基于北斗短报文的卫星导航信号区域监测系统设计

张亮儒，翟建勇，田 宇，王彩霞，满 丰

基于北斗短报文的卫星导航信号区域监测系统设计

张亮儒，翟建勇，田 宇，王彩霞，满 丰

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

设计了一种基于北斗短报文的卫星导航信号区域监测系统，可实现对指定区域卫星导航系统的持续全天候监测。针对北斗短报文可靠性和通信容量有限的特点，提出了一种带反馈重发机制的多卡自适应发送方法，可明显提高发送效率和可靠性。研究了一种多站联合干扰源交汇定位算法，并设计了导航信号区域完好性监测方法，可在出现异常时对干扰源进行定位并及时告警，具有较强的实用价值。

北斗短报文；卫星导航；区域监测系统；干扰源定位

0 引言

目前，随着卫星导航系统在军事和民用领域的广泛应用，要求导航系统具有较高的可靠性和对指定区域的导航信号进行监测并进行实时异常告警的能力。要对某一区域的导航信号进行连续监测经常需要多个监测站联合，监测站之间采用一种或多种通信方式组合的方法传输监测信息。卫星导航信号区域监测系统的应用场景多具有涉及范围广、地处偏远以及通信不便等特点，因此，采用合适的通信方式对区域监测系统的监测结果至关重要。北斗短报文服务作为北斗卫星导航系统的一项特有功能，具有覆盖范围广和传输距离远等特点，在地质环境监测、搜救及紧急通信领域应用广泛[1]。

本文设计了一种卫星导航信号区域监测系统，可对目标区域的卫星态势、系统完好性、服务性能、信号质量和受干扰情况进行实时监测，在系统出现异常时及时向用户告警。监测站之间主要采用基于北斗短报文的通信方法，并增加基于5G/4G的数据接收传输设备作为辅助通信手段，确保监测信息实时准确地传输和播发，可提高用户使用卫星导航系统的安全性和可靠性。

1 系统整体设计

系统由一个中心站与三个机动监测站组成。中心站常固定于机房，用于系统整体监测信息的处理显示和对各机动监测站的控制调度。机动监测站置于改装过的移动平台，可根据任务需求进行灵活机动布置，实现对指定区域BDS、GPS、Galileo及GLONASS卫星导航系统的卫星态势、系统完好性、服务性能、信号质量和受干扰情况的实时监测。各机动监测站具备独立监测能力，通过设计相应判据实现对指定区域导航系统的监测。机动监测站可分别对各自监测区域内的受干扰情况进行监测，通过监测信息的互相播发实现多站联合干扰源定位，并将干扰源位置和频谱等信息上报至中心站。系统具有较强的综合性、机动性和易扩展性，可利用卫星无线电测定业务（Radio Determination Satellite Service，RDSS）与数据接收传输设备实现各监测站之间“动中通”和易扩展的功能，系统整体组成如图1所示。

2 分系统设计

2.1 机动监测站

机动监测站在外场采用发电机供电，设备组成主要包括：L频段多模天线、机动监测站完好性监测处理设备、干扰监测有源阵列天线、干扰监测测向设备、数据接收传输设备、BDS RDSS天线、BDS综合信息终端、时频保障设备、机动站完好性监测及干扰综合管理评估终端，如图2所示。

图2 机动监测站组成图

机动监测站完好性监测处理设备通过L频段多模天线接收卫星导航系统相关频点的导航信号，经处理后在完好性监测及干扰综合管理评估终端进行显示。干扰监测测向设备通过干扰监测有源阵列天线获取干扰信号的频谱及方位信息，并在完好性监测及干扰综合管理评估终端进行多站联合交汇定位。BDS综合信息终端和数据接收传输设备用于各机动监测站之间、机动监测站与中心站之间的通信，可对监测信息进行分发和上报等，并具备接收中心站下发的设备控制指令等功能。

2.2 中心站

中心站的设备组成与机动监测站类似，增加了信号质量分析处理终端设备，减少了干扰监测测向设备。中心站相比于机动监测站增加了数据库保存、信号质量分析和整体界面显示等功能，减少了干扰源监测测向功能，能够实时处理本站和机动监测站上传的观测数据、信号质量、卫星运行态势、系统完好性和干扰源位置等信息，并在出现异常时及时显示告警，其组成如图3所示。

图3 中心站组成图

3 系统关键技术

3.1 通信方法设计

本文提出了一种北斗短报文和数据接收传输设备相结合的通信方法。北斗短报文通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强和数据保密性好等特点，有BCD码和ASCII码两种数据类型，可满足偏远地区监测时的远距离通信[2]。受北斗短报文通信信道资源限制，其传输的数据量较小，并且有单张IC卡每60 s发送一次的频度限制。数据接收传输设备基于4G/5G通信，具有传输数据量大且不受发送频度限制的特点，但由于其传输稳定性易受到遮挡物的干扰，应用场景多限于开阔无遮挡区域[3]。因此，本文各机动监测站之间采用了北斗短报文通信为主，数据接收传输设备为辅的通信方式，机动监测站与中心站之间的距离小于50 km时，两种通信方式共存，超过50 km时，则采用北斗短报文作为远距离通信手段。

北斗短报文通信发送端和接收端均通过各自北斗IC卡的ID号来识别通信，发送信息受北斗IC卡自身频度限制，接收信息不受频度限制[4]。本文所设计系统的机动监测站采用北斗普通型用户机，共安装12张北斗IC卡，根据单卡60 s的频度限制，组合后可实现机动监测站的最高发送频度为5 s。中心站采用北斗指挥型用户机，只安装1张北斗IC卡，发送频度为60 s，如表1所示。

表1 站点IC卡数量与发送频度

1）数据收发机制。各机动监测站产生BDS、GPS、Galileo及GLONASS卫星导航系统的完好性数据、观测数据、导航电文、干扰源位置、频谱信息、卫星运行态势以及数据质量监测信息等数据类型。上述信息中除完好性监测数据外，其余信息类型数据加入待发送区的频度固定。由于在60 s内卫星导航系统的状态变化并不明显，因此本文提出了一种自适应发送机制，当检测到当前时刻单站产生监测数据的数据量较大时，则监测数据加入待发送区的时间间隔相应增大；当单站产生监测数据的数据量较小时，则减小监测数据加入发送区的时间间隔，对上述时间间隔进行实时动态调整，以确保北斗短报文发送资源利用效率最大化。机动监测站与中心站通信协议的结构如图4所示，定义每分钟内单站12张用户卡发送的数据包序号相同，制定相应协议对机动监测站所有用户卡按站点进行排序，对各机动监测站的每包数据进行编号后发送。中心站的指挥型用户机接收各机动监测站发送过来的信息，若接收到机动监测站发送的数据，则将当前接收卡号的数据包编号更新为最新数据包编号；若没有收到机动监测站发送的数据，则将当前接收卡号的数据包编号置为0。由于中心站为单卡终端，受发送频度的限制，每分钟只能反馈一包数据，为保证反馈的实时性，将中心站接收机动监测站数据的结果按协议组合后只发送至指定机动监测站，再由该站通过数据接收传输设备播发至其他各机动监测站。

图4 机动监测站与中心站通信协议结构图

2）反馈重发机制。各机动监测站收到中心站发送的消息接收情况回执后，检验对应卡号的数据包编号，若数据包编号的值为0，则对发送失败的数据包进行一次重发。机动监测站与中心站之间数据收发及失败反馈重发流程如图5所示。同时，中心站还具备对各机动监测站设备状态查询和指令控制的功能。

图5 站间数据收发及反馈重发流程图

为验证本文提出的基于北斗短报文的通信方法的可行性，同时运行中心站与三个机动监测，将失败反馈重发的次数设置为1次，观察测试数据可知，采用自适应发送和失败反馈重发机制可明显提高数据发送效率和发送成功率，结果如表2所示。

表2 测试结果

3.2 干扰源交汇定位算法

干扰源的实时准确定位对于卫星导航区域监测系统至关重要[5]。干扰监测测向设备通过处理干扰监测有源阵列天线接收的干扰源信号，得到干扰信号的类型、频率、载噪比、带宽及示向度等信息。针对区域监测系统的应用场景，本文研究了一种多站联合干扰源交汇定位算法，该算法主要采用不同机动监测站采集的干扰源示向度信息进行交汇定位，原理如图6所示。

图6 干扰源交汇定位示意图

干扰源交汇定位算法的过程为：

5）运行各监测站设备，启动干扰源交汇定位软件界面如图7所示，经监测100 min后，其定位偏差与理论值之比的均值为2.83%，可较准确地完成对干扰源位置的确定，实现对指定监测区域的干扰信号监测和异常告警。

3.3 区域完好性监测

区域完好性监测功能是本文所述系统核心功能之一，可对导航信号质量、数据质量及测量值进行持续监测。当数据接收传输设备可用时，三个机动监测站将各自完好性监测的详细结果进行互相播发；当数据接收传输设备受遮挡不可用时，三个机动监测站之间采用北斗短报文播发完好性监测的综合结果，实现了各机动监测站均可作为主站观测当前区域完好性的功能。同时，可根据需求选择要观测的机动监测站并保存完好性监测结果。在各监测站之间的完好性结果具有相关性的前提下，针对单个卫星导航系统，本文提出如下判定策略：当三个机动监测站中有两个及以上的站点对某个卫星导航系统完好性告警时，则认为当前监测区域的该卫星导航系统不可用，监测软件界面如图8所示。

图8 区域完好性监测界面

4 结论

针对卫星导航监测系统多用于偏远山区及通信受限环境的特点，本文对现有卫星导航区域监测系统进行研究，提出了一种基于北斗短报文的卫星导航信号区域监测系统。对北斗短报文通信的特点进行分析，设计了一种带反馈重发机制的组合通信方案，可明显降低丢包率，提高系统通信的效率和鲁棒性。研究了一种多监测站联合交汇定位算法，可较准确地对监测区域内的干扰信号进行定位并告警。制定了区域完好性监测的判定策略，可对监测区域的站点数量进行选择并持续进行区域完好性监测，显著提高了用户使用卫星导航系统的安全性和可靠性，具有明显的实用价值。

[1] 王君瑞，向上，郭腾，等. 基于北斗短报文通讯的蓄电池监测系统设计[J]. 电子测量技术，2021， 44（9）：6-12.

[2] 陈慧，谭志强，鲍捷. 基于北斗短报文通信的新能源监测系统设计[J]. 电测与仪表，2020，57（19）：78-85.

[3] 贾庆民. 5G移动通信网络中缓存与计算关键技术研究[D]. 北京：北京邮电大学，2019.

[4] 梁梦涛. 基于北斗短报文的空情应急传输系统设计[D]. 石家庄：石家庄铁道大学， 2021.

[5] 柴慧斯，张风国. GNSS干扰源测向方法对比分析[J]. 全球定位系统，2019，44（2）：59-62.

Design of Area Monitoring System of Satellite Navigation Signals Based on Beidou Short Message

ZHANG Liangru, ZHAI Jianyong, TIAN Yu, WANG Caixia, MAN Feng

A satellite navigation signal regional monitoring system based on BDS short message is designed, which can realize the continuous all-weather monitoring of the satellite navigation system in the designated area. In view of the limited reliability and communication capacity of Beidou short message, a multi-card adaptive sending method with feedback retransmission mechanism is proposed, which can obviously improve the sending efficiency and reliability. A multi-station joint interference source intersection location algorithm is studied and a navigation signal area integrity monitoring method is designed, which can locate the interference source and timely alarm when abnormal, which has strong practical value.

Beidou Short Message; Satellite Navigation; Area Monitoring System; Interference Source Location

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-03-189-06

2022-04-19。

张亮儒（1994.09—），甘肃武威人，硕士，主要研究方向为卫星导航技术。