摘  要： 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能，設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信地球站遠(yuǎn)端技術(shù)支援系統(tǒng)。簡要介紹了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)報(bào)文通信功能，闡述了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及其流程，詳細(xì)介紹了主要硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)解決了機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信地球站遠(yuǎn)端技術(shù)支援問題，增強(qiáng)了設(shè)備可用性和可維護(hù)性，提高了任務(wù)保障能力。

　　關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信地球站；遠(yuǎn)端技術(shù)支援；串口服務(wù)器

0 引言

　　截至2012年11月，我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共有14顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，中國絕大部分地區(qū)的北斗可見波束在３個(gè)以上，可以無縫覆蓋我國全部國土和周邊海域，標(biāo)稱覆蓋范圍為東經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°[1]。系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面中心站、用戶終端和標(biāo)校站組成，具有快速定位、雙向通信和精密授時(shí)三大基本功能，已在公路交通、鐵路運(yùn)輸、海洋作業(yè)、氣象信息等方面得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，在社會(huì)需求牽引和技術(shù)推動(dòng)下，衛(wèi)星通信由于具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量高等特有技術(shù)優(yōu)勢，在軍事、經(jīng)濟(jì)、政治和文化領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用[3]。其中，機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信地球站由于具備機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、開通快速等特點(diǎn)，在軍事行動(dòng)、武器裝備建設(shè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)中很受用戶青睞，成為了這些領(lǐng)域的主力軍[4]。在衛(wèi)星通信保障任務(wù)中，由于從業(yè)人員衛(wèi)星通信理論和設(shè)備操作水平參差不齊，加之多數(shù)機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信站保障所在地?zé)o其他有效通信手段可以依托，常會(huì)發(fā)生衛(wèi)星通信裝備因參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤等軟硬件故障問題導(dǎo)致通信中斷或無法開通業(yè)務(wù)的現(xiàn)象。此時(shí)，建設(shè)一套遠(yuǎn)端技術(shù)支援系統(tǒng)就顯得非常必要。本文利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全天候、全地域覆蓋的特點(diǎn)，使用其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信地球站技術(shù)支援系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有本端網(wǎng)絡(luò)管理、遠(yuǎn)端技術(shù)支援和交流通信等功能，具備良好的環(huán)境適應(yīng)能力。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提高了衛(wèi)星通信任務(wù)的保障能力，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端技術(shù)支援提出了新方法，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)報(bào)文通信功能簡介

　　北斗衛(wèi)星的簡短通信功能可以實(shí)現(xiàn)用戶與地面控制中心、用戶與用戶之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸[5]。使用北斗衛(wèi)星的簡短通信過程如下：在每個(gè)用戶終端都有屬于自己的唯一識別碼，用戶終端隨機(jī)響應(yīng)某一時(shí)刻經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢問信號，在響應(yīng)信號和詢問信號的幀結(jié)構(gòu)中都包含通信信息段。當(dāng)用戶終端需要與其他終端通信時(shí)，會(huì)將對方地址碼和通信電文隨著響應(yīng)信號通過衛(wèi)星發(fā)送至地面控制中心；當(dāng)?shù)孛婵刂浦行氖盏接脩艚K端發(fā)送的響應(yīng)信號后，通過譯碼找出目的終端地址和通信電文，然后將通信電文加載到目的用戶終端可以識別的通信碼信息中，再隨著詢問信號一同發(fā)射出去。這樣，對應(yīng)的用戶終端就可以得到用戶發(fā)送的通信信息，而非目的終端則解不出通信段內(nèi)容。

　　用戶終端通信工作在L/S波段，入站傳輸速率最高可以達(dá)到16.625 kb/s，出站信道可至31.25 kb/s，并且具有多個(gè)業(yè)務(wù)并發(fā)執(zhí)行的能力，可以在3 s內(nèi)將用戶（監(jiān)測站）的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶數(shù)據(jù)中心站。目前北斗衛(wèi)星單民用IC卡的最快通信頻率為每30 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接收頻率上無限制，短報(bào)文長度支持120個(gè)漢字（約240 B）。要保持流暢通信，不發(fā)生丟包現(xiàn)象，報(bào)文長度最好控制在100 B以內(nèi)[6]。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)可分為本地?cái)?shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和主站遠(yuǎn)端技術(shù)支援分系統(tǒng)兩個(gè)部分[7]。本地?cái)?shù)據(jù)采集分系統(tǒng)由串口通信服務(wù)器、前端數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和用戶監(jiān)控終端三部分組成，在需要技術(shù)支援時(shí)，系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星手持機(jī)使用語音或短消息功能向遠(yuǎn)端主站發(fā)出技術(shù)支援請求，主站人員根據(jù)請求內(nèi)容，通過遠(yuǎn)端技術(shù)支援分系統(tǒng)查詢設(shè)備參數(shù)，以進(jìn)一步確定故障原因并間接指導(dǎo)小站人員或直接遠(yuǎn)端控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障的排除。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1中，串口通信服務(wù)器與具有RS-232、RS-422或RS-485遠(yuǎn)端控制接口的衛(wèi)星通信設(shè)備相連，完成TCP/IP協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議（RS-232/422/485）的相互轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對各串口通信設(shè)備（包括高功放、上下變頻器、低噪放大器、天線控制單元、中頻單元、各類調(diào)制解調(diào)器、數(shù)傳設(shè)備、圖像編解碼器、畫面分割器和視頻矩陣等設(shè)備）的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中并實(shí)時(shí)進(jìn)行更新。監(jiān)控客戶端及遠(yuǎn)端技術(shù)支援分系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的查詢。而對設(shè)備的控制則由用戶監(jiān)控終端或遠(yuǎn)端技術(shù)支援分系統(tǒng)直接通過串口通信服務(wù)器發(fā)出控制命令來實(shí)現(xiàn)。

3 核心硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 串口通信服務(wù)器

　　考慮到車載站設(shè)備小型化、工作穩(wěn)定等要求，系統(tǒng)使用的串口服務(wù)器選用北京康海公司NC916－16M串口通信服務(wù)器，該型串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器為16端口RS-232/422/485三合一智能型串口通信服務(wù)器，通過軟件選擇串口類型，是連接RS-232/422/485串口設(shè)備的IP-Based網(wǎng)絡(luò)的理想選擇[8]。

　　NC916-16M串口通信服務(wù)器選用Socket工作模式。在Socket模式下，串口通信服務(wù)器作為Socket通信的TCP Server，加電后一直在某個(gè)端口監(jiān)聽，運(yùn)行在主處理機(jī)上的應(yīng)用軟件作為Socket通信的TCP Client，主動(dòng)與串口通信服務(wù)器握手進(jìn)行TCP/IP的Socket連接，建立連接后，應(yīng)用軟件按照Socket包的形式來發(fā)送各種控制命令，控制命令的內(nèi)容和格式與串口通信相同，只是通信載體由串口通信變成網(wǎng)絡(luò)通信。

　　3.2 北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

　　目前市場上北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要分為兩類：一類是單用戶卡傳輸設(shè)備[9]，經(jīng)與北斗業(yè)務(wù)中心申請后最大可以在30 s內(nèi)傳輸120個(gè)漢字，所有北斗生產(chǎn)商都有這樣的產(chǎn)品推出；另一類是多用戶卡傳輸設(shè)備，也稱集群分組傳輸設(shè)備[10]，它可以實(shí)現(xiàn)不間斷傳輸用戶數(shù)據(jù)，隨著用戶卡數(shù)量的增加，其傳輸速率也不斷提高，同時(shí)時(shí)間限制基本可忽略不計(jì)?？紤]到支援系統(tǒng)使用頻率和設(shè)備性價(jià)比問題，系統(tǒng)選用北斗集成通信機(jī)作為北斗終端收發(fā)數(shù)據(jù)。該集成通信機(jī)可容納20張北斗SIM卡，單張卡的數(shù)據(jù)傳輸能力為78.5 B/min，即628 bit/min。本應(yīng)用中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為設(shè)備參數(shù)信息，由于整車發(fā)生故障的概率極小，而單臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障的概率極大，往往在技術(shù)支援中僅需查詢和控制一臺(tái)設(shè)備即可，即使要查詢多臺(tái)設(shè)備，也可采用逐步深入、漸次查詢的方式，故每次數(shù)據(jù)傳輸量最大值由參數(shù)最多的設(shè)備確定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，需要傳輸數(shù)據(jù)最多的是衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器，共需傳輸60個(gè)參數(shù)，查詢應(yīng)用中每個(gè)參數(shù)設(shè)定2 B用于表示名稱，8 B用于表示參數(shù)值，那么共需傳輸60×10＝600 B。而控制數(shù)據(jù)假定為10個(gè)參數(shù)，則需要100 B。單張卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有2 B用于報(bào)頭，那么單張卡可以使用76.5 B用于數(shù)據(jù)傳輸，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承?，共設(shè)定10張卡用于查詢數(shù)據(jù)傳輸，而使用2張卡用于控制數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 采集服務(wù)器軟件

　　數(shù)據(jù)采集服務(wù)器軟件是集中監(jiān)控系統(tǒng)的核心，完成與被監(jiān)控設(shè)備和客戶端的通信，實(shí)現(xiàn)所管車載設(shè)備工作狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)和設(shè)備配置信息的實(shí)時(shí)查詢和采集，并及時(shí)獲取設(shè)備告警信息，通過對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，將重要參數(shù)值和告警信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；通過與客戶端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)庫授權(quán)和設(shè)備采集功能的開放與關(guān)閉。軟件流程如圖2所示。

　　程序初始化子模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集程序的初始化工作，根據(jù)數(shù)據(jù)源配置文件讀寫數(shù)據(jù)庫；初始化系統(tǒng)變量；讀取監(jiān)控設(shè)備類型配置表，獲得系統(tǒng)配置信息，如被管車載站名編碼、監(jiān)控客戶端數(shù)量、監(jiān)控客戶端IP地址等；根據(jù)系統(tǒng)配置信息檢索數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建歷史參數(shù)表、當(dāng)前參數(shù)表及告警事件表。

　　考慮到衛(wèi)星通信設(shè)備大同小異，為方便軟件后續(xù)滿足多個(gè)衛(wèi)星通信車載站監(jiān)控要求，便于軟件擴(kuò)展和調(diào)整，將所有設(shè)備按照設(shè)備類型設(shè)計(jì)成獨(dú)立的采集線程模塊。每個(gè)車載站根據(jù)配置設(shè)備類型調(diào)用相應(yīng)的采集模塊即可完成該站所有設(shè)備的采集功能，從而提高軟件的擴(kuò)展性。

　　4.2 用戶監(jiān)控終端

　　監(jiān)控客戶端輪巡讀取數(shù)據(jù)采集服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中所有通信設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，將讀取的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，以流程圖、LED狀態(tài)指示圖或參數(shù)列表的形式顯示在屏幕上。當(dāng)監(jiān)控客戶端需要對某設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，其流程如下（以高功率放大器為例）：

　　（1）監(jiān)控客戶端采用Socket模式通知數(shù)據(jù)采集服務(wù)器暫停數(shù)據(jù)采集；

　　（2）監(jiān)控客戶端通過IP地址鎖定串口服務(wù)器，建立TCP/IP連接，監(jiān)控客戶端采用Socket模式將控制命令發(fā)送到串口服務(wù)器；

　?。?）串口服務(wù)器收到指令后通過內(nèi)部協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口的數(shù)據(jù)指令送給高功放，高功放接收到指令后按照要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)反饋命令到監(jiān)控客戶端，表示收到指令并已執(zhí)行；

　?。?）監(jiān)控客戶端采用Socket模式通知數(shù)據(jù)采集服務(wù)器恢復(fù)數(shù)據(jù)采集更新數(shù)據(jù)庫。

　　4.3 遠(yuǎn)端支援系統(tǒng)軟件

　　遠(yuǎn)端支援系統(tǒng)可以看作是本地網(wǎng)管終端的一個(gè)復(fù)制和延伸?？紤]到北斗數(shù)據(jù)終端傳輸速率的限制，在建立數(shù)據(jù)庫時(shí)，要設(shè)定好清零機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效。同時(shí)，因?yàn)橐治龊团袛嗨l(fā)生的問題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性就變得非常重要。為此，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸流程如下：遠(yuǎn)端用戶根據(jù)故障情況可以選擇要傳遞的數(shù)據(jù)，為節(jié)省有限帶寬，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)先將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后向遠(yuǎn)端接收系統(tǒng)提出發(fā)送請求并等待回復(fù)，如果提出3次通信請求均未得到回復(fù)，則轉(zhuǎn)入提醒子程序，提示檢查數(shù)據(jù)連接情況并退出發(fā)送流程；若得到肯定答復(fù)，則進(jìn)入數(shù)據(jù)分包程序，將數(shù)據(jù)按100 B進(jìn)行打包并逐包傳送，傳輸完成后，如果得到補(bǔ)發(fā)續(xù)傳文件命令，則需要重復(fù)上面的過程進(jìn)行補(bǔ)包傳輸；若無，則提出結(jié)束文件傳輸請求，得到結(jié)束文件傳輸命令后則退出發(fā)送進(jìn)程。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖3所示。

5 結(jié)論

　　本文利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸功能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)衛(wèi)星通信車的遠(yuǎn)端技術(shù)支援系統(tǒng)，改善了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性，提高了機(jī)動(dòng)車載站的任務(wù)保障能力。系統(tǒng)研制成功后，在某型國產(chǎn)KU波段衛(wèi)星通信車上進(jìn)行了多次模擬測試，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。但因受限于目前多用戶卡北斗數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸速率的限制，在技術(shù)支援的時(shí)效性上還有待進(jìn)一步提高。相信隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳輸速率更高、性價(jià)比更好的多用戶卡數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將會(huì)大量涌現(xiàn)，系統(tǒng)在采用這樣的設(shè)備后，時(shí)效性將會(huì)得到極大提高。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告[J].國際太空，2014（4）：10-14.

　　[2] 冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃的實(shí)施[J].數(shù)字通信世界，2011（6）：17-19.

　　[3] 本書編寫組.衛(wèi)星通信設(shè)備操作維護(hù)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

　　[4] 郭慶，王振永，顧學(xué)邁.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

　　[5] 王煙青，袁仕繼，張英杰，等.北斗系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離通信保障任務(wù)中的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2013（12）：8-9.

　　[6] 金金，張文飛，周婷.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)集抄數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].青海電力，2013，32（4）：65-66.

　　[7] 張維杰，薛利.基于Web的集中式通信設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（18）：64-67.

　　[8] 康海時(shí)代公司.NC900安裝手冊[EB/OL].（2011-11-19）[2014-10-01].http：//www.khtimes.net.cn/a/fuwuyuzhichi/chanpinjishushouce/20121 119/111.html.

　　[9] 何嗣隆，葉方舟，王遠(yuǎn)飛.北斗RDSS在海洋工程數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（4）：173－179.

　　[10] 胡穩(wěn)才，黃麗卿，張杏谷，等.北斗終端數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，14（3）：24-27．