北斗预警信息压缩传输系统的设计与实现

冯姣 陈苏婷 李鹏

摘  要： 北斗卫星单次短报文通信数据量及服务频率限制了长预警信息数据的传输。针对该问题，通过研究预警信息数据协议，设计预警信息压缩传输系统。为了提高预警信息传输效率，设计一种基于固定位长和RLE算法的混合压缩编码;为了提高预警信息传输成功率，设计基于预警信息压缩包的传输协议。此外，利用图形界面语言Qt完成人机交互界面并实现了预警信息压缩包的解码。最后，设计基于误报避免机制的预警信息显示，并给出算法的流程。实验结果表明，所设计的预警信息压缩传输系统能够有效地提高长预警信息数据传输效率和传输成功率，而且可在相关基于北斗卫星的预警信息发布系统中作为参考。

关键词： 北斗卫星; 预警信息; 压缩传输系统; 压缩編码; 传输协议; 误报避免机制

中图分类号： TN911.2?34                      文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2019）10?0118?06

Design and implementation of an early?warning information compressed

transmission system for Beidou satellite

FENG Jiao1， CHEN Suting1，2，3， LI Peng1，2

（1. School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;

2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of Information

Science & Technology， Nanjing 210044， China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，

Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： Since the communication data quantity of the single?time short message and service frequency of the Beidou satellite limit the transmission of the long early?warning information data， an early?warning information compressed transmission system is designed by studying the early?warning information data protocol. A hybrid compressed encoding based on fixed bit length and RLE algorithm is designed to improve the transmission efficiency of early?warning information. The transmission protocol based on the compressed packet of early?warning information is designed to improve the transmission success rate of early?warning information. The human?computer interactive interface is completed and the decoding of the early?warning information compressed packet is realized by means of the Qt graphical interface language. The early?warning information display based on the false alarm avoidance mechanism is designed， and the flow chart of the algorithm is given. The experimental results show that the designed early?warning information compressed transmission system can significantly improve the transmission efficiency and success rate of long early?warning information data， which can be used as a reference in relevant early?warning information release systems of the Beidou satellite.

Keywords： Beidou satellite; early?warning information; compressed transmission system; compressed encoding; transmission protocol; false alarm avoidance mechanism

0  引  言

及时发布预警信息可以有效减小可能受灾害地区的人员伤亡和财产损失。基于北斗卫星的短报文通信系统可以有效提高预警信息发布的覆盖范围和时效性，是对传统预警信息发布渠道的重要补充[1?2]。

北斗卫星数据通信基于短报文传输机制，但预警信息的數据量远大于短报文单次通信数据量。由于预警信息数据长度超出北斗卫星的短报文通信系统的单次最大通信量，需要将预警信息数据拆成多个包进行传输。预警信息数据越长，分包数越多[3]，成功接收一条完整预警信息的概率越小。例如：CDT?441型北斗用户机民用级别单次最大通信量为78.5 B，要将数据协议长度为340 B左右的预警信息发送至相关部门，需将数据分5个包进行发送。而短报文通信服务频度为1 min，所以一条预警信息最小发送周期为5 min;同时，北斗短报文通信存在丢包率[P]，当一个数据包发生丢失时[4]，可能会造成整条预警信息的信息丢失，则一条被拆分成[n]个包的预警信息成功发送的概率[S=（1-P）n]。由此可知，随着预警信息数据量增加，拆分的包变多，则成功接收一条完整的预警信息的概率呈递减趋势。

目前，北斗卫星在预警信息发布领域提出了联合补包传输协议[5]和指挥机多通播ID并发[6]的方法减少预警信息的发布时间和发布次数，但仍未解决预警信息数据量大，传输成本高的问题。本文在深入研究了预警信息数据协议后，设计了预警信息压缩传输系统。为了提高预警信息传输效率，本文提出一种基于固定位长和RLE （Run?Length Encoding）算法[7]的混合压缩编码算法。此外，为了提高了预警信息的传输成功率，本文设计了基于预警信息压缩包的传输协议，并利用图形界面语言Qt完成了人机交互界面，实现了预警信息压缩包的解码。最后，本文设计基于误报避免机制的预警信息显示，并给出了算法的流程。

1  系统方案

在预警信息发布体系中，预警信息必须由地面控制中心（政府或其授权的有关部门或单位）发布，利用北斗指挥机通播功能可以保证及时发布预警信息。在这种模式下，系统由发布主站、地面控制中心和客户端组成，系统结构如图1所示。发布主站包括发布服务器，数据压缩编码模块和北斗用户机;地面控制中心由北斗指挥机和指挥中心服务器组成;客户端包括所在预警区域的多台预警终端。

当灾害可能发生时，发布服务器提供相应预警信息，预警信息经过压缩编码后，通过发布主站的北斗用户机，将压缩数据发送到北斗卫星;卫星将压缩数据转送到地面控制中心，控制中心经过解析后，获得完整的预警信息;控制中心利用北斗指挥机将预警信息压缩包再次发送至北斗卫星;最终，预警终端接收相应的压缩数据，解析数据后，获得完整预警信息，并做出相应防范措施。

图1  预警信息发布系统结构图

2 预警信息压缩编码设计

为了减少预警信息的数据量和传输成本，本文提出一种基于固定位长编码和RLE编码的混合压缩编码方式。混合压缩编码针对大量重复出现的字符，有极强的适应性。在使用RLE编码时，兼顾考虑了固定位长编码的使用条件，保证了两种无损压缩算法的兼容性。

2.1  预警信息数据协议

预警信息发布采用中文文本方式，每条预警信息由4部分组成：起始行、报头行、正文行、结束行，4部分内容以换行符为间隔。其中，报头行具体分为以下5段：发布部门及发布单位、发布时间、警报类型、影响范围、影响中心及半径，使用ASCII码进行编码，5段内容以换行符间隔[8]。

预警信息数据协议如表1所示。

2.2  混合压缩编码

对GB2312编码的无规则汉字进行压缩难度较大，压缩率较低。针对该问题，本文针对预警信息的报头行提出一种基于固定位长编码和RLE编码的混合压缩编码方式。该混合算法对预警信息出现的高冗余字符或字符串有较高的压缩效率，且均为无损压缩，保证了压缩后预警信息的信息量不会减少。混合算法数据见图2。

图2  算法数据处理流程

具体实现步骤如下：

1） 对识别后的数据预处理。整理预警信息的标志位等辅助信息并调整数据格式。

2） 运用RLE编码压缩报头行内的重复字符串。结合固定位长算法的特点，预设字符选择为0x3A，0x3B，0x3C，0x3D，0x3E，0x3F，以保证预设字符满足两种算法的兼容性。

3） 对新的报头行采用固定位长算法进行编码。数字的ASCII码值范围为0x30～0x39，与预设字符的高位相同，可进一步提高数据压缩率。

4） 对数据进行整理，并添加相应的标记位。保证预警信息压缩包在进行数据解码时，系统能够识别报头行内各信息要素。

3  基于预警信息压缩包的传输协议设计

为提高预警信息的卫星传输成功率，本文设计了基于预警信息压缩包的预警信息传输协议，如图3所示。

图3描述了预警信息的编码过程，协议底层是由服务器发布原始预警信息，[K]表示相应的区域码取值。经过数据压缩后，得到预警信息压缩包;然后，把预警信息压缩包当作电文内容进行封装，上层协议完全按照短报文通信格式组织数据，接收地址（ID号）为灾害发生区域对应北斗联络设备的ID号。

发送一条被拆分为[N]个包的预警信息，北斗短报文通信理论丢包率为[P]。本协议与联合补包传输协议性能对比如表2所示。从表中可以看出，在发送周期相同的情况下，在本文传输协议体系下的系统结构简单，成本低，预警信息发送理论成功率更高。

图3  预警信息卫星传输协议

4  预警信息发布与播报

4.1 预警信息发布平台

地面控制中心为工作人员提供预警信息编辑、校对、发布的工作界面[9]。为减小预警信息播报平台搭建的工作量，本文使用可跨平台GUI系统Qt作为开发工具，选择SQlite3作为数据库[10?12]，数据库内保存了预警信息的政府机构、部门、行业代码[13]，以及《中华人民共和国行政区划代码》[14]等。预警信息发布界面如图4所示。

图4  预警信息发布界面

图5展示了地面控制中心框架图。预警信息发布的具体实现流程如下：

1） 接收来自北斗模块压缩数据包。通过北斗指挥机接收来自地面控制中心的北斗短报文，其中包含预警信息压缩数据包。

2） 压缩数据包预处理。根据短报文通信回执协议，按位提取相应压缩数据，并利用QString类函数QString.split（const QString  &str）对预警信息标记位进行预处理。

3） 预警信息报头行数据解析。使用QString类函数QString.replace（const QString  &str，const QString

&str）按照RLE编码表进行反演，得到完整的报头行数据。

4） 编辑和校对预警信息正文行。通过查询法根据数据库内预警信息的政府机构、部门、行业代码， 以及《中华人民共和国行政区划代码》得到相应的发布部门、发布单位及影响范围;接着，按照预警信息正文行的格式顺序，进行编辑、校对;最终，显示并存储预警信息压缩包的解码结果。

5） 发布预警信息。利用北斗指挥机通播功能将预警信息压缩包发送至灾害区域的北斗用户机群。

图5  地面控制中心架构图

4.2 基于误报避免机制的预警信息播报

北斗信道存在不穩定性，可能会出现误报、错报等情况。因此，本文采用了一套误报避免机制实现预警信息播报[15]。误报避免机制流程图如图6所示。当播报系统接收到预警报文时，会将预警信息的报头行的发送时间、影响范围分别与当时时刻和所在地行政区代码进行对比，确保预警信息的准确性。当确定数据接收正确后，对预警信息进行解码，解码过程与地面控制中心一致;然后，将解码后的内容与列表中的报文进行对比，如果发现收到报文内容为陈旧信息，则丢弃。当出现预警解除时，预警界面会进行超时清理，避免预警信息影响人们的正常生活和出行。

5  系统测试与验证

本文开发的原型系统主要完成预警信息的压缩编码、数据传输和播报等功能。数据压缩编码实现采用MSP430作为主控芯片，配合双通信串口，分别与发布服务器和北斗用户机相连。在测试过程中将预警信息区域码[K]分别设置为1，5，9，分别统计原始预警信息的数据量、压缩编码后的数据量、发送短报文条数、压缩率及成功率。压缩传输性能如表3所示。

图6  误报避免机制流程图

由统计分析结果可知，预警信息的平均压缩率最小为87.5%，且随着区域码[K]的增加，压缩率也在递增;当区域码[K]最大时，原本需要拆分为多条短报文的预警信息被压缩为75.5 B，该数据量小于北斗卫星的短报文通信系统的单次最大通信量。因此，只需要发送一个短报文就能完整传输一条长预警信息，从而提高了发送效率和传输成功率。

6  结  论

本文在分析预警信息数据结构和传输协议的基础上，提出一种预警信息压缩编码的设计方法。研究表明：

1） 通过研究预警信息主要信息元素，对报头行的压缩，实现了预警信息的高效压缩，解决了预警信息单次短报文通信数据受限制的问题，提高了预警信息，特别是长预警信息的传输效率;

2） 在完成预警信息压缩编码的基础上，利用预警信息压缩包的传输协议进行数据通信，减小了系统构建的成本与复杂程度，提高了卫星通信传输的成功率;

3） 基于误报避免机制完成了预警信息播报，保证了预警信息的及时性、准确性，为公众提供了良好的预警服务。

参考文献

[1] 裴顺强，孙健，繆旭明，等.国家突发事件预警信息发布系统设计[J].中国应急管理，2012（8）：32?35.

PEI Shunqiang， SUN Jian， MIAO Xuming， et al. Design of national emergency warning information release system [J]. China emergency management， 2012（8）： 32?35.

[2] 罗慧，李良序，胡胜，等.公路交通事故与气象条件关系及其气象预警模型[J].应用气象学报，2007，18（3）：350?357.

LUO Hui， LI Liangxu， HU Sheng， et al. The relationship between road traffic crashes and meteorological condition with construction of its road weather warning model [J]. Journal of applied meteorological science， 2007， 18（3）： 350?357.

[3] 张勇，陈苏婷，张燕.基于北斗卫星的自动气象站数据传输管理系统[J].电子技术应用，2014，40（5）：21?23.

ZHANG Yong， CHEN Suting， ZHANG Yan. The data transmission and management system of automatic meteorological station based on Beidou satellite [J]. Application of electronic technique， 2014， 40（5）： 21?23.

[4] 邓玉芬，张博，沈明，等.基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统[J].海洋测绘，2009，29（4）：67?69.

DENG Yufen， ZHANG Bo， SHEN Ming， et al. Transfer system of the survey data based on the Beidou satellite navigation system [J]. Hydrographic surveying and charting， 2009， 29（4）： 67?69.

[5] 王春芳，陈永涛，李春来，等.基于北斗卫星的预警信息发布技术研究及实现[J].应用气象学报，2014，25（3）：375?384.

WANG Chunfang， CHEN Yongtao， LI Chunlai， et al. Technology and implementation of warning information distribution based on Beidou satellite [J]. Journal of applied meteorological science， 2014， 25（3）： 375?384.

[6] 谷军霞，王春芳，林润生，等.基于北斗卫星预警信息发布的通信参数设计[J].应用氣象学报，2014，25（6）：761?768.

GU Junxia， WANG Chunfang， LIN Runsheng， et al. Design of communication parameters for Beidou satellite?based early warning information distribution method [J]. Journal of applied meteorological science， 2014， 25（6）： 761?768.

[7] 周桂宇，马宪民，李卫斌.改进的混合压缩算法在GPS数据压缩中的应用[J].计算机应用与软件，2013，30（12）：167?169.

ZHOU Guiyu， MA Xianmin， LI Weibin. Application of improved hybrid compression algorithm in GPS data compression [J]. Computer applications and software， 2013， 30（12）： 167?169.

[8] 王春芳，李春来，陈永涛，等.卫星通信预警信息发布编码研究[J].电信科学，2009，25（12）：36?40.

WANG Chunfang， LI Chunlai， CHEN Yongtao， et al. Information encoding for satellite based alert distribution [J]. Telecommunications science， 2009， 25（12）： 36?40.

[9] 王润民，赵祥模，惠飞，等.基于嵌入式Linux与QT的汽车虚拟仪表设计[J].现代电子技术，2012，35（6）：1?4.

WANG Runmin， ZHAO Xiangmo， HUI Fei， et al. Design of automotive vitual instrument based on embedded Linux and QT [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（6）： 1?4.

[10] 刘治国，陈新华.基于Linux和Qt的智能家居系统的设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（4）：23?26.

LIU Zhiguo， CHEN Xinhua. Design and implementation of smart home system based on Linux and Qt [J]. Application of electronic technique， 2012， 38（4）： 23?26.

[11] 邱铁，周玉，张民垒.Linux环境下Qt4图形界面与MySQL编程[M].北京：机械工业出版社，2012.

QIU Tie， ZHOU Yu， ZHANG Minlei. Linux?based Qt4 GUI and MySQL programming [M]. Beijing： China Machine Press， 2012.

[12] 张颖，易金花，张晓玉，等.基于嵌入式Linux的上肢康复机器人用户系统研究[J].电子技术应用，2014，40（5）：14?17.

ZHANG Ying， YI Jinhua， ZHANG Xiaoyu， et al. A research of upper limb rehabilitation robot user system based on embedded Linux [J]. Application of electronic technique， 2014， 40（5）： 14?17.

[13] 中国标准化研究院.中央党政机关、人民团体及其他机构代码：GB/T 4657—2009 [S].北京：中国标准出版社，2009.

China National Institute of Standardization. Codes of Central party and state organs， people′s communities and the other state organizations： GB/T 4657—2009 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2009.

[14] 全国信息分类编码标准化技术委员会.中华人民共和国行政区划代码：GB/T 2260—2007 [S].北京：中國标准出版社，2007.

SAC/TC 353. Codes for the administrative divisions of the People′s Republic of China： GB/T 2260—2007 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2007.

[15] 柴艳峰，熊运余，吴志红.基于i.MX53嵌入式公交电子站牌设计[J].计算机工程与设计，2014，35（1）：102?106.

CHAI Yanfeng， XIONG Yunyu， WU Zhihong. Design of embedded electronic bus?stop board based on i.MX53 [J]. Computer engineering and design， 2014， 35（1）： 102?106.