一种基于微波网与北斗通信的数据传输方法∗

（91404部队 秦皇岛 066001）

1 引言

一般海上试验所需兵力主要由岸基指挥所、海上指挥所，以及若干海空目标平台组成，各平台之间的根据试验目的不同，海上试验所需的数据实时传输需求也不同，如有的只需要视距传输，有的需要超视距传输，或者两者兼有。根据海上试验的方法和目的不同，所需的实时传输的试验数据也不同，如传输的方向需求分为：目标平台→海上指挥船、目标平台→岸基指挥所、海上指挥船→岸基指挥所以及指挥所（包括岸基和海上）向目标船下达指令等。

随着武器装备信息化水平提高，装备试验鉴定难度逐渐加大，传统试验方法已不能满足考核需求，需不断地补充、完善和改进。海上试验对数据的实时性、稳定性和准确性要求愈来愈高，而且对装备通信距离边界考核也逐步提高，没有明显的视距或超视距需求之分，这就要求鉴定试验方法能够同时满足视距及超视距的数据传输需求。

2 传统的数据传输方式及弊端分析

目前在试验场条件下，数据传输方式主要有无线、有线和网络等三种方式，其中无线方式又分为电台方式和卫通方式。以上每种方法都有各自的优势以及局限性，现将其工作组成框图及优缺点作比较分析。

2.1 传统的数据传输方式

有线方法是通过有线电缆将各活动平台之间互相连接，实现数据的实时打包传送，其组成框图如图1（a）所示，各平台上的定位接收机对本平台数据进行解算、处理和保存，通过电缆将各平台间试验数据的相互传输［1］。图1（b）给出了超短波电台传输数据的原理框图。首先在各活动平台配备超短波电台，将实时处理设备将打包好的定位数据通过串口传送到超短波电台，利用短波电台对数据实时传送，完成各平台间的数据发送。同时电台可接收来自其它活动目标的位置信息，回传给处理设备进行解算［2］。利用同步地球卫星实现数据实时通信原理图图1（c）所示，GPS定位数据传送给卫星转发器，卫星转发器对数据打包处理发送给同步地球卫星，同步卫星接收到各活动平台位置数据后，通过判断各用户请求，分别将数据分发给其他用户，卫星定位接收机来实时接收解算出其他平台的时间、经度、纬度、高程等信息，实现数据信息的传输［3～4］。利用微波局域网通信方式实现数据传输的原理框图如图1（d）所示，首先在各活动平台上增加一套小型服务器，实时处理设备将本平台的位置数据打包并通过网线发送到小型服务器上，然后以微波形式发送出去，地面大型服务器接收到各平台的数据信息后，经过分析处理，加标识并打包以广播的形式发给各活动平台，各活动平台从广播数据中选取有用信息，进行坐标转换等相应处理，计算出其他目标的方位、距离、俯仰等信息［5～6］。

2.2 传统数传通信方式优缺点分析

通过有线电缆实现数据传输的优点是数据传输准确，误码率低，且简单易操作。但其主要缺点是传输距离近，一般只有几十米，而试验场各活动平台间距离为几十公里，甚至上百公里，且直接利用电缆将各设备连接不适合海上布设，基本上不能满足试验要求。利用超短波电台实现数据传输，在一定程度上内解决了有线传输距离近的问题，但是由于试验时电磁环境复杂，同频干扰严重，致使数据传输误码率增高，数据质量下降，且通信距离仅为视距，亦很难满足试验要求。利用卫通方式实现数据传输，电磁干扰相对减小，通信距离更远，但是卫星通信所需费用昂贵，致使试验成本明显增加，且通信终端安装架设有限，申请程序繁琐，不利于试验的顺利开展。利用微波局域网通信方式实现数据传输是一种有线和无线相结合的方式，实时处理设备到小型服务器是网线连接，小型服务器与地面大型服务器之间采用微波通信，功率大，不易被干扰，且大小型服务器组成了试验场移动式局域网，目前该网络试验场基本建成，主要局限是通信距离仍维持在视距。通过上述比较分析，传统数传通信方式都有各自的局限性，均不能满足海上移动平台间数据传输的要求，如何构建一个抗干扰、传输准确、距离远的数据传输网络是一个急需的问题。

3 微波及北斗通信无缝链接的海上数据传输设计

由于自身的局限性，传统的数据传输方法无法满足试验场对数据传输的需求，需要提出一种新型的海上数据传输方法来满足试验需求。通过对传统数据传输方式优缺点分析中发现微波局域网通信在视距内传输明显优于有线和超短波方式，且抗干扰能力强。要实现超视距数据传输目前必须利用卫星通信的方式，卫通的局限性较大，且费用较高，不利于试验的开展。随着北斗通信系统的快速发展，具备各种通信功能，故北斗通信系统是目前实现超视距数据传输最佳选择，整个系统既经济又便于安装架设。

3.1 北斗通信系统数据传输分析

北斗卫星定位系统是中国自主研制的卫星定位系统，其与美国GPS系统相比最大的优势是具有通信功能。通过比较分析可得，北斗系统通信具有以下特点：1）响应速度快；2）抗干扰能力强，卫星传输采用S/I波段，雨衰的影响小；3）采用CDMA扩频技术，减少了码间干扰；4）无链接通道，数据传输的确认功能必须由应用层解决，地址码的识别增加了通信的安全性；5）终端设备安装架设方便，传输距离远，不受视距限制。上述特点均与试验场远距离数据传输需求相一致［7～8］。

北斗卫星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，经核准的用户可利用连续传送方式，最多可传送120个汉字。每个用户终端都有专用识别码，用户终端随机响应某一时刻经过卫星转发的询问信号，响应信号和询问信号的帧结构中都有通信信息段。用户终端需与其他终端通信时，将对方地址码和通信电文随响应信号经过卫星发送到地面控制中心，地面控制中心收到该响应信号，译出目的终端地址和通信电文，将通信电文加载到目的用户终端能够识别的通信码信息中，随询问信号一同发射出去。这样对应的用户终端便可得到通信信息，而非对应地址码的终端解不出通信段内容，估计整个通信过程只需1s左右即可完成。

从试验场所需传输数据角度考虑，海上位置数据最大值为77字节，主要包括时间12字节、经度12字节、纬度12字节、高度5字节、速度15字节、航向6字节和指挥指令15字节等。若考虑特殊字节（如数据包的头、尾和空字节），最大值为100字节。北斗传输能力为120个汉字，相当于240字节，完全满足试验场数据传输最大需求。对于一般试验，只需要传输时间、经度、纬度、高度、速度参数，约56字节，北斗一般用户可传输36个汉字，相当于72字节，满足试验场一般用户数据传输需求。

3.2 系统硬件设计

系统硬件设计包括岸基指挥所指挥型北斗机和海上移动平台通信型北斗机，利用试验场已建成的微波局域网，增加HUB和网线等配套硬件。其硬件设计结构图如图2所示。岸基指挥所硬件结构主要包括卫星接收机、工控计算机、BD指挥机、卫星天线和微波网服务器等组成；海上移动平台硬件结构主要包括信息交换单元、卫星接收机、BD用户机、卫星天线和微波网服务器等组成。

岸基指挥所硬件实现主要由工控计算机将各硬件串联而成。考虑到北斗指挥机、卫星接收机、微波网服务器都需要与计算机串口进行数据传输，对串口硬件需求量较大，一般计算机很难满足硬件要求，如果在一般计算机上安装串口卡实现多串口功能，会出现串口功能不稳定及数据传输效率下降等问题；而工控机经过严格指标测试，性能较为稳定，所以在硬件设计里采用5串口工控机为主要硬件［9～10］。

海上活动站硬件选择原理上与岸基指挥所一致，但考虑到海上目标供电、空间等特殊要求，采用锂电池，及体积更小的信息交换单元设计。

图2 系统硬件设计

从图上可以看出，岸基指挥所采用分体式指挥型北斗机和岸基微波无线网络设备结合的方式，无缝链接采用工控计算机控制实现；海上移动采用一体式北斗机和微波局域网小型服务器设备结合方式，通过信息交换单元控制来实现无缝链接。为了便于在海上移动平台上安装架设，采用锂电池供电设计，电池容量可保障24h连续工作。图2（b）中信息交换单元内部采用PC104单片机为核心器件，YMA18T7Z1P4航空器件为接口，分支串口采用计算机通用的9针串口。信息交换单元连接北斗及微波局域网的串口设计，结构和串口发布如图3和表1所示。

表1 北斗及微波局域网的串口定义

图3 北斗与微波局域网串口连接

3.3 系统软件实现

通过上述分析可以理解为试验场视距内定位数据传输主要采用微波局域网形式，视距外定位数据传输采用北斗通信形式。将上述数据传输方法研制产品样机并非容易，主要需要考虑以下方面。首先，要保证各平台间试验数据传输具有连续性，这就要求微波局域网与北斗通信系统之间做无缝链接处理，要很好实现数据融合，需通过相应的硬件软件设计来实现；其次，微波局域网在视距极限值附近传输并不稳定，会出现断续，甚至丢包现象，这就需要北斗通信数据加以补充完善；最后硬件设计完成后，无缝链接主要依靠软件实现，故软件是本系统功能实现的关键所在［11］。软件安装在工控机或信息交换单元内，设计原理图如图4所示。

海上活动目标定位数据通过信息交换单元、北斗及微波局域网同时发送给指挥所工控机，工控机通过软件编程判断数据质量的好坏，若北斗传输数据质量优于微波局域网数据质量，则将北斗指挥机接收数据发送至指挥大屏或为其他站位提供引导；反之亦然［12］。工控机选择好的信道将控制指令发送给相应的海上活动站位，通过信息交换单元判断指令的完整性，择优显示。位置数据质量的优劣判断依据有两个：一是数据包头尾是否完整，二是依据三点建航原则，连续三个数据包丢失则认为数据质量较差。当然可以根据实际情况调整数据包个数，指令完整性判断亦然。这里说明一点，信息交换单元与工控计算机实现功能相似，可根据实际情况做互换调整并调整相应的软件配置。

图4 定位数据传输软件流程图

4 外场实测数据与分析

依据本设计方案，研制了XXX型海上定位数据传输系统，并应用于试验中，取得较好结果。试验方案是海上移动平台从距离岸基指挥所13km处向外拉距航行至37km，由于海上风浪影响航路图并非直线，岸基指挥所北斗和微波天线架高为约25.5m，海上平台北斗和微波天线架高约为13m，则通过菲涅尔经典公式：

计算视距理论值为31km。其中d为距离，单位公里，h1和h2分别为通信两端天线架高，单位为米。图5为试验中单独用微波网回传的移动目标的位置数据，图6为北斗与微波网无缝链接后回传的移动目标的位置数据。

图5 微波网回传的位置数据

对比实测数据来看，由于电磁及气象环境影响在海上目标航行距离>26km后，微波局域网接收定位数据时断时续，其中在约31km～32km（见图5的A标识处）和约34km～35km（见图5的B标识处）处数据丢失严重。采用北斗与微波局域网无缝链接方式接收数据相对连续且稳定，未出现数据的丢失情况，如图6所示，试验结果表明该方法有效提高了试验数据回传的稳定性和可靠性，具有较高应用价值。另外试验中发现，单独利用北斗通信系统传输数据偶尔也会出现丢点现象，但并不严重，主要由于试验时北斗系统传输数据率低于微波局域网，可能导致一些偶尔的数据丢失。

图6 北斗与微波网无缝链接回传的位置数据

5 结语

在对传统数据传输方式进行比较分析基础上，给出各通信方式的优点和局限性，单一数传方法已不能满足海上移动平台间数据传输的要求。文中提出了一种基于微波网与北斗通信无缝链接的海上位置数据传输方法，构建了一个传输距离远、稳定性高和可靠性号数传网络，给出了整个系统的硬件设计和软件设计，研制出海上数据传输系统，并首次应用于外场试验中，结果表明该系统方案设计合理可行，数据回传稳定和可靠性高，具有广泛应用价值。