北斗二代系统在测试场超视距通信指挥中的应用

2014-08-21孙伟伟白玉栋

全球定位系统 2014年4期

孙伟伟,白玉栋

(91404部队92分队,河北秦皇岛 066000)

0 引言

北斗卫星导航系统(BDS)建成以后可为各类用户全天候提供高精度导航、定位、授时等服务。它有别于其他卫星导航系统之处在于其能够在不同用户终端之间发送类似手机短信形式的短报文。北斗二代卫星系统继承了北斗一代系统的通信功能,其所具有的位置报告功能和指挥型用户机设计,使用户不但能自主确定自己的地理位置信息,知道“自己在哪”,更能在全球任何地点与其他拥有北斗系统终端的用户交换地理位置或其他信息,让别人知道“自己在哪”。北斗二代卫星导航系统在提供无源定位导航和授时等服务时,用户数量没有限制,特别适合集团用户大范围监控和管理,适合军事部门应用。目前测试场试验向大航区、大射程方向发展,航程往往达数百公里,数据传输超出了“看得见”的视距范围,需要进行超视距通信，而测试场传统的无线数传电台、微波、无线局域网、卫星通信等通信方式,在覆盖范围、布站方式等方面存在着很多局限性。为了满足今后测试场新型舰船及装设备在大航区、复杂电磁环境下试验的通信保障需求,利用北斗二代卫星系统覆盖范围广、不受地形、气候因素影响、导航与通信结合使用、设备安装及通信费用经济实惠等特点,可成功解决测试场远距离通信的难题，测试场可以利用北斗二代卫星导航系统短报文通信功能实现超视距简短通信指挥。

1 北斗二代系统通信技术特点

北斗卫星导航系统是我国自主研制的卫星导航系统,北斗卫星导航系统工程建设“三步走”战略的第二步目标——北斗二代卫星导航系统区域组网已顺利实现(截止到2012年底,在轨工作卫星有5颗地球静止轨道卫星(GEO),4颗中圆地球轨道卫星(MEO)和5颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO))。北斗二代卫星系统在亚太地区的精度不差于GPS全球定位系统,可全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务,并兼具短报文通信能力,堪称中国的“GPS”。

1.1 北斗二代系统的通信技术指标

目前北斗二代卫星导航系统的短报文通信功能允许用户与用户、用户与地面控制中心之间进行双向数据传输。一般用户一次可传输36个汉字(72个字节),经核准的用户可利用连续传送方式,最多一次可传送120个汉字(240个字节)，这种简短通信服务,GPS无法提供。北斗二代系统的其他主要通信技术指标为:

工作频段(用户终端至卫星):上行为L波段,频率为1 615.68±4.08 MHz;下行为S波段,频率为2 491.75±4.08 MHz;

信道速率:入站(上行)信道为16.625 Kbps,出站(下行)信道为31.25 Kbps;

系统误码率:1×10-7;

用户类型和服务频度:由授权决定,用户类型按等级分为一、二、三3类,其中一类用户机5～10 min服务1次,二类用户机10～60 s服务1次,三类用户机1～5 s服务1次;

定位响应时间:一类用户机〈10 s,二类用户机〈2 s,三类用户机〈1 s.

用户终端功耗:车载机约30 W.

1.2 北斗二代系统的通信工作方式

北斗二代系统具有点对点双向数据传输方式,也称端对端通信,通信流程为:短报文用户发送端首先将包含接收方ID号和通信内容的通信申请信号加密后通过北斗卫星转发至地面中心站(入站信号);地面中心站处理接收到的信号,并将其发送到地面网管中心;地面网管中心接收到通信申请信号后,经解密和再加密后发送至地面中心站;地面中心站将其加入持续广播的出站信号电文中,经北斗卫星广播给用户接收端;用户接收端的控制信息以相同的方式送发送端，北斗二代卫星导航系统通信流程示意如图1所示。

图1 北斗二代系统点对点双向数据传输示意图

在北斗二代系统卫星通信点对点双向数据传输工作方式中,还有一种点对多点的“通播”方式,即在一个用户群(用户系统)中,将用户群中的一个测站作为主站,将其终端设备号码写入本群中其它测站(从站)的终端设备的映像地址中,当此主站作通播方式发送信息时,则群中所有使用同一波束的其他测站都能同时收到此信息。主站既可以接收数据也可以发送控制信息,其他测站只能接收而不能发送控制信息。这样,通过通播功能可以构成点对多点通信。此功能也可以用作系统的广播回执,即测站终端每次发送数据后等待接收主站的回执,如果在规定时间内没有接收到回执,则延时一段时间再发送一次,以增加数据传输的可靠性。如果用户系统的主站采用北斗指挥型终端,则回执可一次在全部波束上发送,用户系统的所有其他测站都可以同时收到主站的回执。

测试场试验或研练时指挥关系复杂,岸基有总指挥所,海上有分指挥所,各作战部门又有自己的小指挥所,通信方式既有询问应答式,又有只答不问式,通信信息共享与隔离矛盾凸显，北斗二代通信具有通播功能,合理的利用这项功能可以顺利解决这一矛盾。

2 北斗二代系统短报文通信与测试场传统的通信方式比较

目前测试场的数据实时传输仍然停留在视距范围内,不能将多目标、远距离数据实时回传给指挥舰,缺乏超视距数据传输设备。北斗二代系统短报文通信功能适应大航区数据通信传输,从军事和经济的角度看均适用于测试场使用。北斗二代系统短报文通信与测试场传统的无线数传电台、微波、无线局域网、卫星通信等通信方式比较如表1所示。

表1 北斗二代系统短报文通信与测试场传统通信方式比较

(续表)

3 北斗二代系统短报文通信技术在测试场超视距通信中的应用设计

根据以上分析,北斗二代卫星导航系统比较适合于进行远程数据传输。在测试场XXX型网络传输系统中,已根据北斗二代系统导航与通信结合的特点,既应用北斗二代用户机接收卫星信号进行自主导航定位,又应用北斗二代用户机短报文通信链路进行超视距数据传输,示意图如图2所示。

图2 北斗二代系统在测试场超视距通信中的应用图解

3.1 系统组成、功能

系统由岸基指挥中心(岸基总指挥所,主中心站)、中心用户端(海上分指挥所,指挥舰,分中心站)和辅助用户端(目标舰船、飞机)等三大部分组成,其中,岸基指挥中心作为主中心站,应用1台北斗指挥型用户机,主要功能是作为岸基总指挥所,对其下属的中心用户端发送指挥指令信息,进行指挥调度,并收集目标的位置、速度等信息;指挥舰(海上分指挥所)作为中心用户端(分中心站),应用1台北斗指挥型用户机,主要功能是作为海上分指挥所,对辅助用户端通播上级指令进行指挥调度,进行自身精确定位、测速,接收辅助用户端的位置、速度等信息,并将自身和辅助用户端的位置、速度等信息上传岸基指挥中心;其他目标舰船、飞机作为辅助用户终端,应用3台北斗通信型用户机,作为用户终端,进行精确定位、测速,并将自身位置、速度等信息上传给中心用户端。

3.2 北斗用户机的应用特性

本系统应用的北斗用户终端为2台北斗指挥型用户机,3台北斗通信型用户机。北斗用户终端根据功能不同分配不同角色,分为北斗通信型用户机和北斗指挥型用户机,这是北斗卫星导航系统通信功能最大的特点。北斗通信型终端和指挥型终端最大的区别在于前者只能锁定在少数波束上,在某一时刻同时针对少数(1～2个)系统进行点对点通信,而后者可以在某一时刻同时锁定所有波束,对多个系统进行点对多点通信，发送信息也是如此,前者只能在少数波束上发送,而后者可以同时锁定所有波束。当用户终端采用北斗通信型终端时,往往出现数据丢失的现象,这是因为北斗通信型终端总是锁定在最强的卫星波束,当锁定波束发生变化时不会主动通知地面控制中心,导致地面控制中心仍然在前次波束上转发。采用北斗指挥型终端时,终端可以扫描所有卫星波束,很少出现丢数现象。因此测试场试验指挥所(岸基总指挥所、海上分指挥所)应采用北斗指挥型终端设备，为了节约成本,对于测试场目标平台多采用北斗通信型终端设备。在采用北斗通信型终端设备的情况下, 北斗用户机接收应用程序可以通过增加卫星信息监测功能来解决数据丢失问题。当监测到卫星锁定波束发生变化时,指定北斗卫星终端发送新的信息至地面控制中心,使地面控制中心永远保持接收终端的当前波束。

3.3 系统工作过程

系统简要工作过程如下:

1)岸基指挥所的北斗天线架设在大地坐标已知点上,接收北斗导航信息,为提高定位精度,经过差分处理,把岸基指挥所的精确坐标与观测值进行比较,消去大部分误差,从而得出修正数并通过北斗二代指挥机按照预先设定的地址向中心用户端实时播发和下达指挥命令。中心用户端接收命令后可以通过回复岸基指挥所命令执行情况,实现点对点通信，如岸基指挥所显示屏上发现某一辅助用户端偏离航路时,可以通过北斗指挥机指挥中心用户端通过北斗链路对该辅助用户端进行指挥调度,也可以直接对辅助用户端进行指挥调度(一般都是按照指挥关系分层进行指挥,岸基指挥所不直接指挥辅助用户端)。

2)中心用户端(海上分指挥所,指挥舰)接收北斗二代卫星导航信息及岸上基准站差分信息,精确测定指挥舰的位置和速度,同时中心用户端通过北斗指挥型用户机接收3套北斗辅助用户端的位置、速度信息,并在指挥舰上显示其相对关系，中心用户端的定位结果通过北斗二代数据链路传送给岸基指挥所,以便实时处理、监控。中心用户端也可以通过北斗指挥机向各辅助用户端“通播”上级指示或航路调整计划,各辅助用户端落实指示后反馈命令执行情况,实现点对多点通信。

3)辅助用户端接收北斗二代卫星导航信息,精确测定目标舰船、飞机的位置和速度信息，辅助用户端的定位结果通过北斗通信型用户机短报文通信链路传送给中心用户端,以便实时处理、监控。

若试验任务简单,出动兵力少,可以只设定1级(个)指挥所,指挥所对所有空海目标(飞机、舰船)进行广播即可。需要说明的是,在出航前,所有北斗二代系统通信机都要按照指挥关系加以设定,分队编组,将所需地址装订在需要的北斗用户机中。