基于北斗短报文的卫星通信车快速组网方案设计

2018-10-09雷思磊贺文宝李剑青熊志坚冯赟

全球定位系统 2018年4期

雷思磊,贺文宝,李剑青,熊志坚,冯赟

(酒泉卫星发射中心,甘肃酒泉 732750)

0 引言

卫星通信具有信号覆盖范围广、传输带宽较大、不受通信距离限制、不依赖地面常规通信设施等优点,是应急机动通信时的重要技术手段,卫星通信车是车载机动卫星通信平台,是应急机动通信时的重要力量。目前卫星通信车在组网时需要提前与远端站协商载波频率、调制方式、编码速率等系统参数,这种方式存在以下弊端:

1) 参数协商使用的是常规通信手段,一旦卫星通信车进入到没有常规通信手段依托的地域执行任务,那么参数协商将无法进行。

2) 现阶段是人工协商,速度慢,无法适应未来瞬息万变的战场形势。

3) 每辆卫星通信车都需要配备2～3名专业人员才能完成参数配置、通信组网等工作,对人员技术水平依赖度高,容易成为战斗力生成的桎梏。

针对上述问题,本文设计利用北斗短报文技术,通过北斗卫星信道传递远端参数,并使用自主研发的中心控制单元对设备进行自动配置,有效解决了上述弊端。

1 北斗短报文技术介绍

北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容的全球卫星导航系统。北斗一号卫星导航系统1994年启动工程建设,2000年建成了北斗卫星导航试验系统,并投入使用,该系统能够提供基本的定位、授时和短报文通信服务。北斗二号卫星导航系统2004年启动工程建设,2012年12月,正式开始为亚太地区的用户提供定位、导航、授时服务[1]。北斗系统的特点之一是同时具备定位与通讯功能,无需其他通讯系统支持,能够实现北斗用户间的双向短报文通信。

北斗卫星导航系统由卫星、地面中心站、地面网管中心和用户数传终端组成,其短报文通信工作流程如图1所示。首先,发送方的数传终端将短报文数据加密后,采用码分多址直接扩频序列调制(即CDMA方式),用L波段频率发送到卫星,通过卫星转换为C波段传送至地面中心站(入站信号);地面中心站处理接收到的入站信号,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电文中,经卫星转换为S波段广播给接收方的用户终端;用户机接收出站信号,解调解密出站电文,完成一次点对点通信[2]。

北斗短报文通信的优点如下[2]:

1) 快速响应能力,短消息通信时延约为0.5 s,点对点通信时延为1～5 s;

2) 通信抗干扰强,通信采用CDMA技术,码间干扰小,同时采用S/L波段卫星传输,可穿透平流层和对流层,可保证极端天气条件下的通信;

3) 通信可靠性高,数据误码率<10-5,系统阻塞率<10-3;

4) 保密性强,北斗卫星导航系统是我国自主知识产权的卫星导航系统,能保证通信的安全性和保密性;

5) 覆盖面积广,已经形成整个亚太地区的服务能力。

正是由于北斗短报文具有上述优点,目前在预警信息发布[3]、气象数据传输[4]、指挥通信[5]、应急通信等领域得到了广泛应用,发挥了巨大价值。

但是通过应用,也逐渐暴露了北斗短报文通信的缺点,主要如下[2]:

1) 通信频度有限,北斗短报文通信由北斗用户卡控制,发送端发送一条通信申请指令后间隔一段时间才可发送下一条报文内容,一般通信间隔为1～60 s,但10 s以内的只开放给特殊用户,普通用户很难申请到。

2) 单次通信容量受限,单次短报文通信时,通信报文长度受限,一般民用北斗终端单次通信内容长度最大为120个汉字,即240个字节。

3) 北斗卫星通信链路不可靠,连续发送多条短报文后,存在丢包现象,并且接收端不发送回执信息,无法确定报文是否被成功接收。

针对上述问题,目前已有学者提出了多种解决方案,文献[6]中通过分词、编码、Lempel-Ziv无损压缩技术进行通信数据扩容;文献[7]提出了基于剖分影像金字塔模型的北斗短报文系统影像传输策略与方法;文献[8]采用丢包反馈重传机制、小数据粘包机制等提高通信可靠率。本文通过分析卫星通信车参数特点,设计了适合卫星通信车参数传递的数据包格式,通过双北斗终端的兵乓使用机制提高通信频度,同时通过请求-响应、超时重传等机制提高可靠率。

2 卫星通信车快速组网方案设计

卫星通信车快速组网方案设计示意如图2所示,其中中心站是控制站,技术人员在中心站通过中心快速组网分系统软件编辑、选择指令,并控制双北斗终端,选择其中一个终端,通过串口将指令发送给该终端,后者再将指令通过北斗短报文方式发送给卫星通信车上的北斗终端。卫星通信车的北斗终端接收短报文后,通过串口将报文内容交给中心控制单元(CCU),CCU上运行车载站快速组网分系统软件,该软件分析判断报文内容,发现是参数配置指令,且指令有效,便按指令要求配置车载装备,配置完成后,远端站点与卫星通信车即建立了卫通链路。

整个系统包括两个部分:中心站快速组网分系统、车载站快速组网分系统。中心站快速组网分系统包括服务器、双北斗终端,以及运行在服务器上的中心快速组网分系统软件,后者通过双北斗终端控制、管理车载站,其功能设计如图3所示。

1) 车载站信息管理:管理车载站的基本信息,包括归属、北斗ID、车型、卫通设备型号、网络设备型号、车辆附属功能、备注等。

2) 车载站配置查询:通过发送特殊指令到车载站,可以查询指定车载站的当前卫通设备参数配置参数配置等信息。

3) 车载站态势显示:通过定期发送特殊指令到各车载站,获取其即时坐标,并进一步通过GIS方式呈现出来。

4) 车载站卫通设备配置写入:通过发送特殊指令到车载站,可以指定卫通车上卫通设备的配置,比如频点、调制方式、调制速率、编码速率等。

5) 车载站中心控制单元重启:通过发送特殊指令到车载站,可以对车载站的CCU进行重启操作,以应对突发状况。

6) 北斗短报文发送间隔显示:由于中心站快速组网分系统采用的是双北斗终端的方式,每个北斗终端的短报文发送频次是1次/分钟,所以此处的发送间隔显示表示还有多少秒可以发送下一条短报文。

7) 预置卫通设备参数模板管理:事先存储了一些经过验证的卫通设备配置参数,此处加以保存,便于后期快速再利用。

车载站快速组网分系统包括CCU、双北斗终端,以及运行在CCU上的车载站快速组网分系统软件,后者通过双北斗终端接收中心站的指令,通过设备接口直接访问设备,以进行相关参数配置,其功能设计如图4所示。其具体含义与图3中中心站快速组网分系统的对应功能一致。

2.1 双北斗终端乒乓使用机制

北斗短报文的发送具有频次限制,本文使用的北斗终端的发送频次是1次/分钟,间隔时间略长,为了减少紧急情况下的间隔时间,设计使用双北斗终端轮流发送短报文的机制,即双北斗终端乒乓使用机制。假设两个北斗终端分别为终端A、终端B,在终端A发送短报文后,正常情况下需要经过60 s才能发送下一条短报文,采用乒乓使用机制后,可以在60 s内使用终端B发送紧急短报文,提高应急响应能力。

2.2 CCU硬件设计

CCU是车载站的核心设备,为了从硬件上确保安全,本文设计采用完全自主可控的2 K龙芯派作为主控板,2 K龙芯派是龙芯高端SoC平台,搭载龙芯最新64位2K1000双核处理器,主频1 GHz,其上器件都实现了国产化,并且有丰富的接口,满足CCU设计需求。同时,在2 K龙芯派上运行国产翼辉实时操作系统SylixOS,进一步确保安全可控。在SylixOS上运行自行研发的车载站快速组网分系统软件。CCU的硬件结构设计如图5所示。以2 K龙芯派为核心,充分利用其接口丰富的特点,连接双北斗终端、液晶触摸显示屏、音频输出、SD卡存储器,此外,通过网口1连接网络交换机,通过网口2连接串口服务器,进行卫通设备参数配置。

不同的北斗终端的串口通信协议不一样,以福建福大北斗通信科技有限公司的北斗RDSS、北斗RNSS和GPS一体化模块FB3511为例,其发送短报文的消息格式如图6所示,接收短报文的消息格式与此类似。

2.3 北斗短报文可靠传输协议

作为一种卫星通信方式,北斗短报文通信也同样有一般卫星通信方式的缺点,易受天气等环境因素的影响,短报文丢失率比较高,收发时延比较大,文献[3]中进行了详细的测试,发送2.5万个数据包,其丢包率为4.5%左右,平均收发时延为3.8 s.本文借鉴TCP/IP协议中的请求-响应、超时重发机制,设计北斗短报文可靠传输协议如图7所示。正常情况下,中心站发送一个请求包,会在短时间内收到车载站的响应包,从而完成一次操作,异常情况包括两种,一种是请求包丢失,一种是响应包丢失,无论是哪一种情况,都采用超时重发机制,中心站等待时间T后,重新发送请求,直到收到响应包为止,由于采用了双北斗乒乓发送机制,此处的T可以设置为30 s.