一种北斗网络模拟器的设计

杨叶林,倪冰洁,姚传明

(1.中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007；2.江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013)

0 引 言

北斗卫星导航系统[1](BeiDou Navigation Satellite System,简称北斗系统，CNSS)是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美全球定位系统(GPS)、俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间卫星系统、地面中心控制系统和各类用户终端等部分组成。目前在国防建设中占有越来越重要的作用，为军兵种作战提供定位、通信保障。

然而，一方面，指挥信息系统[2]的研制、联试时，规模上要覆盖部队各级各类指挥所、诸兵种和全要素，另一方面，作战指挥人员在参加各类模拟训练时，需要接入北斗卫星导航系统终端的信息系统众多。由于北斗卡申请困难，实装的北斗接收机数据量有限，同时在室内环境下，北斗信号较弱，不能提供正常定位、通信功能，满足不了研发、联试、训练的要求。因此需要研制北斗卫星导航系统中的空间卫星系统、中心控制系统、用户终端的模拟系统，即北斗网络模拟器，模拟器在功能、性能和技术体制上应与实际设备保持高度一致。

本文提供了一种基于QT、虚拟串口的北斗网络模拟器设计实现方法，对北斗卫星导航系统的运行进行模拟仿真。模拟器采用虚拟串口方法，对信息系统使用北斗用户终端方式进行模拟，使信息系统使用模拟器和使用北斗用户终端方式保持一致，不需要做任何适应性改进，同时也可使模拟器软件灵活地与信息系统部署于同一台计算机或分开独立部署。QT[3]是具备“一次编写，随处编译”特点的跨平台图形界面应用程序，提供了基于C++语言应用程序开发框架，可运行于Linux、Window、MacOS等多类型操作系统，采用QT进行软件研制，使模拟器具备跨平台移植特点，满足在各类操作系统下与指挥信息系统同时运行的需求。

1 北斗系统简介

1.1 主要功能

北斗系统是集定位、授时、通信于一体的卫星导航系统[3]，比GPS以及GLONASS多一项报文通信能力。

(1)快速定位：快速确定用户地理位置，为用户提供导航信息。

(2)精确授时：具备单向和双向2种授时功能，利用定时用户终端，完成与北斗系统时间和频率的同步。

(3)短语通信：具备用户与用户、用户与地面控制中心间双向数字报文通信能力。

北斗用户机终端可分为普通型、定时型、数传型、指挥型、救生型5种类型，其中不同类型用户机侧重功能点不一样。如定时型用户机主要提供精度可达数10 ns的时钟校准源，指挥型用户机具备鉴别、指挥下属其他用户机的功能等等。根据军用指挥信息系统中北斗用户机使用情况，本文主要针对普通型、指挥型用户机进行软件化模拟的实现方法进行设计。

1.2 通信系统特点

北斗系统通信[5]信道容量小，信道传输速率有限，用户容量有限，因而北斗短语能力具备如下特点。

(1)通信频度：北斗短语通信能力与传统IP网络传输方式不同。根据北斗用户等级、终端类型等信息限定通信频度，在一定时间内，只能传输一次数据。

(2)长度限制：北斗短语通信的数据长度根据用户卡的等级所有差别，一般一次最大可传输36个汉字或72字节的字符，部分授权用户一次最大可传输120个汉字，或240个字节的字符。

(3)信息监收：普通型和指挥型用户机之间存在上下级隶属关系，指挥型用户机可同时收到所属普通型用户机收到的通信信息、有源定位信息等信息。

2 北斗网通信模拟器设计

2.1 系统架构

北斗用户机终端利用串口、CAN口等方式与计算机连接，各应用系统软件通过串口、CAN口通信与北斗用户终端数据交互(图1)。

图1 北斗系统应用结构

北斗网通信模拟器是对北斗系统进行软件化的模拟，能够实现应用系统接北斗设备与接北斗网通信模拟器的功能效果一致。模拟系统主要由模拟北斗中心站(以下简称“模拟中心站”)和模拟北斗用户机(一下简称“模拟用户机”)2部分，模拟中心站主要对北斗系统中北斗卫星的功能进行模拟，主要功能是对各北斗用户机进行通信、定位、隶属关系等方面进行管理，模拟用户机主要是功能是与各应用系统软件进行信息交互(图2)。

图2 北斗网通信模拟器系统架构

模拟中心站与各模拟用户机之间采用以太网进行互联，既可以与模拟用户机部署于同一台计算机，也可分开各自独立部署。

北斗用户机和应用系统间可使用串口、CAN口等方式进行通信，但CAN不具备普适性，串口本身相对灵活，存在虚拟串口工具对串口进行模拟仿真。虚拟串口[6]并不是物理上存在的，而是使用虚拟手段模拟出来的，具备物理串口全部的逻辑特征，对应用程序来说两者功能一样，但虚拟串口有一个特点，即不受物理串口限制，可在同一台计算机上虚拟出若干个串口。因而，在本设计中，模拟用户机和应用系统间采用串口方式进行信息交互。同样，模拟用户机与应用系统间的部署，既可分别部署于独立的计算机，也可部署于同一台计算机。

2.2 软件设计

北斗网通信模拟器系统软件主要由模拟中心站软件和模拟用户机软件两部分组成，两者通过以太网互联，制定专用通信协议，实现模拟北斗卫星与北斗用户机之间的信息交互。

模拟中心站软件主要功能有以下2个方面(图3)。

(1)用户机管理：有对网内模拟用户机进行统一管理、参数配置等能力，可以对模拟用户机间的指挥关系进行统一管理控制。

(2)北斗信息交互：能够对模拟用户机间的短语通信、定位申请等进行管理调度，并通过指挥关系确定监收信息调度。

图3 模拟中心站软件架构

模拟用户机软件主要功能有以下3方面(图4)。

图4 模拟用户机软件架构

(1)设备信息模拟。模拟用户机利用本地指令，对设备信息进行配置；

(2)通信信息处理。接收应用系统通过串口发送的通信信息请求，根据信息类型进行相应处理：部分信息本地处理，部分信息提交至模拟中心站进行统一处理；并对通信请求进行频度限制，在通信频度范围内的再次通信申请指令，做丢弃处理。

(3)定位授时信息模拟。对北斗定位授时信息进行本地模拟仿真，根据需要提交至模拟中心站进行统一处理。

2.3 信息交互流程

根据北斗系统的通信特点，对模拟系统的主要信息交互流程进行了设计(图5)。

图5 信息交互流程

模拟系统运行主要流程如下。

(1)系统启动：模拟用户机软件，接入模拟中心站，注册用户机模拟器相关的身份信息，若模拟中心站软件未运行，则模拟用户机软件只能提供有限功能，相关通信能力无法支撑。

(2)应用系统发出指令：模拟用户机对指令进行解析和分流，主要包括本地处理和模拟心站软件处理的指令。

(3)本地处理：本地处理的指令包含北斗用户机卡信息、设备状态、无源定位等信息，当需处理上述信息时，本地根据北斗指令类型生成应答信息，发送至应用系统。

(4)指令上报：需要上报至模拟中心站的指令包含通信申请、有源定位申请等指令，模拟用户机将相应指令打包封装，发送给模拟中心站；同时对上报指令频度进行管理，对上报数据进行频度倒计时处理，倒计时内再次出现需上报数据，做丢弃处理。

(5)中心站处理：模拟中心站收到信息后，对指令进行解析，并将相应的信息中转调度给其他模拟用户机，同时，根据指令类型，从用户指挥关系中获取监收单位，并将信息发送至相应用户机软件。

(6)提交应用系统：用户机软件收到中心站软件发送的指令信息后，进行处理，并发送给应用系统。

2.4 交互协议设计

为了保障模拟中心站软件和模拟用户机软件之间通信可靠，对两者间的交互信息进行协议设计。由于北斗本身有通信格式标准，本设计主要是对模拟器之间的信息交互内容进行设计以及对北斗原有协议的封装。互联采用TCP方式，以模拟中心站为中心，模拟用户机为客户端，进行互联(图6—7)。

图6 协议交互流程

图7 通信协议格式

信息类型字段说明：

(1)状态信息(信息类型码0)：包含模拟用户机需要上报的各类设备信息，如当前模拟用户机运行的设备IP地址、模拟用户机定位状态等。

(2)控制信息(信息类型码1)：包含模拟中心站对模拟用户机之间的控制信息，如更改用户机卡号、设置用户机定位轨迹等。

(3)通信申请(信息类型码2)：对北斗系统的通信申请类、有源定位类信息进行封装。

(4)通信信息(信息类型码3)：对北斗系统的通信信息、定位信息进行封装。

(5)监收信息(信息类型码4)：对北斗系统的监收信息进行封装。

长度字段说明：长度是描述信息内容的长度，不包含信息类型；

信息内容说明：① 信息类型0:子类型(1字节)+信息内容；② 信息类型1:子类型(1字节)+信息内容；③ 信息类型2、3、4：原始北斗交互协议数据。

3 设计实例

本文采用QT4.8.5开发环境，选择Win7操作系统，对系统进行模拟(图8—9)。

系统启动后，通过模拟用户机软件进行北斗卡号设置，能够将相应信息上传至模拟中心站软件，并可在模拟中心站软件对模拟用户机软件进行统一控制。同时，为验证北斗网模拟器系统通信功能正确性，选取两套基于VxWorks的车载指控软件进行互通功能验证，分别对涉及到的北斗通信相关的汉字通信、代码通信、定位申请等进行互通性试验。经过验证，模拟系统能够代替北斗设备，完成车载指控软件中的汉字通信、代码通信、定位申请、信息监收信息收发，结果正确可靠。

图8 模拟用户机软件界面

图9 模拟中心站软件界面

4 结 语

目前未有能够对北斗通信进行模拟的模拟器。针对此问题，提出了一种可行的北斗网通信模拟器的设计方法，并予以实现。模拟器可替代北斗设备在指挥控制系统的研制、联试联调以及部队训练等各项活动所发挥的功能和作用。同时，经过验证表明，北斗网模拟器设计方法可行，具备对北斗通信、定位、监收等能力的模拟仿真，具有一定的实用价值和推广意义。