摘  要： 基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能，設計了機動衛(wèi)星通信地球站遠端技術(shù)支援系統(tǒng)。簡要介紹了北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)報文通信功能，闡述了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及其流程，詳細介紹了主要硬件組成和軟件設計。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合設計要求。該設計解決了機動衛(wèi)星通信地球站遠端技術(shù)支援問題，增強了設備可用性和可維護性，提高了任務保障能力。

　　關鍵詞： 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；機動衛(wèi)星通信地球站；遠端技術(shù)支援；串口服務器

0 引言

　　截至2012年11月，我國自主研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共有14顆衛(wèi)星在軌運行，中國絕大部分地區(qū)的北斗可見波束在３個以上，可以無縫覆蓋我國全部國土和周邊海域，標稱覆蓋范圍為東經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°[1]。系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面中心站、用戶終端和標校站組成，具有快速定位、雙向通信和精密授時三大基本功能，已在公路交通、鐵路運輸、海洋作業(yè)、氣象信息等方面得到了廣泛應用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟和社會效益[2]。

　　進入21世紀以來，在社會需求牽引和技術(shù)推動下，衛(wèi)星通信由于具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、通信質(zhì)量高等特有技術(shù)優(yōu)勢，在軍事、經(jīng)濟、政治和文化領域發(fā)揮了重大作用[3]。其中，機動衛(wèi)星通信地球站由于具備機動性強、開通快速等特點，在軍事行動、武器裝備建設、搶險救災中很受用戶青睞，成為了這些領域的主力軍[4]。在衛(wèi)星通信保障任務中，由于從業(yè)人員衛(wèi)星通信理論和設備操作水平參差不齊，加之多數(shù)機動衛(wèi)星通信站保障所在地無其他有效通信手段可以依托，常會發(fā)生衛(wèi)星通信裝備因參數(shù)設置錯誤等軟硬件故障問題導致通信中斷或無法開通業(yè)務的現(xiàn)象。此時，建設一套遠端技術(shù)支援系統(tǒng)就顯得非常必要。本文利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全天候、全地域覆蓋的特點，使用其數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設計了機動衛(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)絡管理、遠端技術(shù)支援和交流通信等功能，具備良好的環(huán)境適應能力。系統(tǒng)的實現(xiàn)提高了衛(wèi)星通信任務的保障能力，為實現(xiàn)遠端技術(shù)支援提出了新方法，具有一定的推廣應用價值。

1 北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)報文通信功能簡介

　　北斗衛(wèi)星的簡短通信功能可以實現(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：在每個用戶終端都有屬于自己的唯一識別碼，用戶終端隨機響應某一時刻經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢問信號，在響應信號和詢問信號的幀結(jié)構(gòu)中都包含通信信息段。當用戶終端需要與其他終端通信時，會將對方地址碼和通信電文隨著響應信號通過衛(wèi)星發(fā)送至地面控制中心；當?shù)孛婵刂浦行氖盏接脩艚K端發(fā)送的響應信號后，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到16.625 kb/s，出站信道可至31.25 kb/s，并且具有多個業(yè)務并發(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，短報文長度支持120個漢字（約240 B）。要保持流暢通信，不發(fā)生丟包現(xiàn)象，報文長度最好控制在100 B以內(nèi)[6]。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　整個系統(tǒng)可分為本地數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和主站遠端技術(shù)支援分系統(tǒng)兩個部分[7]。本地數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)由串口通信服務器、前端數(shù)據(jù)采集服務器和用戶監(jiān)控終端三部分組成，在需要技術(shù)支援時，系統(tǒng)通過北斗衛(wèi)星手持機使用語音或短消息功能向遠端主站發(fā)出技術(shù)支援請求，主站人員根據(jù)請求內(nèi)容，通過遠端技術(shù)支援分系統(tǒng)查詢設備參數(shù)，以進一步確定故障原因并間接指導小站人員或直接遠端控制設備實現(xiàn)故障的排除。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1中，串口通信服務器與具有RS-232、RS-422或RS-485遠端控制接口的衛(wèi)星通信設備相連，完成TCP/IP協(xié)議與標準串行協(xié)議（RS-232/422/485）的相互轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)采集服務器通過以太網(wǎng)實現(xiàn)對各串口通信設備（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)傳設備、圖像編解碼器、畫面分割器和視頻矩陣等設備）的狀態(tài)參數(shù)進行采集，采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中并實時進行更新。監(jiān)控客戶端及遠端技術(shù)支援分系統(tǒng)通過讀取數(shù)據(jù)以實現(xiàn)設備狀態(tài)的查詢。而對設備的控制則由用戶監(jiān)控終端或遠端技術(shù)支援分系統(tǒng)直接通過串口通信服務器發(fā)出控制命令來實現(xiàn)。

3 核心硬件設計

　　3.1 串口通信服務器

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

　　NC916-16M串口通信服務器選用Socket工作模式。在Socket模式下，串口通信服務器作為Socket通信的TCP Server，加電后一直在某個端口監(jiān)聽，運行在主處理機上的應用軟件作為Socket通信的TCP Client，主動與串口通信服務器握手進行TCP/IP的Socket連接，建立連接后，應用軟件按照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)絡通信。

　　3.2 北斗數(shù)據(jù)傳輸設備

　　目前市場上北斗數(shù)據(jù)傳輸設備主要分為兩類：一類是單用戶卡傳輸設備[9]，經(jīng)與北斗業(yè)務中心申請后最大可以在30 s內(nèi)傳輸120個漢字，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備，也稱集群分組傳輸設備[10]，它可以實現(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，同時時間限制基本可忽略不計?？紤]到支援系統(tǒng)使用頻率和設備性價比問題，系統(tǒng)選用北斗集成通信機作為北斗終端收發(fā)數(shù)據(jù)。該集成通信機可容納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。本應用中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要為設備參數(shù)信息，由于整車發(fā)生故障的概率極小，而單臺設備發(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設備即可，即使要查詢多臺設備，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)最多的設備確定。據(jù)統(tǒng)計，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個參數(shù)，查詢應用中每個參數(shù)設定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個參數(shù)，則需要100 B。單張卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有2 B用于報頭，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)牧鲿承裕苍O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 軟件設計

　　4.1 采集服務器軟件

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

　　程序初始化子模塊負責數(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、當前參數(shù)表及告警事件表。

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

　　4.2 用戶監(jiān)控終端

　　監(jiān)控客戶端輪巡讀取數(shù)據(jù)采集服務器數(shù)據(jù)庫中所有通信設備的狀態(tài)參數(shù)，將讀取的狀態(tài)參數(shù)進行分析統(tǒng)計，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。當監(jiān)控客戶端需要對某設備進行控制時，其流程如下（以高功率放大器為例）：

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

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

　?。?）串口服務器收到指令后通過內(nèi)部協(xié)議將網(wǎng)絡數(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)行相應的動作，同時反饋命令到監(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)采集服務器恢復數(shù)據(jù)采集更新數(shù)據(jù)庫。

　　4.3 遠端支援系統(tǒng)軟件

　　遠端支援系統(tǒng)可以看作是本地網(wǎng)管終端的一個復制和延伸。考慮到北斗數(shù)據(jù)終端傳輸速率的限制，在建立數(shù)據(jù)庫時，要設定好清零機制，以保證數(shù)據(jù)的實時有效。同時，因為要分析和判斷所發(fā)生的問題，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性就變得非常重要。為此，設計數(shù)據(jù)傳輸流程如下：遠端用戶根據(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)進行壓縮，然后向遠端接收系統(tǒng)提出發(fā)送請求并等待回復，如果提出3次通信請求均未得到回復，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，則進入數(shù)據(jù)分包程序，將數(shù)據(jù)按100 B進行打包并逐包傳送，傳輸完成后，如果得到補發(fā)續(xù)傳文件命令，則需要重復上面的過程進行補包傳輸；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

　　本文利用北斗導航衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸功能，設計并實現(xiàn)了機動衛(wèi)星通信車的遠端技術(shù)支援系統(tǒng)，改善了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可用性和可維護性，提高了機動車載站的任務保障能力。系統(tǒng)研制成功后，在某型國產(chǎn)KU波段衛(wèi)星通信車上進行了多次模擬測試，能夠滿足設計需求。但因受限于目前多用戶卡北斗數(shù)據(jù)傳輸設備傳輸速率的限制，在技術(shù)支援的時效性上還有待進一步提高。相信隨著北斗導航系統(tǒng)應用規(guī)模的不斷擴大，傳輸速率更高、性價比更好的多用戶卡數(shù)據(jù)傳輸設備將會大量涌現(xiàn)，系統(tǒng)在采用這樣的設備后，時效性將會得到極大提高。

參考文獻

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

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

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

　　[4] 郭慶，王振永，顧學邁.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)在遠距離通信保障任務中的應用[J].四川兵工學報，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，王遠飛.北斗RDSS在海洋工程數(shù)據(jù)傳輸中的應用[J].華東師范大學學報（自然科學版），2014（4）：173－179.

　　[10] 胡穩(wěn)才，黃麗卿，張杏谷，等.北斗終端數(shù)據(jù)處理與應用[J].集美大學學報（自然科學版），2009，14（3）：24-27．