北斗短报文功能在侦察领域的应用

刘云雷,蔡 伟

(中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

“短报文”其实相当于现在人们平时用的“短信息”,北斗卫星短报文通信功能为各种平台应用提供了极大的便利。目前北斗短报文已经大量应用到救援、野外作业、海上作业系统。在军事领域,北斗的短报文功能已经在各种平台开展应用,在机载平台上,搭载电子侦察设备通过北斗用户机与地面中心站双向数据通信。那么在信息传递过程中,必不可少地要考虑北斗短报文性能受环境因素以及北斗卫星部署情况的影响,这将为电子侦察设备的应用场景提出新的挑战。同时在侦察领域,信号分选性能指标一般要达到32批/s,单批信息包含截获时间、频率类型、脉宽类型、重周类型、频率值、脉宽值、重周值等,这些信息在通用处理计算器内存中占用的字节数约为32字节,10 s累计的信息量约为32×32×10字节,远远大于单次北斗短报文最多传送210字节的指标。这里还不涉及定位、测向、识别结果、系统状态等信息。计算北斗短报文的传送速率为:21字节/s,而需要传送的数据远远大于1 024字节/s。怎样调和这样的矛盾,同时高效、自适应地利用北斗短报文功能进行侦察信息的传送是本篇文章的意义所在。

图1 设备部署图

1 信息编码

为了提高单次信息携带量,目前市面上主要采用ASCII编码来描述日期时间信息,即使采用最好的数据压缩方式,仍将占用十几个字节,在军事领域,这种编码技术远达不到要求。

要想进一步提高单次信息携带量,那必须摒弃市面上字符编码的方式,重新对侦察信息进行编码,高效简洁的方式就是利用原码方式来进行信息编码,例如可通过约占用4个字节数来描述日期时间信息,具体见表1信息单元定义,通过原码编码,就可将信息携带量提高到2倍以上。

表1 信息编码单元

2 信息分类

针对侦察领域的技术特征进行分析,侦察领域在侦收到信号以后,会对不同的信号进行编批处理,批号采用数值递增的方式。信号的内容由信号批号单元、信号描述单元、方位单元组成。在执行飞行任务时,其同一批号的信号描述单元的内容不会发生变化,变化的是信号的方位单元内容。那么可以这样设计:当出现新的批号信息时,将其批号、信号描述、信号方位告知地面中心站,后续执行任务时,再次出现这个批号,则只传送信号方位。

在机载平台上,电子侦察设备一般采用测向交叉定位技术对固定目标或者慢速目标定位,实际上是伴随着机载平台的移动,信号测向方位不断变化,通过交叉而对定位点凝聚的过程,在这个过程中,要向地面中心站持续更新定位点。

根据上述分析,可对多个信息单元排列组合,产生多种类型、描述具有侦察价值的信息,称为信息类别。信息类别中包含信息类别单元和其他信息单元,新组建的信息单元个数不固定,可根据实际情况添加或者删除,示例见表2。

表2 信息类别

3 信息取舍

针对机载的特性,有些数据是每次必要上报的,例如:机载位置、系统时间、流水号等。首先对传输数据定义:电子侦察设备侦获的信息,并且希望通过北斗用户机传送的数据。

经过对传输数据的信息分类,发现在电子侦察设备满负荷工作时,存在传输数据拥堵的情况,这时可对发送信息进行取舍。

步骤1:保证传输数据的时效性,一般对数据的历史保留时间设定为10 s。当然时间设定也可采用自适应的方式,依据北斗通信卡的发送最短间隔数值作为历史数据保留时间,也可通过地面中心站交互的信息来改变。

步骤2:对信息类别以及信息类别中的单元进行优先级设定。可设置2层优先级:

第1层针对信息类别,例如可设定:目标定位信息类别最高,方位信息类别次之,信号信息类别最低。第1层优先级的设定可在执行任务前预先设定,也可通过地面中心站交互的信息来改变。

第2层是针对信息类别中的信息单元设定。信号信息类别中的单元,默认优先级为信号批号单元的数值:数值越小,优先级越大,可通过地面中心站交互的查询批号的信息来改变默认优先级。而定位信息类别、方位信息类别中的信息单元按照历史时间顺序设定优先级:历史时间值越小,优先级越高。

步骤3:设定发送队列,大小为单次北斗卡最大发送字节数。而后依照优先级高低顺序将信息类别添加到发送队列。在添加信息类别数据时,则按照信息类别中的信息单元优先级添加,在添加信息单元时要判断空间是否充足,如果不充足,则舍弃该单元。

图2 信息取舍

4 信息沟通准则

在电子侦察设备与北斗用户机之间建立良好的沟通机制,是有效提高信息传送能力的手段,因此需要设定沟通准则。

北斗用户机与电子侦察设备之间信息交互,要严格遵循报文协议。

北斗用户机提供关于当前短报文通信信道性能方面的描述信息,方便电子侦察设备获知。

北斗用户机提供北斗通信卡的性能描述信息:单次可允许发送最大的字节数、最短允许发送时间间隔,以便电子侦察设备根据北斗通信卡的性能调整传输策略,达到自适应性。

北斗用户机下发空闲消息到电子侦察设备,表明北斗用户机当前具备传送数据的能力。

5 通信链路

北斗用户机与电子侦察设备之间可通过网络、RS-485等作为设备之间的链路桥梁,下面章节以网络进行举例说明。

6 信息交互时序

(1) 电子侦察设备为服务器,北斗用户机为客户端,两者建立网络连接。

(2) 北斗用户机将北斗卡的性能参数(单次最大发送字节数和最短时间间隔)提交给电子侦察设备。

(3) 电子侦察设备在侦察历史数据保留时间采用自适应的方式下,将其保留时间设定为最短时间间隔。电子侦察设备的数据发送队列空间大小设定为单次最大发送字节数。

(4) 开启空闲指令超时循环处理流程,时间设定为北斗最短时间间隔值。在时间间隔内,收到空闲指令则重新计时,超时则发送查询状态信息到北斗用户机,北斗用户机上报状态信息到电子侦察设备,状态信息包括北斗通信信道方面的内容,电子侦察设备保存信息供事后分析。

(5) 北斗用户机上报空闲指令,电子侦察设备则单次跳过空闲指令超时循环处理流程,而后按照信息取舍的步骤打包数据,并将信息提交到北斗用户机,北斗用户机则将信息转发到地面中心站。

(6) 地面中心站下发包括信息类型优先级、查询批号等消息到北斗用户机,北斗用户机转发消息到电子侦察设备,电子侦察设备根据消息调整传输策略。

7 软件建模

上述章节的描述可统称为北斗通信业务。利用面向对象思想完成软件建模,并重点描述架构中的业务逻辑,实现层中功能组件分工合作完成这项业务,见图3。

图3 软件架构

代表层描述:CMainCtrl 负责CSys、Cport、CDB功能模块的创建和配置、通信端口的“读”任务的启动、CMainCtrl充当管家的角色。

功能接口设计层描述:CPort主要负责数据的收发,采用适配器设计模式的思想,提供统一的数据收发接口,CPort的子类通过对驱动的封装来适配接口。同时采用观察者的思想来完成数据接收的逻辑,CPort充当信息发布方,CSys充当信息订阅方,CPort组件充当交通枢纽的角色。

CMdu具体负责对接收的报文信息进行拼接、合法性检查、解析、信息分类等,将结果返回给对应的CSys组件,同时对CPort的发送接口进行装饰设计,为CSys组件提供新的发送数据的接口。主要目的是帮助CSys从系统的报文协议的解析、打包程式中解脱出来,专心负责业务上的逻辑处理,CMdu充当CSys与CPort之间的“翻译器”。

CDB组件作为系统数据汇集中心,对系统中流转的数据进行分类,并根据任务要求备份历史数据,对外提供数据保存接口、数据提取接口,是Csys组件的具体处理对象。

CSys主要负责业务上的处理,是整个软件的核心价值体现。

业务逻辑实现层描述:通过对功能组件接口设计层的描述,以及北斗通信业务的分析,可以搭建功能组件之间的接口图,见图4。

图4 组件接口图

CSysBDSCtrl负责信息取舍工作和信息交互时序,CDBSignal作为侦察数据历史信息提供方,CMduNet负责电子侦察设备与北斗用户机之间的报文协议的执行者,CPortNet负责网络通信链路的实施方,CBitSerials负责传输数据信息类别化和bits发送队列的维护工作,这几个功能模块配合,完成北斗通信业务,可用执行顺序图来描述,其中代表层的CMainCtrl作为管理者也参与其中,如图5 所示。CSysBDSCtrl作为北斗通信业务实现的主要负责人,着重详细描述如图6所示。

图5 业务逻辑层功能组件执行顺序图1

图6 业务逻辑层功能组件执行顺序图2

设计中遵循了单一职责(SRP)和开放封闭原则(OCP),保证系统的扩展性需求。

8 结束语

本文的最大意义在于在机载平台搭载电子侦察设备执行任务时,利用北斗短报文通信功能,最大限度地利用其通信信道资源,将重大侦察价值信息快速实时地传送到地面中心站。依照上述设计,该技术已经在某型号机载电子侦察设备中使用,效果良好,单次飞行执行侦察任务2 h,可对5个固定点的定位信息传送100次以上,信号描述信息超500批,信号方位信息累计超2 000次。