基于天通、北斗双模卫星通信的应急车载终端设计与实现

李听听　刘铭　陈刘伟

【摘要】    我国幅员辽阔，灾害事故频发，对应急通讯技术有很高的要求。本文研制基于天通、北斗卫星通信的应急车载终端，提出北斗单次通信电文长度利用率可达到91.72%的多点传输协议，同时是详细描述了硬件、软件设计思路，摆脱了目前车载终端通讯过度依赖地面无线网络的痛点。最后，该终端投入实际使用，取得良好的社会效益。

【关键词】    北斗    天通    应急车载    多点传输

Design and implementation of emergency vehicle terminal based on Tiantong and Beidou dual-mode satellite communication

Li Tingting， Liu Ming， Chen Liuwei

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， GuangZhou 510310， China）

Abstract： my country has a vast territory， frequent disasters and accidents， and has high requirements for emergency communication technology. This article develops an emergency vehicle-mounted terminal based on Tiantong and Beidou satellite communications， and proposes a multipoint transmission protocol that can reach 91.72% of the length of Beidou’s single communication message. At the same time， it describes the hardware and software design ideas in detail， and gets rid of the current vehicle-mounted terminal communication. Pain points of over-reliance on terrestrial wireless networks. Finally， the terminal was put into actual use and achieved good social benefits.

Keywords： Beidou; Tiantong; Emergency vehicle; Multipoint transmission

引言：

我国土地辽阔、人口众多，灾害事故多发。近年来，经济快速发展，综合国力明显增强，特大城市、中心城市发展速度明显加快，影响公共安全的突发事件逐渐增多，致灾因素大量增加。特别中西部省份地理环境复杂，地域区域灾害特征比较明显。应急救援工作在當前的发展形势下显得异常重要。

车辆监控系统用来提高车辆的快捷性和安全性受到了广泛应用。目前，安装在车辆上的车载终端通过GNSS技术获取车辆的位置等信息，然后采用2G/3G/4G/5G等地面无线通信网络将车辆的位置等信息发送到监控中心的服务器上[1][2]。该类车载终端有一定的局限性，类似四川的汶川和雅安地震造成电力设备损坏，导致供电一度中断，2G/3G/4G/5G等无线地面网络瘫痪，该类车载终端在灾后就不能正常使用[3][4]。本文提出一种基于天通、北斗双模卫星通信的应急车载终端，可以在不依赖无线地面网络情况下，通过北斗卫星通信RDSS的方式将车辆位置等信息发送到监控中心的服务器上，同时依赖天通卫星通信保证终端通话、短信、数据等业务功能[5][6]。

一、系统设计

基于天通、北斗的车辆监控调度系统以北斗卫星导航系统、天通1号系统为支撑，对注册车辆应急执勤作业提供全天候监控管理[7]。其中，车载终端通过GNSS卫星定位系统获取车辆的位置等信息，然后通过北斗短报文将车辆实时信息回传到监控中心的北斗指挥机上;车载终端可以提供天通语音通话业务，同时还可以收发天通短信，保证在地面网络瘫痪的情况下，双模卫星依然能够提供有效的通信服务。该系统为车辆监管部门建立多层次指挥平台，实现灵活组网、指挥操作便捷、功能强大、系统稳定可靠的监控系统。系统总体构成如图1所示：

二、终端设计

2.1硬件设计

应急车载终端是上述监控系统的核心。终端硬件基带处理器选择基于ARM Cortex-M4内核设计的STM32 MCU。该MCU具有多种不同类型接口、较强的数据处理能力和较低的待机功耗。终端集成多个功能模块，其中包含天通1号卫星通信模块、北斗短报文模块、GNSS定位模块、MYP4100模块、电源模块等。北斗短报文模块与MCU使用串口连接;天通卫星模块与MCU使用串口连接，MCU通过AT指令对天通卫星模块进行一定的控制;是天通卫星模块的话音业务通过PCM音频接口传输到MYP4100模块，MPY4100模块最终通过RJ11连接到外部话机，为终端用户提供卫星电话业务;MPY4100模块与MCU使用串口连接，MCU可以通过AT指令对MPY4100模块进行控制操作;话机通过网口连接MCU，MCU能够更快的将大量数据信息反馈到话机界面。

除去各个功能模块，硬件设计还需要考虑的电源、电平转换、存储调试等问题。在当前设计中，采用IIC接口的FM24L256为存储器件。类比其他类型的EEPROM，FM24L256器件为铁电存储，具有存储容量大、存储速度快、功耗低等优点。系统使用JTAG口为软硬件调试接口。

硬件设计中终端各个功能模块连接，如图2所示。

2.2软件设计

2.2.1 多点传输协议设计

北斗RDSS单元注册的授权信息包含通信等级，不同的通信等级每次发送的最大电文长度不同，如下表所示。从表中可以看出通信等级越高，能够发送的最大电文长度越长，但是最大电文长度最大不超过210个BCD码[8][9]。

基于北斗RDSS上述通信特点，在有限时间内传输更多的位置信息，就需要最大化电文长度利用率。本文设计终端采用通讯等级3，单次电文最大长度不超过157个BCD码。下述根据终端要求，设计一种单次通信电文长度利用大于90%的多位置点数据传输协议。

如上表所示针对每个字段的简要解释如下：

1.标识符

表明该协议的版本以及使用终端。

2.数量

上报的位置数量（n = 5）。

3.时间

时间表示为自 1970 年 1 月 1 日午夜 （00：00：00） 以来经过的秒数。一般操作系统比如Linux、Windows等提供该秒数计算的库函数。

4.经度和纬度

表中经度1、纬度1传输值是第一个点的经纬和纬度放大1000000后的取值。

5.时间偏差值

时间偏差值等于时间2减去时间1。

6.纬度2偏差值和经度2偏差值

纬度2偏差值等于纬度2减去纬度1;

经度2偏差值等于经度2减去经度1。

7.速度

单位为公里/小时。

8.纬度半球

1为S，0为N。

9.经度半球

1为W，0为E。

位置数据依照上述数据格式编码后，再转换16进制格式的ASCII字符，这里计算电文传输所需要的BCD码长度。标识符长度为1byte，第一个点数据位本次传输的基础数据，从表格中可以计算得到基础数据长度为19byte;在第一个点数据后面，每追加一个点的数据会增加字节数据长度12byte。这样可以计算传输数量为n，传输字节总长度为N，则有如下公式

N = 1 + 19 + 13 * （n - 1）

当n = 5时，N = 72（byte），这时在不使用任何压缩编码算法的情况下，转化为电文长度144个BCD码，小于表格1中通信等级为3时157个BCD码。可以计算出，每次传输电文长度利用率为91.72%，满足终端设计要求。

2.2.2 应用程序设计

在嵌入式领域中，嵌入式实时操作系统正得到越来越广泛的应用。采用嵌入式实时操作系统（RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性。FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要[10]。应急车载终端的MCU移植后FreeRTOS，应用程序完成终端的功能。应用程序软件根据系统功能需求设计。首先，主线程启动后，创建4个子线程来实现，4个子线程设计为非抢先方式，MCU按照时间片轮转的方式进行线程切换。主线程检测是否有按键按下，对按键值进行处理，保证按键功能正常响应，同时保证指示灯正常显示工作状态。主线程流程图如图3所示。

2.2.2.1 GNSS处理线程

GNSS处理线程需要对GNSS模块进行上电，选择参与定位解算的卫星模式[11]。本文选择的模块支持北斗、GPS、GLONASS三系统定位，可以任意组合定位。一般还需要对串口输出语句格式设置，本文只保留RMC语句输出。按照NEMA-0183协议进行串口协议解析，最终得到终端的位置、速度、时间等信息。

2.2.2.2 北斗RDSS线程

北斗RDSS线程主要完成北斗RDSS模块上电、自检、终端信息上报等功能。其中终端位置以60s频度上报后台北斗指挥机，上报协议格式遵守3.3.1中设计的多点位置传输协议。上报位置点平均分布在60s時间内，保证后台接收的位置轨迹均匀、平滑分布。

2.2.2.3 天通业务线程

天通业务线程主要完成天通模块的上电、入网、控制管理。由于车载终端在移动过程中，天通卫星信号质量会发生改变，该线程实现了对天通卫星信号质量的实时监控，并保证下发入网指令。天通通话业务处理流程：由话机发起拨号命令，该命令转化为AT指令后，首先由MYP4100通过串口发送给MCU，MCU再将该命令解析、转化发送给天通模块，从而实现通话需求。天通短信业务处理流程：由话机通过网口将短信发送给MCU，MCU再进行AT命令的转换，最终控制天通模块，完成短信的发送，并将收、发短信结果状态上报。

2.2.2.4 MYP4100管理线程

MYP4100管理线程主要完成MYP4100模块的上电、AT指令控制等。该线程主要配合天通业务线程完成天通通话业务。

三、结束语

本文针对当前监控终端过于依赖地面无线网络的痛点，提出基于天通、北斗双模卫星通信的应急车载终端，详细描述该终端的硬件、软件设计方法。目前，该终端在四川省某消防应急管理部门投入使用，并取得良好的用户口碑。下图为终端样机照片，该终端系统未来能够填补市场空缺，为应急救援提供更加可靠的通讯方式。

参  考  文  献

[1] 李军焕.基于GPS/GPRS车载终端的设计与实现[J].数字通信世界，2012. 6

[2] 基于GPS/GPRS的车载定位远程监测系统设计[J]. 曹景胜，石晶，魏丹，刘丛浩.  仪器仪表与分析监测. 2018（02）

[3] 曹彬， 李君， 孙倩， 王红梅. 电网遭遇震害的应对措施与优化设计[J]. 供用电.2016（03）：76-80.

[4] 谢强.电力系统的地震灾害研究现状与应急响应[J].电力建设，2008，29（8）：1-5.

[5] 我国首颗移动通信卫星成功发射[J].   数字通信世界. 2016（08）

[6] 现代应急卫星通信系统应用综述[J]. 杨春香，赵书伦，杨帆. 导航与控制. 2011（02）

[7] 李洪力，张婷，杨华，刘安斐. 基于RDSS系统的高性能信号接收总体设计研究 [J]. 电子世界. 2018（24）

[8] 傅家亮.北斗卫星下的海洋水文实时监测系统分析 [J]. 通讯世界. 2019 （01）

[9] 北斗用户设备测试系统的设计与实现[J]. 张桂华，陈锡春.  电子测量与仪器学报. 2009（01）

[10] 谢鹏程. 基于STM32和FreeRTOS的独立式运动控制器设计与研究 [D]. 华南理工大学. 2012

[11] 周锋. 多系统GNSS非差非组合精密单点定位相关理论和方法研究 [D]. 华东师范大学. 2018

作者简介：

李听听（1989-），男，汉族，河南沈丘人，工程师，硕士，研究方向为卫星通信、移动通信。

刘铭（1987-），男，汉族，陕西蓝田人，工程师，博士，研究方向为无线通信、信号处理。

陈刘伟（1990-），男，汉族，安徽安庆人，工程师，硕士，研究方向为无线通信、卫星通信。