基于北斗短报文的水下试验数据海上快速回传技术应用

李姿佳 李伟 邓鹏

1.中国人民解放军海军潜艇学院；2.中国人民解放军91033 部队

为提高水中兵器的实际使用性能，一般通过水下试验来测试分析。水中兵器一般体积和内部空间较小，且受水下通信技术的局限，较难实现试验数据的实时监测。测试数据通常在试验结束后，将兵器打捞并运回技术阵地通过专用设备读取内测数据来分析得到，因此获得的数据时效性较差。

水中兵器试验常常在远离近岸的海域开展，考虑到水下通信时海水对电磁波的吸收和衰减效应，且受传输距离和通信速率的限制，为提高系统的普遍使用性，主要依靠水上无线通信方式传输数据。结合实时监测系统对无线通信中数据传输速率、传输距离、通信链路稳定性等方面的要求，对比分析了卫星通信、短波通信、水声通信和北斗短报文等四种通信方式。

1 海上数据传输中远距离通信手段

1.1 卫星通信

卫星通信主要利用军内、国内和国际通信卫星来实现信息传递，是远海大容量信息传输的主用手段，可以实现文电、数据、语音、图片、视频的传输。其特点是覆盖面广，易于多址组网通信，容量大，质量高且通信速率较高，信号传输稳定，特别适合海上舰船的数据传输。但在实际操作中，因卫星通信设备占地大，造价高，靶船甚少加装，加上军事卫星资源相对较少，使用卫星通信还需申请通信信道，加装保密设备，给海上数据传输试验带来一定困难。

1.2 短波通信

短波通信可以支持话音、文电、数据等，其发射波通常是经过一次或者多次电离层的反射到达接收设备，该传递方式通信距离较远，是远程通信的主要手段。

与卫星通信相比，短波通信利用天然中继—电离层对天波的反射作用来实现信号传播，其特点是设备简单、运行成本低、使用灵活、可靠性较强。由于带宽的限制和电波时变衰减的影响，加上短波频段资源较少，即使采用多种自适应技术改善其数据传输性能，也很难提高数据传输速率。在靶船上使用短波通信，需要安装短波天线，安装难度较大，而且在远海使用，由于电磁波传播特性，通信质量难以保障。

1.3 水声通信

声波是当前已知的在水中传输衰减最小的波动形式，稳定性与可靠性较高，因而在水下信息传输、水下探测等领域得到了广泛应用。

水声通信按照声波频率不同一般可分为高频、中频和低频。高频水声通信具有频率高、频带宽、传输速率高等特点，其通信距离一般在数公里以内；中频水声通信频率相对较高，频带较宽，传输速率较高，其通信距离一般在数十公里；低频水声通信的频率低、频带窄，且提高传输速率技术难度较大，但通信距离远，最远可达数百甚至上千公里，是实现水声远程信息传输的主用频段。采用水声通信进行数据传输，可以不受海水深度的限制，但因其是多径传输信道，特性参数又随着时-空-频的变化而随机变化，使得其传输速率低、传输误码率较高。

1.4 北斗短报文通信

北斗短报文作为一种特殊的通信手段，是北斗卫星导航系统中的一项应用功能。该功能可允许用户与用户、用户与地面控制中心进行双向通信。从北斗系统通信的主要技术指标可以看出，北斗系统短报文通信功能覆盖范围广，服务区域大，不受地形、气候等因素影响，信号采用扩频调制方式，抗干扰能力强，保密性高，数据传输速率高，时效性强，适应大航区、超视距、远距离、实时性数据信息传输。

北斗终端设备具有体积小功耗低、安装方便等特点，该设备采用模块化、集成化设计，可满足全天候的工作需求，信号可无缝覆盖我国全部国土、周边海域和地区，受恶劣天气影响的信号衰减效应比较小。该系统具有良好的加密功能，可保证用户数据通信安全。但是，由于北斗系统的民用报文服务具有通信频度和报文长度受限、丢包等问题，难以满足高传输速率的要求，很大程度地限制了其应用范围。

另外，也可考虑用中继通信方式回传数据。试验有时会部署直升机在靶船上空实时回传拍摄的海上画面，可以利用直升机的回传设备回传监测数据。其技术难度在于一是直升机和中继设备协调难度大，且单个中继通信距离有限，试验验证难以组织；二是直升机相对靶船位置不能提前确定，需要在靶船上安装全向天线。

分析以上通信技术手段，考虑到设备成本、研制周期和试验难度等因素，本文以北斗短报文通信作为原理性验证，后续研究和实际应用可考虑中继通信或卫星通信方式。

2 基于北斗短报文的数据传输系统

基于北斗短报文的水下试验数据传输系统是由安装在靶船上的传感器敏感水中兵器位置的变化，所获得的数据由北斗短报文通信系统海上发送端传送至地面接收端，以此来实现水下试验数据的快速回传（如图1 所示）。

图1 北斗传送数据及落地示意图Fig.1 Beidou transmission and landing diagram

本文提出基于北斗短报文的通信系统，构建了Lab-Windows/CVI 的上位机北斗短报文通信软件，软件与系统硬件的传输由串口通信调用USB 转RS232 接口驱动程序完成，根据系统传输能力可以每间隔60s 进行一次数据发送与接收。

2.1 系统设计

北斗短报文通信系统主要由上位机软件、下位机软件和RDSS DTU101 数据传输终端硬件部分组成。上位机、下位机软件主要采用模块化设计，利用主函数，串口通信等框架把主要实现的功能和程序的基本实现过程进行搭建（如图2 所示）。

图2 北斗短报文通信系统数据传输示意图Fig.2 Schematic diagram of data transmission in Beidou short-message communication system

上位机软件包括北斗终端配置模块、串口通信模块、定时发送模块，数据读取模块；下位机软件包括北斗终端配置模块、串口通信模块、定时接收模块，数据生成模块（如图3 所示）。

图3 北斗短报文通信系统组成Fig.3 Composition of Beidou short-message communication system

北斗短报文通信模块是基于RDSS DTU(DataTransfer Uint,全称数据传输单元)101 数据传输终端，采用GPS/北斗收发天线、模块、核心主板一体化设计，集成了RDSS天线、射频收发电路、功放电路、基带电路等，产品集成度高、功耗低，采用磁吸式安装，安装使用极为方便，防水系列等级达到IP67。

短报文最大字节数由用户卡类型所决定，单次发送的数据字节数不能超过用户卡所规定的字节数，否则多余的字节数将会被丢失；该设备默认支持北斗三级民用智能卡；发送频度为60s/次，单次发送有效字节为76 个字节。

2.2 需求分析

水下试验的数据是根据靶船上实时监测系统中各个传感器实时测量数据计算生成，最终获取的动态位置信息经分析转换成时间、经度、纬度在内的坐标序列。水下试验测得的位置变化可通过对坐标序列的拟合分析来实现。

其输出格式（如表1所示）一般是：时间为HH∶MM∶SS(8 字节)，经度为ddd.mmmm(8 字节)，纬度为dd.mmmm(7 字节)。每个位置坐标信息总数为23 个字节。为方便记录，1 次报文输入时每个坐标序列前增加编码，占1 字节，每个序号前用空隔隔开，占1 字节，一次报文共占74 字节。

表1 北斗短报文数据传输格式Tab.1 Data transfer format of Beidou short-message

以600 字节为例，在有效时限内，可传输约24 个坐标序列约8min 左右可以满足对水中兵器分析需要。传输的坐标序列越多，测绘位置变化的精确度越高，同时意味着传输时间会越长。

2.3 功能实现

上位机、下位机软件和北斗终端通过USB 转RS232串口总线连接实现数据转换，总线串口软件通过编写的串口通信函数动态库与RS232 通信，利用RDSS 配置工具读取北斗终端设备信息，对串口波特率、数据位、停止位、校验位、工作方式、目的地址、本机地址等进行配置。设置结束后可进行数据测试，检查通信是否连，配置结束后退出配置模式。

试验数据经上位机处理后，由数据读取模块将数据读入，定时发送模块按76 字节/60 秒将数据分包发送，其发送流程如图4 所示。数据接收模块接收到数据后，由数据生成模块生成结果文档。

图4 上位机软件发送数据流程图Fig.4 Flow chart of the data sent by the host computer software

在数据透传模式下，北斗发射终端需要预先设定接收终端的卡号。于正常工作情况时，由上位机处理后的数据会通过发射终端自动发送给目标卡号的北斗接收终端，发送终端和接收终端通过北斗卫星实现两端之间原始数据的互相传输。

为方便数据发送，该模式下通信系统内部有数据缓存区，可支持自动分包和自动发送。同时，配有图形配置软件，可轻松配置目的地址并自动上传定位周期时间、串口配置等信息。为了便于调试使用，串口部分将北斗终端RS232 接口输出转为USB 接口与上位机连接。

3 软件测试与分析

测试系统搭建上位机数据发送端与下位机接收端，试验所要传输24 个坐标共约600 字节为水下试验数据。按照单次报文传输格式要求，1 次坐标数据为24 个字节，1 次报文可传输3 个坐标值，每个坐标用空隔隔开，共74 个字节，系统设定分8 次自动发送和自动接收，共进行10 次测试来验证其可靠性和传输效率，其测试结果如表2、表3 所示：

表2 基于北斗短报文的数据可靠性测试结果Tab.2 Data reliability test results based on Beidou short-message

表3 北斗短报文传输效率测试结果Tab.3 Beidou short-messagetransmission efficiency test results

通过测试结果分析，试验所需坐标序列数据传输10次，每次分8 次传输时，分别在第6 次和第9 次测试中，有1 次传输失败，其整个测试成功率达到97.5%。传输时效测试结果平均用时8′16″。测试结果表明，运用本文所述北斗短报文通信系统可在有效时限内（10min）传输试验所需数据。

以上测试是基于北斗二号短报文通信系统的数据传输验证，随着北斗三号全球卫星导航系统的应用，其短报文服务能力可升级为单次报文最长1000 汉字/60 秒，则传输24 个坐标点可在1min 内完成。实际按北斗三号短报文通信服力的能力，单次可传输约500 个坐标位置信息，其最终测绘的水中兵器位置的精度可成倍提高。

4 结语

本文对比了可用于海上远程数据传输的通信方式，针对北斗短报文服务的特点，提出了基于 LabWindows/CVI的上位机北斗短报文通信软件，结合搭建无线通信模块实现水中兵器试验数据的快速回传，并通过测试验证了其可行性。该数据回传方式可以改变只依靠内测数据作为评估水中兵器实际使用性能的单一局面，提高了训练效果的评估效率，有助于武器装备研制试验能力的改进，具有良好的应用价值和推广前景。

引用

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