法，并利用通航飛機采集數據，對北斗短報文通信信號波束強度和成功率進行分析，并從北斗終端搭載位置、飛行高度等不同方面對通信性能進行分析。研究結果表明：北斗短報文通信成功率與通道波束強度具有較好的一致性；當終端安裝在飛機前艙位置時，衛星與終端信號鏈路較好，通信成功率為84.73%；在飛機的飛行高度達到300 m以上時，通信成功率達到87.02%。北斗短報文通信能夠較好地適用于通航飛機低空監視應用，文中的研究結果對北斗在航空領域的導航監視應用具有一定的參考意義。