一种北斗三号RDSS性能实时监测的实现方法

郭思远，喻 金，郑瑞锋

一种北斗三号RDSS性能实时监测的实现方法

郭思远1，喻 金1，郑瑞锋2

（1 北京卫星导航中心，北京 100094；2 西安合众思壮防务科技有限责任公司，西安 710000）

随着北斗三号系统应用的逐步推广，北斗RDSS功能在边防、气象、交通、航空和应急搜救等行业中应用越来越广泛，因此北斗RDSS性能监测是推动北斗RDSS服务应用的重要途径。设计了一种北斗三号RDSS性能实时监测的系统实现方案，系统具备安全性、高可靠性和易扩展性，满足数据采集、接收、存储、处理和管理监控等各个功能的基础支撑需求；针对RDSS的性能评价内容进行了设计，包含通信内容查询、接收信号类型、波束数量和波束功率、通信成功率、定位精度及通信时延等功能指标。最后，通过在对天环境条件下的实际测试验证，分析了测试结果数据，验证了方案的可行性。提出的方案具备RDSS性能监测实时性强、连续监测、及时预警和远程推送的特点，可以通过网络向相关用户推送相关信息，使用户能够方便快捷地掌握RDSS使用性能，为用户RDSS应用提供保障。

RDSS；北斗三号；短报文；性能监测；通信成功率

0 引言

自从2020年7月31日北斗三号全球卫星导航系统正式开通以来，北斗系统已提供导航定位和通信数传两大类、七种服务[5]，其中卫星无线电测定业务（Radio Determination Satellite Service，RDSS）是北斗系统特有的通信服务。在北斗二号RDSS功能的基础上，北斗三号还提供了全球短报文服务，可在全球范围内实现位置报告、应急通信和人员搜救等任务。北斗系统的RDSS应用在越来越多的行业应用中发挥着重要的作用，例如在交通、电力、安全和航空等行业中RDSS功能都有广泛应用[2]。随着北斗RDSS功能在以上各类行业中应用越来越广泛，对北斗RDSS性能监测服务的需求也日益增加。RDSS性能监测服务需要以用户为出发点完成北斗RDSS系统运行状态、信号质量及服务性能的监测与评估，为RDSS的使用用户了解北斗RDSS服务能力提供依据，为各类行业应用提供北斗RDSS应用环境保障。因此北斗系统RDSS应用的服务性能监测也成为一个关键问题，本文设计了一种进行实时RDSS应用性能监测评估的方案，可以作为北斗RDSS性能监测评估的一种手段。

1 RDSS性能监测系统设计

为了实现北斗三号RDSS应用性能监测，本文设计了一套机动监测平台，可以安装在专用车辆上，实现静态和动态条件下的RDSS性能监测。

1.1 逻辑架构设计

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的逻辑架构自下而上包括硬件支撑层、数据层、业务层和显示层，如图1所示。

图1 北斗三号RDSS应用性能实时监测系统逻辑架构图

1）硬件支撑层

硬件支撑层为保证RDSS应用性能实时监测系统正常供电、通信和业务处理分析的主要保障，其主要包括北斗车载双模用户机、工控机和应急电池。

北斗车载双模用户机的作用分为两方面，一方面是作为RDSS链路实现RDSS通信；另一方面是本身作为数据采集设备进行数据采集。

工控机作为北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的核心部件，主要承担数据的存储、处理分析、管理监控以及显示功能。

应急电池是北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的主要供电保障设施。

2）数据层

数据层为北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的重要组成部分，主要包含数据采集站数据、中间业务数据和管理监控数据。

数据采集站数据主要是指通过RDSS链路发送给北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的数据，其主要包含RDSS原始观测数据、RDSS服务数据、定位数据、测速数据和设备工况信息。

中间业务数据是指经过数据处理分析后获得的结果数据，包括服务性能分析结果数据、使用性能实时监测结果数据、使用性能事后统计分析结果数据和异常分析结果数据。

管理监控数据是指北斗三号RDSS应用性能实时监测系统进行系统管理和系统监控时所需要的数据，包含用户权限数据、操作日志数据、设备工况信息和配置参数等。

3）业务层

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统业务层主要包含数据接收存储和数据处理分析两个单元，其中，数据接收存储单元包含数据接收、数据存储、数据查询和数据推送等四个模块；数据处理分析单元包含RDSS性能仿真、使用性能实时监测、使用性能事后统计和系统异常分析等四个模块。

4）显示层

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统显示层主要是指北斗三号RDSS应用性能实时监测系统管理监控部分的可视化，其主要包含两部分，分别是系统管理可视化和系统监控可视化。

系统管理可视化是指北斗三号RDSS应用性能实时监测系统进行参数配置和用户权限管理等系统管理操作可视化。

系统监控可视化是指北斗三号RDSS应用性能实时监测系统在进行数据实时和事后处理分析时，处理结果可在界面实时显示，以达到监测分析结果实时监控状态。

1.2 物理架构设计

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的物理架构包含北斗车载双模用户机、工控机和电源设备等硬件，如图2所示。搭建具备安全性、高可靠性和易扩展性，满足数据采集、接收、存储、处理和管理监控等各个功能的基础支撑需求。

图2 北斗三号RDSS应用性能实时监测系统物理架构图

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统物理架构从整体上可分为车内部分和车外部分。在进行架设时，车内部分主要设备是应急电池和工控机，车外部分的主要设备是北斗车载双模用户机。

1.3 软件系统设计

北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的软件具备数据采集北斗RDSS接收功率及入站电平、通信成功率、通信时延和RDSS定位精度等信号质量实时监测功能。同时，上位机软件具备监测参数配置功能，可配置监测起止时间、监测频度和监测内容等。

1.3.1 软件功能组成

软件主要包括数据接收推送子模块、使用性能实时监测子模块、服务性能分析子模块、使用性能事后统计分析子模块、异常监测子模块和可视化子模块，共六个模块。各个模块的主要功能如下：

1）数据接收推送子模块：该子模块通过网络传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）接收设备的原始观测数据及设备状态信息，并将获取到的数据进行解析和校验处理，然后对解析后的原始观测数据及设备状态信息进行存储。将原始观测数据、设备状态信息和业务处理数据等按照指定的方式、内容和协议推送至数据传输模块。

2）使用性能实时监测子模块：对RDSS的接收功率及入站电平、通信成功率、通信时延、RDSS定位精度、定位结果、测速结果和通信等使用性能实时监测。

3）服务性能分析子模块：对北斗RDSS波束覆盖性能进行分析处理。

4）使用性能事后分析子模块：对北斗RDSS的接收功率及入站电平、通信成功率、通信时延、RDSS定位精度、授时和通信等观测数据的处理分析，完成使用性能事后统计分析功能。

5）异常监测子模块：基于观测数据和解算结果信息、设备状态信息、事后统计分析结果和模块运行的状态信息等数据建立数据处理分析过程中可能出现的所有异常的故障库，当数据处理分析过程中出现异常时，实时推送给监控系统进行日常显示和异常告警信息提示，同时自动存储于系统异常告警信息库中，方便系统异常告警信息的查询与告警信息维护，也为异常告警信息报表导出提供数据支持，并直接快速地自动分析甄别出服务性能异常的来源和原因。

6）可视化子模块：综合利用2D和3D可视化技术，立体、直观、全方位地展示北斗卫星导航系统RDSS应用分析评估结果，可视化内容包括参数配置、对所有监控要素进行可视化、用户使用性能的可视化和异常分析结果的可视化等。

1.3.2 软件工作流程

软件处理流程如图3所示。

图3 软件处理流程图

软件处理流程的具体过程如下：

1）通过获取的配置信息，接收对应端口的设备数据（设备状态数据、业务数据），然后对获取到的数据进行解析和有效性校验。

2）对RDSS的接收功率及入站电平、通信成功率、通信时延、RDSS定位精度、定位结果、测速结果和通信等使用性能实时监测，判断是否有告警，如没有告警将数据直接存入存储模块，如有告警用户可以通过异常告警模块进行告警规则（告警名称、告警等级和告警方式等）的创建、修改、删除及查询等操作。

3）对北斗RDSS波束覆盖等服务性能分析。

4）基于使用性能实时监测结果及使用性能事后分析结果，判断是否有告警，如没有告警将数据直接存入存储模块，如有告警用户可以通过异常告警模块进行告警规则（告警名称、告警等级和告警方式等）的创建、修改、删除及查询等操作。

5）综合利用2D和3D可视化技术，立体、直观、全方位地展示北斗RDSS应用验证分析评估结果，可视化内容包括参数配置、对所有监控要素进行可视化、用户使用性能的可视化和异常分析结果的可视化等。

6）所有接收数据和处理结果数据均进行存储。

2 RDSS性能监测评价内容

本文根据北斗三号RDSS应用中的具体功能和性能要求，设计了RDSS性能监测评价相关内容，包括：通信内容监测、接收信号类型、波束数量和波束功率、通信成功率、定位精度及通信时延等。同时，系统软件具备RDSS监测参数配置功能，包括监测起止时间、监测频度和监测内容等。

2.1 通信内容监测

通信内容监测是指将北斗接收机向其他用户发送和接收的所有短报文信息进行存储，供事后进行本地查询，查询方式包括内容查询和地址查询两种。

2.2 接收信号类型

接收信号类型监测用于实时监测北斗接收机收到的RDSS接收信号频点。

北斗三号RDSS可以接收的信号类型包括：S1I、S2C和B2b。

2.3 波束数量和波束功率

RDSS波束数量和波束功率监测用于实时监测当前时刻能够收到的波束数量，并监测每个波束的信号强度，用载噪比表示。北斗接收机能够输出RDSS的每个波束的载噪比，通过对RDSS接收机的设置，可以配置输出载噪比的频度，并通过软件将载噪比传输、存储和显示。

2.4 通信成功率

通信成功率监测用于分析RDSS通信成功的比率。在系统监测实现过程中，将RDSS终端接收电文与RDSS发送电文进行比较，若无误码，则计通信成功一次。采用95%置信度统计和均方根误差（Root Mean Square Error，RMS）两种统计方法对北斗RDSS通信信息进行统计分析，给出北斗RDSS导航系统在实际条件下的通信成功率。

计算方法为在任意时段内发条RDSS服务请求并通过用户终端发送给RDSS卫星，通过接收到的条RDSS服务反馈信息后，便可实时监测到RDSS的通信成功率，如式（1）所示

通信成功率=/Í100% （1）

在用户终端环节，保证通信成功率的指标有信号接收灵敏度、发射有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）和发射信号频率准确度等，在用户终端满足这些指标条件下，可以保证95%的通信成功率。

2.5 定位精度

RDSS定位精度用于监测通过RDSS定位模式下的定位精度。

RDSS定位精度是综合指标，在用户终端环节，保证RDSS定位精度的因素有零值准确度和时差测量值指标，北斗接收机可以满足的RDSS定位精度为：水平≤20 m，高程≤20 m（95%）。采用95%置信度统计和RMS统计两种统计方法对定位精度进行统计，给出实际条件下的北斗RDSS定位精度服务性能。

2.6 通信时延

RDSS通信时延监测用于监测RDSS通信过程中产生的时延。

在系统监测实现过程中，将北斗接收机通过RDSS自收发模式进行测试，北斗接收机接收到自收发信息后测试双向通信之间的时差。如果北斗接收机收到自收发信息的时刻为1，北斗接收机发射该信息的时刻为0，则确定通信时延为

10（2）

采用95%置信度统计和RMS统计两种统计方法对数据采集站北斗RDSS通信信息进行统计分析，给出北斗RDSS导航系统在各数据采集站的通信时延。北斗接收机能够在内部进行RDSS的通信时延的测量，并通过软件将通信时延传输、存储和显示。

3 试验结果与分析验证

按照北斗三号RDSS应用性能实时监测系统的设计方案和评价内容，本文进行了验证测试。

3.1 试验条件

本系统的验证条件是室外对天开阔场地，在车载机动平台上安装了北斗车载双模用户机、应急电池和工控机，并部署了北斗三号RDSS应用性能实时监测系统软件。测试地点位于河南省新乡市，坐标位置为（东经113.930 449 19°，北纬35.325 6°，高程53.4 m），测试时间为2023年3月23日～ 3月30日。

3.2 评估结果

针对RDSS监测验证测试，分别测试了通信内容、接收信号类型、波束数量和功率、通信成功率、定位精度及通信时延。

根据测试结果，对RDSS通信成功率和通信时延等指标进行了统计，如表1所示，表中LF1、LF2、LF3为RDSS信号发射频点。

表1 RDSS通信成功率分析结果

根据测试结果，对RDSS定位精度指标进行了统计，如表2所示。

表2 RDSS定位精度分析结果

通过以上的测试结果数据分析，表明本文设计的北斗三号RDSS应用性能实时监测系统能够应用于实际环境中，实现了对北斗RDSS的实时和事后应用性能分析，并取得了预期的效果。

4 结语

本文提出了一种北斗三号RDSS应用性能实时监测系统，分析了该系统的逻辑架构、物理架构和软件架构，通过系统设计实现了预期的目标，并经过了实际的工程验证和测试，能够在实际环境中实现对北斗三号RDSS性能监测评价相关功能，为RDSS的应用环境监测提供了一种可实现的参考方案。同时，本文对RDSS的所有性能并未做到全部覆盖，可以在后续的工作中进一步完善。

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Real Time Monitoring Method of Beidou-3 RDSS Performance

GUO Siyuan, YU Jin, ZHENG Ruifeng

With the gradual promotion of the application of the Beidou-3 system, the Beidou RDSS function is increasingly widely used in industries such as border defense, meteorology, transportation, aviation, and emergency search and rescue. Therefore, monitoring the performance of Beidou RDSS is an important way to promote the application of Beidou RDSS services. A system implementation method for real-time monitoring of Beidou-3 RDSS performance is designed. The system is built with security, high reliability, and scalability. The system meets the basic support requirements of various functions such as data reception, collection, storage, processing, management and monitoring. The performance evaluation content of RDSS has been designed, including communication content,received signal type, number and power of signals, communication success rate, positioning accuracy, communication delay and other functional indicators. Finally, the feasibility of the scheme is verified by analyzing the test result data through the actual test verification under the natural environment conditions. The proposed solution in this article has the characteristics of strong real-time monitoring, continuous monitoring, timely warning, and remote push of RDSS performance. It can push relevant information to relevant users through the network, enabling users to conveniently and quickly grasp the performance of RDSS, providing guarantee for users' RDSS applications.

RDSS; Beidou-3; Short Message; Performance Monitoring; Communication Success Rate

TN967.1

A

1674-7976-(2023)-05-318-06

2023-08-15。

郭思远（1982.07—），河南郑州人，硕士，工程师，主要研究方向为卫星导航通信技术。