曹菁菁，方 芳，戴 勝

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，南京 210014）

北斗定位導(dǎo)航技術(shù)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中的應(yīng)用研究

曹菁菁，方 芳，戴 勝

（南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司，南京 210014）

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)具有授時(shí)、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信服務(wù)功能，本文研究利用北斗系統(tǒng)擴(kuò)展寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的管理要素，建立了網(wǎng)絡(luò)離線式管理機(jī)制，為健全體系化的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理提供了手段和方法。

北斗導(dǎo)航；衛(wèi)星通信；網(wǎng)絡(luò)管理

1 引言

衛(wèi)星通信的開(kāi)放式信道非常脆弱，極易受到外界干擾和欺騙從而導(dǎo)致通信中斷。目前的抗干擾技術(shù)和手段主要應(yīng)用于軍事對(duì)抗和固定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，大部分民用衛(wèi)星通信網(wǎng)不具備可靠的抗擾和自愈技術(shù)，一旦受到信道干擾遠(yuǎn)端站點(diǎn)即刻失聯(lián)，整體網(wǎng)絡(luò)健壯性不足。本文研究利用北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、授時(shí)及短報(bào)文通信等功能，擴(kuò)展寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的管理要素，討論建立衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)離線式管理機(jī)制，從而構(gòu)建一套體系健全的新型衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。

2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理

2.1 概述

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理是通過(guò)規(guī)劃、配置、監(jiān)視、分析、擴(kuò)充和控制衛(wèi)星通信系統(tǒng)來(lái)保證通信服務(wù)的有效實(shí)現(xiàn)。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)控制所在的衛(wèi)星通信網(wǎng)使其具有最高的通信效率和生產(chǎn)力。網(wǎng)管系統(tǒng)的重點(diǎn)任務(wù)即：采集網(wǎng)中各站點(diǎn)設(shè)備及系統(tǒng)的通信參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息；處理采集到的各類信息數(shù)據(jù)，并以可視化的、友好的人機(jī)界面呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)管理人員；接收網(wǎng)管人員的指令或根據(jù)上述信息處理結(jié)果向網(wǎng)管代理或直接向通信設(shè)備發(fā)出控制指令，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制功能，同時(shí)監(jiān)視指令執(zhí)行結(jié)果；保障管理范圍內(nèi)的系統(tǒng)和設(shè)備按照要求運(yùn)行。

2.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理功能域

根據(jù)ISO定義的內(nèi)容，一般網(wǎng)絡(luò)管理的五個(gè)基本功能FCAPS[1]：故障（Fault）管理、配置（Configuration）管理、計(jì)費(fèi)（Account）管理、性能（Performance）管理、安全（Security）管理。

2.2.1 故障管理

故障管理是對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的通信問(wèn)題或故障進(jìn)行定位的過(guò)程，包含三個(gè)步驟：發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；分離問(wèn)題，找出故障原因；如有可能修復(fù)問(wèn)題。故障管理的最主要作用是：通過(guò)提供網(wǎng)管人員快速檢查問(wèn)題并啟動(dòng)恢復(fù)過(guò)程的工具，使得網(wǎng)絡(luò)可靠性得到增強(qiáng)。

2.2.2 配置管理

配置管理功能允許網(wǎng)管人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)組件以及OSI模型的各層實(shí)體進(jìn)行配置和控制。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中，網(wǎng)管人員通過(guò)對(duì)通信參數(shù)的適當(dāng)配置，減輕網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)擁塞、遠(yuǎn)程遙弊故障/非法站點(diǎn)或滿足其他業(yè)務(wù)通信需求。配置管理的實(shí)現(xiàn)包括：采集和傳送網(wǎng)內(nèi)通信資源占用狀態(tài)、各站本地發(fā)生的或因不可預(yù)計(jì)事件引發(fā)的變化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議告知管理工具，設(shè)置并修改與網(wǎng)絡(luò)組件和OSI各層軟件有關(guān)的參數(shù)，啟動(dòng)和關(guān)閉管理對(duì)象等。

2.2.3 計(jì)費(fèi)管理

計(jì)費(fèi)管理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的有償使用和維護(hù)建設(shè)。包括：通信時(shí)間報(bào)告及用戶賬單，允許對(duì)被管資源的使用設(shè)置計(jì)費(fèi)限制，可實(shí)現(xiàn)各種費(fèi)用的綜合。計(jì)費(fèi)管理還有一附帶作用——增加網(wǎng)絡(luò)管理人員對(duì)用戶使用資源情況的掌握，有助于創(chuàng)建一個(gè)更具實(shí)用性和生產(chǎn)力的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4 性能管理

性能管理的目的是保證在使用最少通信資源和具有最小的傳輸時(shí)延的前提下，網(wǎng)絡(luò)仍能提供連續(xù)、可靠的通信，并使信道資源利用率達(dá)到最優(yōu)值。性能管理的具體內(nèi)容包括：從被管對(duì)象收集與網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)的數(shù)據(jù)，分析和統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)；建立性能分析模型；預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能的長(zhǎng)期趨勢(shì)，并根據(jù)分析預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ排渲眠M(jìn)行調(diào)整，逐步達(dá)到最優(yōu)。

2.2.5 安全管理

安全管理是控制衛(wèi)星通信網(wǎng)中的站點(diǎn)通信過(guò)程和數(shù)據(jù)訪問(wèn)過(guò)程。包括：授權(quán)訪問(wèn)控制、加密及密鑰管理、身份認(rèn)證、安全日志記錄等。

2.3 管理模型

一般典型的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要包括管理者、被管理者（網(wǎng)管代理）、管理信息庫(kù)和管理協(xié)議4大要素，而在大部分衛(wèi)星通信網(wǎng)中也沿用了這一模型，如圖1所示。

管理者完成相應(yīng)的管理工作，通常為一臺(tái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（管理進(jìn)程）的普通服務(wù)器或計(jì)算機(jī)，通常稱為網(wǎng)管服務(wù)器或網(wǎng)管工作站。管理者可自動(dòng)或按定義的頻率輪詢被管設(shè)備相關(guān)參數(shù)信息，或向其發(fā)送管理指令以達(dá)到監(jiān)控目的。

被管理者可為通信相關(guān)的任何設(shè)備或網(wǎng)管代理設(shè)備，響應(yīng)數(shù)據(jù)采集輪詢并執(zhí)行管理操作指令，并可根據(jù)預(yù)設(shè)變量閾值在被管理者出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)產(chǎn)生陷阱（trap），向管理者發(fā)出告警。

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)被管理對(duì)象均有一個(gè)或多個(gè)變量參數(shù)來(lái)描述其狀態(tài)，這些變量存放在管理信息庫(kù)MIB（Management Information Base）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

管理協(xié)議定義數(shù)據(jù)記錄格式，并通過(guò)約定的通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)各個(gè)對(duì)象間的通信。

圖1 網(wǎng)絡(luò)管理基本模型

綜上，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)按基本模型建立并具備以上五項(xiàng)基本功能。但在一般衛(wèi)星通信網(wǎng)中，對(duì)網(wǎng)內(nèi)站點(diǎn)的管理控制命令傳輸是基于自身衛(wèi)星通信鏈路建立的IP數(shù)據(jù)通信。一旦衛(wèi)星空間鏈路遭到干擾或設(shè)備故障造成通信中斷，此時(shí)與遠(yuǎn)端站點(diǎn)又無(wú)備份聯(lián)絡(luò)手段，遠(yuǎn)程站點(diǎn)即形成脫網(wǎng)狀態(tài)，只能被動(dòng)等待通信恢復(fù)或人工前往現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)系統(tǒng)。由此看來(lái)，通用型的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理體系中并不具備健全的管理控制功能。

3 北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)

我國(guó)自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位一代系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗-1）自2004年開(kāi)始向民用用戶提供服務(wù)，系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面控制中心與標(biāo)校站、用戶終端設(shè)備三大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

定位、時(shí)間同步和通信是北斗-1的三項(xiàng)主要服務(wù)。北斗-1公布的通信能力為120個(gè)漢字以內(nèi)的加密短信息通信能力。通常應(yīng)用為將北斗-1或其他方式獲取的位置數(shù)據(jù)，附以相關(guān)信息屬性后，發(fā)送到指揮信息平臺(tái)或控制中心，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)管理。本文將就以上三大功能討論北斗系統(tǒng)在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中的具體應(yīng)用。

4 擴(kuò)展管理要素應(yīng)用

一般衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理的管理對(duì)象即為衛(wèi)星信道傳輸設(shè)備，即衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器，設(shè)備管理與控制也必須依賴已建立的衛(wèi)星通信鏈路。網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)于移動(dòng)式的車載衛(wèi)星通信站或可搬移衛(wèi)星便攜站的管控接入點(diǎn)，在系統(tǒng)整體運(yùn)行階段十分滯后，如圖3所示。

管理者必須等待天線開(kāi)設(shè)、天線對(duì)星、微調(diào)校準(zhǔn)、功率放大器發(fā)射開(kāi)啟、射頻鏈路建立、IP層互通的整個(gè)通信過(guò)程建立完畢，方可將該站點(diǎn)納入統(tǒng)一管理。衛(wèi)星網(wǎng)管中心對(duì)遠(yuǎn)端移動(dòng)站點(diǎn)或未建立IP數(shù)據(jù)通信的站點(diǎn)存在大段管理空白時(shí)間，系統(tǒng)及設(shè)備狀態(tài)信息、管理數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重。

圖3 管理時(shí)間軸示意圖

為應(yīng)對(duì)這一管理漏洞，利用已在各大指揮信息系統(tǒng)中部署的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)作為補(bǔ)充手段，擴(kuò)展管理要素，增加備份管理信道，提高衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理可靠性。

4.1 定位信息

北斗系統(tǒng)基于二球交會(huì)原理進(jìn)行定位，即以2顆衛(wèi)星的已知位置坐標(biāo)為圓心，各以測(cè)定的本星至用戶機(jī)的距離為半徑，形成2個(gè)球面，用戶機(jī)必然位于這2個(gè)球面交線的圓弧上。地面控制中心存儲(chǔ)的電子高程地圖庫(kù)（DEM）提供一個(gè)以地心為球心，以球心至用戶機(jī)的距離為半徑的球面。求解圓弧線與該球面的交點(diǎn)，并根據(jù)用戶在赤道平面北側(cè)的實(shí)際情況，即可獲得用戶的二維位置坐標(biāo)[2]。另外，用戶也可通過(guò)氣壓測(cè)量等方法提供高程信息。

圖4 定位方法

圖4顯示了北斗-1系統(tǒng)定位的方法的幾何概念。用簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型表示，其觀測(cè)方程為

式中、，N為卯酉圈曲率半徑；為橢球高；是用戶在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；為用戶位置的維度。

目前，在大部分國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，天線對(duì)星過(guò)程依賴的位置信息來(lái)源為GPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，雖為免費(fèi)系統(tǒng)，但定位服務(wù)及信息來(lái)源不受控。而通過(guò)我國(guó)自行研制的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)直接獲取站點(diǎn)當(dāng)前二維位置坐標(biāo)和高程值，同樣能夠替代GPS或其他定位系統(tǒng)在寬帶衛(wèi)星通信中的功能作用，并且自主可控的定位服務(wù)提高了系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行的可靠性。

4.1.1 計(jì)算天線方位、俯仰和極化角

一般的寬帶衛(wèi)星通信使用的衛(wèi)星資源大多為對(duì)地靜止衛(wèi)星，即靜止軌道上的衛(wèi)星在地球上看是靜止的。因此，處于該衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的站點(diǎn)只需將天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星即可通信。根據(jù)站點(diǎn)所配備的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)給出的本站經(jīng)度、緯度和所用衛(wèi)星經(jīng)度即可預(yù)估當(dāng)前天線方位角A、仰角E和極化角ξ。

4.1.1.1 方位角的定義和計(jì)算

如圖5所示，方位角A定義為當(dāng)?shù)厮矫鎀MP和平面TSO的交線（即 線）與真北線TN的交角。平面TSO是通過(guò)地球站、衛(wèi)星和地心的平面。

圖5 衛(wèi)星與地球站的幾何關(guān)系示意圖

如假定地球是一理想圓球，半徑，則有

按照地球站與星下點(diǎn)相對(duì)位置的不同，方位角A應(yīng)當(dāng)應(yīng)用下列方式計(jì)算：

北半球地球站：衛(wèi)星在南偏東，衛(wèi)星在南偏西，

南半球地球站：衛(wèi)星在北偏東，；衛(wèi)星在北偏西，

實(shí)際調(diào)整方位角時(shí)，還需考慮羅盤所測(cè)得當(dāng)?shù)卮牌切拚龁?wèn)題。

4.1.1.2 仰角的定義和計(jì)算

仰角E定義為TP線與地球站—衛(wèi)星連線TS之間的交角，有

式中，r是靜止衛(wèi)星軌道半徑，等于42164.2km；Re等于6378.155km。

4.1.1.3 極化角的定義和計(jì)算

極化角是討論衛(wèi)星上所發(fā)線性極化波方向與地球站接收天線的線性極化波方向是否重合的問(wèn)題。經(jīng)數(shù)學(xué)推算，極化角計(jì)算方式如下：

若衛(wèi)星在地球站南偏東，極化角順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若衛(wèi)星在地球站南偏西，極化角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

綜上，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可通過(guò)北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)獲取所有網(wǎng)內(nèi)遠(yuǎn)端站點(diǎn)的當(dāng)前位置信息，并根據(jù)公式（3）（4）（5）（6）計(jì)算得出各站點(diǎn)目前天線系統(tǒng)的方位角、仰角和極化角，結(jié)合已掌握的地理環(huán)境信息情報(bào)，有效指導(dǎo)各個(gè)站點(diǎn)開(kāi)設(shè)時(shí)系統(tǒng)布放位置，避開(kāi)衛(wèi)星天線指向路徑上的遮擋物，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)先處理和高效的配置管理。

4.1.2 計(jì)算RTT值

RTT值，Round-Trip Time，即往返時(shí)延。在衛(wèi)星通信中，電磁波以光速約300000km/s的速度傳播，但由于空間距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般地面通信線路，地球站到衛(wèi)星的最大往返時(shí)延如進(jìn)行雙向通信，則往返時(shí)延還需加倍，最大雙向往返時(shí)延約為0.54s。這樣的延遲對(duì)時(shí)分多址系統(tǒng)或話音通信等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)為主的衛(wèi)星通信網(wǎng)影響十分明顯。因此大部分此類衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理均需校對(duì)每個(gè)站點(diǎn)的通信RTT值，并不斷采取某些補(bǔ)償手段予以校正，確保全網(wǎng)時(shí)間同步。

同樣，管理者可根據(jù)從北斗系統(tǒng)獲取的當(dāng)前站點(diǎn)位置信息，計(jì)算站點(diǎn)通信傳輸時(shí)延，直接在網(wǎng)絡(luò)預(yù)先配置過(guò)程中完成RTT值預(yù)置，確保各個(gè)站點(diǎn)按照指定的通信計(jì)劃準(zhǔn)確執(zhí)行。

4.2 授時(shí)信息

北斗系統(tǒng)具有單向和雙向2種授時(shí)功能，根據(jù)不同的精度要求，定時(shí)傳送最新授時(shí)信息給用戶端，供用戶完成與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之間時(shí)間差的修正。

在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中，可直接將北斗系統(tǒng)的授時(shí)信息賦予被管理設(shè)備和管理軟件工具，統(tǒng)一全網(wǎng)工作時(shí)間，便于完成預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)重啟時(shí)間或通信配置升級(jí)約定等配置管理工作；同時(shí)，在全網(wǎng)計(jì)費(fèi)管理方面，統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)也利于使用者和管理者的通信記錄保持一致，避免時(shí)間混淆計(jì)費(fèi)不明。

4.3 短報(bào)文通信

在鏈路中斷、IP數(shù)據(jù)無(wú)法連通的情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理可利用北斗短報(bào)文功能傳輸簡(jiǎn)短指令代碼，遠(yuǎn)端網(wǎng)管代理設(shè)備將按代碼約定動(dòng)作指揮遠(yuǎn)程設(shè)備完成相應(yīng)操作，如重新啟動(dòng)或啟用某一通信預(yù)案，修復(fù)因鏈路干擾而中斷的通信，提高系統(tǒng)故障處置率。對(duì)照表表1所示。

表1 代碼與管理控制動(dòng)作對(duì)照表

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能，在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理中引入了空間信息、時(shí)間信息等多維管理數(shù)據(jù)，豐富了管理的外延，提高故障處理及時(shí)率。目前國(guó)內(nèi)外各類軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)工具技術(shù)成熟先進(jìn)，北斗設(shè)備和信息交互等關(guān)鍵技術(shù)具備，功能實(shí)現(xiàn)手段齊全，以上研究的管理要素可應(yīng)用于各類體制的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，補(bǔ)充管理空白，提升網(wǎng)絡(luò)管理效率。

[1] 楊家海，任憲坤，王沛瑜．網(wǎng)絡(luò)管理原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)[M]． 北京：清華大學(xué)出版社，2000

[2] 唐金元，于潞，王思臣． 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]．全球定位系統(tǒng)， 2008, 33(2):26-30

Research on the Application of BDS in the Management of Satellite Communication Network

Cao Jingjing, Fang Fang, Dai Sheng
(Nanjing LES Information Technology Co., Ltd., Nanjing, 210014)

The BeiDou Navigation Satellite System, BDS has the functions of time service, navigation and short message communication. In this paper, the BDS is used to expand the management elements of the broadband satellite communication network and to establish the off-line management mechanism. It provides a means and method for the systematized management of the satellite communication network.

BDS; Satellite Communication; Network Management

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.002

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）12-0006-05

曹菁菁，女，1984年生，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)原理和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等。

方 芳，女，1964年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理和信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等。

戴 勝，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)等。