● 文| 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王淑煒 汪文明 黃晨 易航

基于北斗短報(bào)文通信的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)研究

● 文| 北京宇航系統(tǒng)工程研究所 王淑煒 汪文明 黃晨 易航

摘 要：在工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、應(yīng)急救災(zāi)等行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，需要進(jìn)行大量的信息監(jiān)控工作。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)放運(yùn)行，基于北斗的定位、授時(shí)以及短報(bào)文通信方式得到了極大的推廣和應(yīng)用。本文針對(duì)工作環(huán)境差、測(cè)試工位分散等長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、無(wú)人值守情況下的監(jiān)控工作需求，對(duì)基于北斗短報(bào)文通信方式的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)在航空航海運(yùn)輸、地理地質(zhì)勘探、危機(jī)救災(zāi)搶險(xiǎn)以及高精度地理信息測(cè)繪、高精度相對(duì)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面都有著巨大的應(yīng)用需求和良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 短報(bào)文 移動(dòng)測(cè)量監(jiān)控

一、引言

在工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、應(yīng)急救災(zāi)等行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，需要進(jìn)行大量的信息監(jiān)控工作。這些信息的測(cè)量和監(jiān)控工作需要大量人員長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，常常遇到工作環(huán)境差、測(cè)試工位分散等情況，而且會(huì)造成操作人員疲勞度較高，工作效率較低等問(wèn)題。此外，僅僅依靠人員的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，容易引起人為因素的數(shù)據(jù)漏判，造成嚴(yán)重后果。

2012年12月，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)放運(yùn)行，開(kāi)始為我國(guó)及周邊區(qū)域全天候全天時(shí)提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)。作為我國(guó)自主研制建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家重大空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重要技術(shù)支撐和戰(zhàn)略威懾基礎(chǔ)資源，也是建設(shè)和諧社會(huì)、服務(wù)人民大眾、提升生活質(zhì)量的重要工具。

基于北斗短報(bào)文通信方式的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)完成前方多處復(fù)雜環(huán)境下信息采集，由信息收發(fā)終端完成信息融合壓縮和淺層挖掘，通過(guò)北斗系統(tǒng)發(fā)送至后方指揮中心或手持移動(dòng)終端，完成信息可視化顯示、深層挖掘與遠(yuǎn)程操控等功能，從而降低長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、無(wú)人值守情況下的參數(shù)監(jiān)測(cè)工作的成本，提高測(cè)量監(jiān)控水平和效率。

二、系統(tǒng)功能及組成

基于北斗短報(bào)文通信方式的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)完成前方多處復(fù)雜環(huán)境下信息采集，由信息收發(fā)終端完成信息融合壓縮和淺層挖掘，通過(guò)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送至后方指揮中心或手持移動(dòng)終端，完成信息可視化顯示、深層挖掘與遠(yuǎn)程操控等功能系統(tǒng)由前方信息收集和后方信息應(yīng)用兩部分組成。前方信息收集部分由有線/無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息收發(fā)終端組成；后方信息應(yīng)用部分由指揮中心平臺(tái)、手持接收終端以及后端監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)成，系統(tǒng)內(nèi)各部分組成可依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制增減。系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

基于北斗短報(bào)文通信方式的移動(dòng)測(cè)量監(jiān)控設(shè)備原本應(yīng)用在運(yùn)載火箭的靶場(chǎng)使用維護(hù)、長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證測(cè)試等應(yīng)用場(chǎng)合，用于解決由于工作環(huán)境差、測(cè)試工位分散、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等情況，引起的研制鋪設(shè)成本高、操作人員人身安全、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)漏判等一系列問(wèn)題。在民用工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、應(yīng)急救災(zāi)等行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，同樣需要進(jìn)行大量的信息監(jiān)控工作，特別是偏遠(yuǎn)臨時(shí)地區(qū)應(yīng)用，以解決長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、無(wú)人值守情況下的參數(shù)監(jiān)測(cè)工作。北斗移動(dòng)測(cè)量監(jiān)控設(shè)備相較于其他遠(yuǎn)距離通信設(shè)備，例如有線傳輸、GPRS/3G傳輸設(shè)備，具有傳輸距離無(wú)限制、支持地域范圍廣、信道穩(wěn)定且可靠、使用保障高安全、通信內(nèi)容高保密的一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用也存在一定局限性：前方處理能力限制、傳輸頻率限制、單次傳輸數(shù)據(jù)容量限制。系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖2所示。

圖2 基于北斗短報(bào)文的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

為有效降低系統(tǒng)應(yīng)用限制所帶來(lái)的影響，該移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)適應(yīng)環(huán)境測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)散布并自主配置，以有效降低北斗通信受應(yīng)用環(huán)境周邊布局遮擋等影響因素；利用分布式數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理所采集的海量信息，以同時(shí)滿足前方嵌入式信息收發(fā)終端處理器能力限制和北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信帶寬能力限制；利用高可靠環(huán)境適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜工作環(huán)境下完成貯存、工作、待機(jī)等實(shí)際需求。

三、關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1. 傳感器網(wǎng)絡(luò)

隨著測(cè)量監(jiān)控的范圍和要求的提高，單一化的傳感器信息獲取方式已不能滿足復(fù)雜環(huán)境和分散測(cè)點(diǎn)的環(huán)境需求。傳感器網(wǎng)絡(luò)，就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的被隨機(jī)或特定地部署的幾十到上萬(wàn)個(gè)具有數(shù)據(jù)采集、通信和協(xié)同合作能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，可以協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息。傳感器能夠測(cè)量環(huán)境中的溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)狀況等信息；通過(guò)開(kāi)放頻段無(wú)線通信方式，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，將傳感器數(shù)據(jù)匯總發(fā)送到信息發(fā)送終端；也可通過(guò)CAN總線有線通信方式，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種集成化、微型化、智能化、系統(tǒng)化的信息獲取方式，不僅可以降低成本、縮小體積，還便于隨機(jī)布設(shè)和自主配置，可以很好的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下多測(cè)點(diǎn)的測(cè)量監(jiān)控需求。

圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

2. 信息收發(fā)終端設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

信息收發(fā)終端對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的測(cè)量信息進(jìn)行匯總和預(yù)處理，并將預(yù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)以自定義幀格式發(fā)送到指揮中心、手持移動(dòng)終端或者后端監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過(guò)智能判斷與預(yù)挖掘，有效壓縮數(shù)據(jù)包絡(luò)，緩解北斗通信數(shù)據(jù)收發(fā)壓力。除此之外，信息收發(fā)終端還具有節(jié)能輪休、參數(shù)配置、無(wú)線通信、CAN總線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及故障診斷功能。

信息收發(fā)終端包含電源供配單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制電路單元、射頻傳輸單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元五部分。電源供配單元為收發(fā)終端供電，并具體實(shí)現(xiàn)節(jié)能輪休功能。數(shù)據(jù)采集單元接收傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行預(yù)處理和淺層挖掘?？刂齐娐穯卧饕?fù)責(zé)處理傳輸內(nèi)容編解碼、外圍接口邏輯控制、數(shù)據(jù)預(yù)挖掘、休眠及喚醒控制、定時(shí)發(fā)送以及修改配置參數(shù)等功能。射頻收發(fā)單元，即北斗收發(fā)電路單元，負(fù)責(zé)結(jié)果數(shù)據(jù)的前后端傳遞和交互。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元具備存儲(chǔ)功能，將采集和收發(fā)數(shù)據(jù)保存在本機(jī)，供數(shù)據(jù)融合處理，并可隨時(shí)查看與核對(duì)。

信息收發(fā)終端有正常工作和參數(shù)配置兩種工作模式，通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行工作模式切換。支持遠(yuǎn)程參數(shù)修訂與參數(shù)配置。

3. 分布式數(shù)據(jù)挖掘

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用，遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控的測(cè)試數(shù)據(jù)成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，大量的測(cè)試數(shù)據(jù)不僅給數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)了巨大壓力，也給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析帶來(lái)了一定的困難。數(shù)據(jù)挖掘可以從海量數(shù)據(jù)中，使用自動(dòng)或半自動(dòng)的方式把隱藏在數(shù)據(jù)中的有用信息發(fā)掘出來(lái)。數(shù)據(jù)挖掘分為離線挖掘和在線挖掘兩大塊，前者用于從海量的歷史數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確的挖掘出某些知識(shí)或特征，例如包絡(luò)域和關(guān)聯(lián)參數(shù)；后者提供從較小的數(shù)據(jù)集中實(shí)時(shí)的進(jìn)行比較簡(jiǎn)單的挖掘。

利用分布式的信息收發(fā)終端，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)挖掘，并把有效信息發(fā)送至后端指揮中心和監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可以提高信息傳輸效率；在后端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)北斗子節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，有助于監(jiān)測(cè)人員掌握監(jiān)控物理量變化趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)發(fā)展有所預(yù)測(cè)，并對(duì)之前的異常情況做出判斷和分析。

圖4 北斗移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境

四、市場(chǎng)應(yīng)用前景

基于短報(bào)文通信方式的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)是典型的北斗通信技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品，該系統(tǒng)可以滿足軍用和民用眾多領(lǐng)域?qū)τ陂L(zhǎng)時(shí)間、跨地域、無(wú)人值守的應(yīng)用需求，擁有良好的應(yīng)用前景。

在軍工任務(wù)研制時(shí)，發(fā)射場(chǎng)射前值守、產(chǎn)品鐵路或海路長(zhǎng)途運(yùn)輸、長(zhǎng)時(shí)間模擬考核驗(yàn)證等場(chǎng)合均需要對(duì)環(huán)境及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控分析，北斗移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)具有降低研制成本、節(jié)約人力資源、確保信息安全等多方面優(yōu)點(diǎn)，目前在役的長(zhǎng)征二號(hào)火箭、長(zhǎng)征三號(hào)火箭，以及在研的新一代運(yùn)載火箭均對(duì)本產(chǎn)品提出了實(shí)際應(yīng)用要求。目前該產(chǎn)品已在某單位高壓氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在增壓輸送實(shí)驗(yàn)室中的壓力容器表面，進(jìn)行溫度、濕度以及壓力的測(cè)試，并通過(guò)信息收發(fā)終端，將采集信息發(fā)往后方移動(dòng)手持終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用安裝情況如圖4所示。該產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)保護(hù)要點(diǎn)均以通過(guò)知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理部門授理認(rèn)可。

在民用工業(yè)領(lǐng)域中，該系統(tǒng)適用于信息交互和指令下達(dá)受通信基站有效覆蓋范圍限制的工況?？捎糜诤娇蘸胶＿\(yùn)輸中飛機(jī)輪船、特殊物品搬運(yùn)中的位置以及狀態(tài)監(jiān)控，地理地質(zhì)勘探中關(guān)鍵位置點(diǎn)動(dòng)態(tài)信息的遠(yuǎn)程觀測(cè)，危急救災(zāi)搶險(xiǎn)中的惡劣環(huán)境進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、傷病員位置狀態(tài)標(biāo)記、并協(xié)助救援人員對(duì)不易進(jìn)入的災(zāi)區(qū)進(jìn)行必要的信息采集工作。除此之外，在高精度地理信息測(cè)繪、高精度相對(duì)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面都具有強(qiáng)烈應(yīng)用需求和良好應(yīng)用前景。

五、總結(jié)

基于北斗短報(bào)文通信方式的移動(dòng)信息監(jiān)控系統(tǒng)可以解決長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、無(wú)人值守情況下的設(shè)備參數(shù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，短報(bào)文通信技術(shù)與多傳感器數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘提取等技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)空間信息技術(shù)創(chuàng)新，拓展了北斗衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)不斷創(chuàng)新轉(zhuǎn)化，以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品項(xiàng)目孵化工作的不斷推進(jìn)優(yōu)化，提升專業(yè)技術(shù)實(shí)力、縮短研制周期成本，不斷創(chuàng)造市場(chǎng)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)技術(shù)實(shí)力轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新成果落地、并拓展市場(chǎng)渠道。

中國(guó)航天將堅(jiān)定軍民融合發(fā)展方向，做好頂層規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)北斗產(chǎn)業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，通過(guò)統(tǒng)一的產(chǎn)品接口標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用規(guī)范，大力推進(jìn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)品化工作，提高信息對(duì)抗能力。堅(jiān)持自主可控，堅(jiān)持軍民融合，促進(jìn)北斗工程產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。加快推進(jìn)北斗應(yīng)用，充分挖掘北斗的應(yīng)用潛能，著力培養(yǎng)北斗應(yīng)用人才，不斷加快北斗產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]干國(guó)強(qiáng)，邱致和.導(dǎo)航與定位：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的北斗星[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[2]羅思明.伽利略(Galileo)系統(tǒng)——?dú)W洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)計(jì)劃進(jìn)展[A].中國(guó)航海學(xué)會(huì)航標(biāo)專業(yè)委員會(huì)無(wú)線電導(dǎo)航學(xué)組“2003年會(huì)”論文集[C],2003.

[3]吳秋蘭,梁勇,張承明,葛平俱.基于GPRS的無(wú)線水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33（2）:280-282.

[4]成方林,馮林強(qiáng),張翼飛.“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋水文、氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2004 （9）:70-73.

[5]呂海寰,蔡劍銘,甘仲民.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京,人民郵電出版社,1988.

[6]徐芝蘭等.CMOS集成電路低功耗設(shè)計(jì)方法[J].微電子學(xué),2004,34(3):223-226.

[7]程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程（第二版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.