一種用于提高北斗短報文通信成功率的基于數據特征提取的數據融合算法

王雁來,王 鈺,王傳霸

(1.北京華力創通科技股份有限公司，北京 100094； 2.北京華力智飛科技有限公司，北京 100094)

0 引言

北斗衛星導航系統(BDS)是我國自主研發的能夠提供衛星無線電測定業務(RDSS)的系統。RDSS定位系統通過擴頻調制，提供北斗短報文通訊。北斗短報文的載荷區保存用戶的業務數據，從而實現在各行各業包括應急管理等特殊領域的導航和通信服務應用。RDSS業務通過直接序列擴頻調制方式實現了鏈路的正常工作，從而完成終端的精確定位。但是，由于RDSS系統采用短突發方式發射入站信號，短報文通訊是瞬時發生的，因此短報文的通信成功率直接影響了RDSS系統的通信業務。提高北斗短報文的通信成功率直接決定了實際應用系統的運營效果。

針對民航飛行器實現基于北斗衛星導航系統的追蹤，通過在飛行器上安裝北斗機載終端，配合地面接收機進行基于RNSS的全球定位以及基于RDSS的北斗短報文數據通信，從而實現對飛行器的實時追蹤和飛行健康監控以及數據管理。基于北斗的飛行器全球定位追蹤系統可以徹底擺脫ACARS飛行器監控體系，并能夠借助北斗信號在ACARS盲區中的覆蓋，從而實現全方位的飛行器跟蹤和監視。

1 系統結構及原理

2017年在中國商飛公司在國產大飛機ARJ21-700上安裝了北斗導航機載設備，完成了相應的試飛測試科目。這是北斗衛星導航系統第一次在運輸航空領域的測試應用，同時也是國產民機第一次使用國產導航系統。

為了加快推廣國內運輸類飛機的北斗追蹤設備應用，中國民航局在2019年發布了《中國民航北斗衛星導航系統應用實施路線圖》，明確了北斗系統在中國民航應用的系統性實施路徑。隨著中國民航在北斗系統的應用，北斗辦和中國民航總局都陸續出臺了相關規定和適航標準。

北斗機載終端通過北斗RNSS全球導航系統獲取飛機當前的定位信息(經度、緯度、高度、速度)，通過機載總線獲取飛機的航電基本數據，將內容組合為北斗短報文通過RDSS系統發送到北斗地面指揮機。北斗地面指揮機收到飛機上的北斗機載終端下發的北斗短報文后，進行數據解析、數據歸一化以及數據分析，完成飛行器的飛行追蹤、飛行器的健康管理以及數據管理。

系統實現原理架構如圖1所示。

圖1 北斗RDSS通信架構原理圖

根據圖1所示，北斗衛星通過北斗地面站完成北斗短報文的分發，從而實現了北斗機載終端和北斗地面指揮機之間的通信鏈路，完成北斗短報文的傳輸通信。由于空空鏈路上的各種不確定情況，加上飛行器的高速飛行過程會加劇降低北斗短報文數據通信的成功率，因此針對飛行器的RDSS北斗數據追蹤需要有很多單獨的優化或者處理，從而提高北斗地面指揮機的數據通信成功率。具體有信號增強以及數據融合等兩個方面。

1.1 抗干擾技術

由于環境復雜，飛機在飛行過程中的空中無線環境很容易受到各種干擾，包括多徑誤差、大氣層干擾以及地面信號干擾等，甚至在地面由于建筑物等遮擋導致信號衰減以及各種信號干擾等，從而導致北斗衛星通信鏈路連續發送多條短報文后，報文全部被接收的幾率比較小，并且接收端不發送回執信息，無法確定報文是否被成功接收。如果地面接收的信號質量一旦被環境干擾，必然會進一步降低短報文的通信成功率。

根據歷屆國際無線電聯盟頻率分配會議對RDSS的頻段分配，將L頻段1610-1626.5 Mhz分配給地對空上行方向,S頻段2483.5-2 500 Mhz分配給空對地下行方向。但是目前常規無線Wifi的頻率頻段由IEEE 802.11 b/g/n定義，其工作頻率為2.4 GHz。由于該頻率和北斗短報文的下行頻率非常接近，所以Wifi信號的強烈帶外雜波也會干擾到北斗短報文下行的信號質量，從而導致北斗短報文的通信成功率降低。

提高北斗短報文的通信成功率的解決方法主要有天線增強技術和接收信號的抗干擾技術等兩大類。其中，天線增強技術根據當前天線所在空間環境的信號質量，選用相匹配的天線類型并改變天線的安裝方式，從而避免信號干擾。在該理論的基礎上，通過增加多個天線實現聯合抑制信號干擾也是一種比較有效的技術創新，該方法由M.MAQSOOD等人于2010年提出。隨著技術的逐漸演進與發展，JEFF FROLIK于2015年提出了三極化天線分集技術，該防范能夠有效減輕多徑信道對信號的干擾。此外，提高北斗短報文的通信成功率的第二大類技術是接收信號的抗干擾技術。這類技術主要通過對信號的各種不同方式的濾波來提高信號質量，從而提高數據通信成功率。最為經典和傳統的算法當屬基于卡爾曼濾波的動態濾波抗干擾算法。隨著對濾波研究的深入，自適應濾波技術也有了很大的發展，其中包括基于自適應統計貝葉斯MMSE信道估計的算法研究等。這類技術也極大的改善了北斗短報文的通信成功率。

盡管目前基于天線技術和抗干擾算法的技術研究都有了系統的發展，但是在實際應用場景下，為了提高北斗短報文的通信成功率，除了需要采取抗干擾天線提高地面接收系統的雜波干擾能力，并盡量尋找空中信道質量較好的地面環境之外，還可以利用多信道數據融合的方法進一步提高通信成功率。

1.2 數據融合技術

數據融合技術是對來自多源信息進行綜合處理,通過對不同來源的數據進行歸一化、篩選過濾以及合并處理后，得到更為準確、可靠的結論。信息融合技術主要通過對多個數據來源渠道的數據進行處理，通過對大量不同渠道獲得的同類型數據在不同維度進行有序組合，從而實現多源多維度的數據關聯和內容互補，進而獲得更加豐富和細致的信息，為用戶提供更為有效的決策參考。

對于北斗短報文數據的融合，主要通過對不同渠道獲取的北斗短報文數據，按照時間域進行數據排序，并在此基礎上進行數據特征提取。根據提取到的數據特征進行多源數據合并。

一般來說，數據融合主要包括：數據級融合、特征級融合和決策級融合等3個層次。這三類數據融合是按照對數據的加工處理層次的不同而區分。第一類是數據級融合。這類融合不對原始數據進行加工和處理，直接進行關聯和融合。該融合可以最大程度保留原始數據的特征，并提供足夠的數據細節信息。第二類是特征級融合。這類融合需要先對原始數據進行預處理，包括數據清洗以及數據特征提取，然后對所提取到的數據特征進行融合。該融合能夠快速尋找數據特征之間的關系，快速去除冗余無效數據信息，避免數據干擾。第三類是決策級融合，該融合需要在多源原始數據的基礎上，直接進行決策和分析，并將多源數據的多種決策結果進行融合，從而獲得總體決策結果。

目前和數據融合相關的技術和算法有很多，包括最近鄰法則、最大似然法、最優差別、統計關聯和聯合統計關聯等。這些算法都對原始多源數據進行了多次處理，并在數據處理過程中建立了相應的系統模型。根據對原始數據處理方式的不同，這些系統模型主要分為功能型系統模型和數據型系統模型等兩大類。其中功能型系統模型根據數據處理順序進行構建，主要有UK情報環、Boyd控制回路(OODA環)等。數據型系統模型則根據數據內容和數據處理的不同階段分別進行構建，最為著名模型是美國國防部數據融合聯合指揮實驗室所提出的JDL模型。隨著數據融合技術的發展，對數據處理的逐漸深入以及在不同階段對數據的不同需求，逐漸出現了瀑布模型和Dasarathy模型。其中，Dasarathy模型包括了5個融合級別，其中第二級別的融合為特征選擇和特征提取，即數據和特征組合的融合。

特征選擇是從原始數據中選擇出可以代表數據的特征子集，把原始數據從高維空間轉換到低維空間中，并將原始特征合并成一些新的特征類型來進行表示。與特征提取相比，特征選擇保留了原始數據的物理意義，在后續的數據分析中往往會更加方便。特征選擇的方法是從原始特征數據集中選擇出子集，是一種包含的關系，沒有更改原始的特征空間。

2 北斗短報文兼收系統架構

基于RDSS的北斗短報文通信除了常規的接收方式之外，還有兼收方式。由于每個北斗終端機都有唯一的ID號，并采用單獨的加密方式，短報文通訊經過地面中心站轉發實現。通訊的具體流程是：(1)短報文發送方將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請報文加密后通過衛星轉發入站；(2)地面中心站接收到通訊報文后，經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶；(3)接收方接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通訊。

指揮型北斗RDSS 單元能夠兼收下屬用戶的定位和短報文信息，實現用戶信息管理、通播、查詢、調閱和指揮調度等功能的RDSS 終端設備。不同的北斗終端之間建立上下級的從屬關系，上級用戶可向下屬用戶發布通播信息，并兼收下屬用戶的定位通信信息。

由于北斗地面指揮機可以設置多個北斗終端作為管理下屬，因此可以通過兼收方式實現所有歸屬的北斗終端的短報文通信內容。系統通信架構如圖2所示。

圖2 北斗RDSS指揮機通信架構圖

從圖2可以看到，系統設置兩級指揮機，分別為1級管理和2級管理。其中2級指揮機直接接收所有被管理的北斗機載終端。北斗機載終端的北斗短報文直接下發到2級指揮機。1級指揮機負責管理2級指揮機，并兼收2級指揮機和下屬北斗終端的短報文通信數據。在該通信架構下，1級指揮機可以通過兼收功能獲取2級指揮機和下屬所有北斗終端之間的短報文通信數據。

圖3展示了北斗短報文兼收過程，通信鏈路上的序號表示數據發送順序，其中第4和第5為同時發生。

圖3 北斗RDSS兼收通信原理圖

3 基于數據特征提取的數據融合算法

基于Dasarathy模型，可以通過數據特征提取進行不同來源數據的融合。在北斗短報文數據中，數據特征包括：源ID，目標ID，發送時間，飛機位置(經緯度)和飛行速度等。由于北斗短報文的通信特點，每個終端每分鐘發送一次當前北斗終端的經緯度，并有數據發送絕對時間，所以可以根據北斗指揮機所收到的北斗短報文解析后的報文發送時間進行排序以及融合。

由于有數據接收和數據兼收兩類數據通道，因此數據融合算法通過使用上述的三類數據特征值進行數據對比，將缺失的數據進行并集操作，從而提高數據接收成功率。當數據接收的通道有短報文丟失或者數據有缺失的情況下，使用兼收的短報文數據進行補足。

以上介紹的數據融合方法涉及到3個核心算法，包括不同源的數據特征提取、數據對齊以及數據融合處理。

數據對齊：首先數據特征中的源卡號SourceID以及發送時間Time進行數據對齊，確保多源數據的一致性，從而避免數據融合或者沖突處理的準確性。數據對齊的計算公式為：

(1)

根據公式(1)，只有當數據源ID和發送時間都相同的才進行數據對齊，否則不需要對齊。

數據融合處理：對于多源數據如果沒有進行數據對齊，則說明多源數據互為補充，只需要針對源ID相同的數據按照發送時間排序合并即可。對于完成了數據對齊的數據，說明源卡號和發送時間完全一樣，需要做兩類融合處理：

對于數據特征值完全一樣的情況下，只選擇其中一個來源的數據，多源其余相同數據拋棄；對于數據特征值不完全一致的情況下，對比上一個發送時間的同源數據，選擇差值最小的數據。

根據上述的數據處理，數據融合的公式如下：

(2)

公式(2)中

i

代表數據發送時間，通過數據融合獲得按照發送時間的北斗短報文數據序列。公式中

j

代表數據來源，針對不同來源的數據，選擇和上一包數據的特征值差值最小的數據作為融合后的數據。

本系統的應用場景中由于所有飛機北斗機載終端的短報文都將發送到2級北斗地面指揮機中，因此數據融合的算法將針對1級北斗地面指揮機和2級北斗地面指揮機采集的數據通過數據特征提取后進行融合。

具體算法流程如圖4所示。

圖4 數據融合算法流程圖

4 實驗結果與分析

4.1 實驗步驟和方法

為了檢驗數據融合的效果，系統搭建真實使用場景，通過北斗地面指揮機接收飛機北斗機載終端發出的北斗短報文。本系統已經對某航空公司的20架飛機進行位置追蹤和數據管理，日常運營過程中，所有的飛機均按照公司正常業務進行航班安排。

為了避免某些飛機固定航線的特定空間信號質量干擾本算法，隨機選擇3架飛機的機載北斗終端進行數據測試。

首先，針對兩級北斗指揮機的數據接收架構，單獨列出了數據兼收和數據接收兩個不同數據通道的數據接收情況，并按照飛機日常運營12小時的數據進行比較。

然后隨機挑選3個終端進行數據融合，并比較數據融合前后的短報文通信成功率,從而判定所提出的數據融合算法的效果。

4.2 實驗數據

按照上述的實驗步驟，選擇3個機載北斗終端進行數據接收成功率統計。從0點開始監控到下午5點，分別統計接收缺失數據以及兼收缺失數據。由于時間跨度超過12小時，三架飛機的實際運營空中航線完全不同，因此可以排除由于具體空間信號特定干擾所引起的通信成功率。

對于3個終端的數據，按照時間順序顯示數據缺失情況，菱形為數據接收所缺失的數據，方形為數據兼收所缺失的數據，三角形為兩種數據源共同缺失的數據。

圖5是終端1的數據接收情況，圖6是終端2的數據接收情況，圖7是終端3的數據接收情況。

圖5 北斗短報文數據缺失分布圖(終端1)

圖6 北斗短報文數據缺失分布圖(終端2)

圖7 北斗短報文數據缺失分布圖(終端3)

由于隨機選取的三架飛機全天的飛行軌跡是不同的，因此3個北斗機載終端在17個小時的跨度下可以有效覆蓋不同空域情況下的數據發送情況。

從上述3個終端的不同來源的數據分布可以看到，接收方式和兼收方式缺失的短報文分布不同，如果采用數據特征提取的方式進行數據融合的話，可以有效提高數據通信成功率。

4.3 實驗數據分析

采用數據接收和兼收的數據融合后，通信成功率會大幅提高，如圖8所示。

圖8 數據融合效果比較圖

從測試結果來看，上圖顯示經過數據融合后，長時間的北斗短報文通信成功率能夠超過96%。這一測試結果不僅符合北斗通信協議標準要求的96%通信成功率，同時也滿足實際運營飛機的管理用戶對當前運營飛機的位置追蹤和數據管理的使用要求。

5 結束語

由于北斗通信空間信號干擾，導致的北斗短報文長時間運行通信成功率下降的問題，提出了一種基于數據特征提取的數據融合算法，通過北斗地面指揮機的數據接收和數據兼收兩種短報文接收方式，進行基于源ID、目標ID、發送時間以及終端位置和速度等的數據特征比較和融合，從而有效提高了北斗短報文的通信成功率，能夠符合飛機追蹤的使用要求。

本算法需要搭建兩級北斗指揮機，在系統架構上略顯復雜，未來可以基于抗干擾天線以及相關濾波算法進行深度數據融合，從而擺脫雙級北斗地面指揮機的系統架構，簡化系統使用。