基于北斗卫星技术的通信导航服务系统设计与实现

张聪 张伟 钟洋 李琦 张永清

（中电科蓉威电子技术有限公司 四川省成都市 610031）

我国幅员辽阔，在发生如地震、塌方等自然灾害的特殊情况下，地面公共通信网络可能瘫痪无法正常使用；同时在一些通信盲区如深山、地下及部分偏远地区，地面网络可能失灵。此时，需要借助卫星移动通信构建紧急通信链路。近年来，我国的卫星移动通信都依赖国外的卫星系统，无法保障信息安全，也很难满足我国大陆地区卫星信号的实际需求，存在诸如对星难、资费高、使用效率低下等问题，这对于我国向各行业推广卫星移动通信是一个艰巨的挑战。随着我国自主研发的北斗卫星的发射，它们为我国脱离对国外卫星移动通信系统的依赖提供了有力支撑，同时系统提供了民用支持，为提高各行业实际落地应用提供了可能性。

现有的传统卫星通信服务系统一般仅提供用户接入通路服务，难以形成行业针对性应用。此问题在窄带卫星通信领域凸显更加明显，应用形式单一、可用性不高。需在设备前端通过异步收发机制，集成多种通信链路，采集定位、文字等业务数据，并根据数据量、优先级、用户自定义规则等方式进行通信链路自适应选择和融合，保证通信链路使用的充分性、高效性和实用性。

本文提出了一种基于北斗卫星的巡护通信导航系统，其核心是一款便携式通信导航中继设备，该设备融合了北斗卫星导航和短报文通信技术，通过Wi-Fi 热点与用户端智能手机连接，并在用户安装手机配套APP。以此方式，用户便可使用北斗导航定位、北斗短报文通信等功能服务。该设备不受地域限制，在森林、边境、沙漠、海洋等移动信号盲区实现实时通信和定位，可广泛应用于林草防护、边防巡逻、地质勘探、户外旅游等多领域，具有极强的便携性和易用性。

1 系统原理设计

本系统提供以下几个方面的能力来解决无移动运营商信号时用户无法与指挥中心进行交互及上报自身位置的问题。全域导航定位能力：系统利用北斗三号卫星导航定位的手段对搭载本产品的人员位置进行定位，实现对全球范围内的人员目标位置探测、感知；全域通信能力：系统利用北斗短报文通信技术，实现用户间无公网覆盖范围内的数据交互，交互包括数据和文字消息；系统可将各类如位置信息、传感信息、告警信息等传送至其他同类产品或指挥中心。热点连接能力：设备利用Wi-Fi 发布热点，用户普通智能手机使用配套APP 并连接热点即可享受导航和通信服务，提高用户使用便捷型，节约成本，提升产品使用方式灵活性。指挥平台对接能力：提供自动或手动的方式向指挥中心平台发送人员位置、消息，指挥平台可实时掌握其轨迹并下发指令。

系统在组成上采用分离式设计，将核心处理单元（便携式卫星通导热点）、显控单元（三防显控终端）和后台指挥单元（地面指挥平台）分离，各自发挥作用，如图1所示。

图1：系统原理框图

便携式卫星通导热点实现北斗卫星导航、Wi-Fi 通信热点的主体功能。将此单元与显控单元分离进行独立设计主要从使用便捷性考虑，可将该终端以更灵活、方便的方式佩戴于人员身上，形成仅提供处理功能的核心单元，将处理后的数据转发至智能手机终端和指挥平台系统做进一步业务级处理。外出工作人员可以单独使用此单元，后台指挥系统即可对人员的管控和告警，简单快捷。

三防显控终端是配备了APP 的智能手机，可以通过Wi-Fi 热点的方式连接至卫星通导一体终端，从而完成各类卫星导航、通信数据的收发，并提供各类如北斗短报文、卫星实时定位、卫星通话、SOS 告警报平安、轨迹上报等功能。

同时，终端的位置和消息结构化信息可通过北斗短报文传输至地面指挥平台进行进一步分析处理。可建立数据处理服务器实现对人员行为分析、态势统计、电子围栏、警示告警等方面的能力。

2 系统核心硬件设计

系统中核心设备便携式卫星通导热点设备采用便携式设计，集成北斗RDSS 短报文、北斗RNSS 定位功能，显控终端与通过Wi-Fi 建立连接并完成终端的操控显示，如图2所示。主机由北斗RD 模块、北斗RN 模块、主处理模块、Wi-Fi 通信模块及配套的天线及用于人机交互的按键和指示灯等组成。

图2：便携式卫星通导热点硬件设计图

本设备需解析北斗导航、短报文通信等多种设备数据，同时需提供TCP、HTTP 等网络服务，并控制整机状态和指示，程序并行任务多，需增强调度维护适应性。中心处理器选择iMX6ULL 处理器，运行Linux 操作系统，提供良好的开发和维护环境，搭建基于Wi-Fi 的无线网络环境，可同时服务于部署和调试环境。同时本设备采用高集成度的北斗RDSS 模块实现短报文通信功能，有效利于控制整机体积和功耗，提升设备便携性和持续工作时间。模块集成RDSS 收发射频芯片、基带芯片、PA 电路(5W)及LNA 电路，可通过外接 SIM 卡及无源天线即可实现北斗RDSS 短报文通信功能和有源定位功能。

3 系统软件设计

系统核心软件采用异步收发机制，同时接入北斗短报文链路数据，并与导航定位数据有机融合，以链路自适应的传输方式，将带有导航信息的通信数据通过标准化统一接口发布为基于TCP+HTTP的综合网络服务。设备现场端可利用Wi-Fi 链路就地发布TCP 服务，用户通过APP 软件即可使用卫星一体化消息、导航定位等功能；也可通过接口协议与设备交互，开发定制化应用。设备信息同时会通过北斗短报文链路上传至北斗协议解析与处理软件，用户的指挥平台端可通过HTTP 服务与设备建立交互关系，实时收发位置和文字消息，或查询历史信息。

3.1 软件架构设计

软件系统主要部署在便携式卫星通导热点、三防显控终端以及各类服务器中，如图3所示。具体部署情况见表1。

图3：系统软件架构设计图

表1：软件部署情况

3.2 软件交互设计

软件系统数据交互流如图4所示，其中数据流含义具体描述如下：

图4：系统软件交互设计图

（1）卫星通导终端应用APP 软件与卫星数据聚合与发布软件交互卫星导航和通信的基本数据信息和控制指令；

（2）卫星数据聚合与发布软件与北斗协议解析与处理软件交互北斗短报文协议封装的各类业务数据信息；

（3）卫星通导终端应用APP 软件与应用APP 后台软件收发APP 设置和更新的相关数据；

（4）北斗协议解析与处理软件与业务处理软件交互解析后符合系统内部自定格式的各类原始位置、告警、状态等数据；

（5）业务处理软件与数据库通过SQL 方式存取各类原始位置信息、处理后的告警、状态等数据信息；

（6）数据库与Web 服务软件（后台）通过SQL 方式各类原始位置信息、处理后的告警、状态等数据信息；

（7）应用Web 服务软件（后台）通过向应用Web 服务软件（前端）发布服务完成交互；

（8）Web 服务软件（后台）向GIS 服务软件索取各类GIS 地图服务，辅助Web 网页的发布。

其中卫星通导终端应用APP 软件与卫星数据聚合与发布软件TCP 通信协议帧举例：

字段值字节数说明包头0XA71byte包长度4byte北斗RN 使能1byte1：开启，0：禁止北斗RN 入网1byte1：已开启，0：未开启北斗RD 使能1byte1：开启，0：禁止北斗RD 入网1byte1：已开启，0：未开启位置自动上报1byte1：已开启，0：未开启电池电量1byte百分比：0～100校验码1byte

北斗协议解析与处理软件与业务处理软件HTTP 通信协议帧举例：

4 应用场景搭建与测试

结合系统功能和特点，选取了一种野外无人区日常巡护典型应用场景为测试环境。在日常巡护过程中，巡护人员多处于无地面公网覆盖区域，在发现险情时无法第一时间进行上报。巡护人员可通过本系统，利用北斗短报文技术实现巡护员间、巡护员与指挥中心的语音、消息、位置等信息实时互联互通，实现全域无死角巡护，提升巡护险情预警时效性。

（1）利用终端间互通能力，巡护员在巡护过程中可与其他人员通过北斗短报文实现位置信息共享，并在手机APP 直观显示自己与其他人员的相对位置及距离方位等信息，实现人员间的最后一公里通信。

（2）还可利用终端与指挥平台互通能力，人员在巡护过程中可与指挥中心建立联系，通过北斗短报文上报自身位置，在平台显示人员行动轨迹和态势，加强日常监管力度，并在发现问题时实时通过北斗短报文消息的形式向指挥中心报告情况，提升险情预警时效性。测试结果如图5所示。

图5：终端互通测试结果

5 结语

本文设计并实现了一种基于北斗卫星技术的通信导航应用系统，该系统具有卫星移动信号盲区覆盖、多卫星通信网络融合、终端便携灵活、高续航支持、灵活接入指挥平台等优势，可采集位置、文字信息、语音等数据，并通过北斗短报文通信网络进行数据上报，最终在现场端手机和后端指挥平台系统进行交互展示。通过定制SOS 搜救、离线地图支持、指挥导航、终端脱机控制等功能，更好的服务于各类行业用户。同时针对系统特点，设计了针对性野外无人区巡护应用场景，并完成了外场测试实验，效果良好，还可适用于边防巡逻、地质勘探、户外旅游等长期工作于无移动信号覆盖的领域。通过借鉴本产品的成功设计经验，并针对具体需求还扩展添加各类传感器，广泛应用于其他特殊需求行业设备，具有较高的推广价值。