張維杰，陳　歡，羅　靜

基于北斗衛(wèi)星的機(jī)動衛(wèi)星通信地球站遠(yuǎn)端技術(shù)支援系統(tǒng)研究

張維杰，陳歡，羅靜

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南洛陽471000）

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。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；機(jī)動衛(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)和社會效益［2］。

進(jìn)入21世紀(jì)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(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)動衛(wèi)星通信地球站由于具備機(jī)動性強(qiáng)、開通快速等特點(diǎn)，在軍事行動、武器裝備建設(shè)、搶險救災(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，常會發(fā)生衛(wèi)星通信裝備因參數(shù)設(shè)置錯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，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)用價值。

1　北斗導(dǎo)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(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，會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?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，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　系統(tǒng)組成圖

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IPBased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，同時時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設(shè)備即可，即使要查詢多臺設(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個參數(shù)，查詢應(yīng)用中每個參數(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?，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)時查詢和采集，并及時獲取設(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。

圖2　監(jiān)控軟件流程圖

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，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；

（3）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；

（4）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，要設(shè)定好清零機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時有效。同時，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。

圖3　數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖

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、性價比更好的多用戶卡數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將會大量涌現(xiàn)，系統(tǒng)在采用這樣的設(shè)備后，時效性將會得到極大提高。

［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，2013（12）：8-9.

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［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.

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Study on remote techno logy supporting system of movable satellite communication earth station based on BeiDou navigation system

Zhang Weijie，Chen Huan，Luo Jing
（Luoyang Electronic Equipment Test Center of China，Luoyang 471000，China）

Based on data transmission function of BeiDou satellite navigation system，a remote technology supporting system of movable satellite communication earth station is designed.Message communication function of BeiDou satellite navigation system is introduced briefly，the overall structure and the information flow of the system are interpreted，and main hardware components and software design are elaborated.The test results indicate that the system meets the design requirements.The design solves remote technology supporting problem，enhances the usability and maintainability of the equipment，and improves the tasks ensuring capability.

BeiDou satellite navigation system；movable satellite communication earth station；remote technology supporting；serial server

TN927+.21

A

1674-7720（2015）04-0058-03

（2014-10-27）

張維杰（1974-），通信作者，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信總體技術(shù)，衛(wèi)星通信。E-mail：zwjcmz@163.com。

陳歡（1986-），女，碩士，助理工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

羅靜（1979-），女，碩士，工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。