東北石油管道有限公司 李志輝 傅慶華中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)遼寧有限公司 于文浩

東北石油管道有限公司 楊 福 梁曉莉 肖雅琴 孟 博

1.緒論

近年來(lái)，將移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)MSS與地面網(wǎng)絡(luò)組成一體化網(wǎng)絡(luò)，綜合地面網(wǎng)絡(luò)容量大、速率高、支持業(yè)務(wù)多的特點(diǎn)以及移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)MSS覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、不受地理環(huán)境限制的特點(diǎn)，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的全天候與全地域覆蓋。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市智慧交通中，城市居民利用手機(jī)、平板電腦等終端實(shí)時(shí)查詢公交位置與公交路線的需求逐漸增多，對(duì)公交車(chē)等交通工具進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航顯得尤為重要?；诖?，本文提出一種基于MOOS-ivp無(wú)人通信體系及星地一體化網(wǎng)絡(luò)策略的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2.星地一體化網(wǎng)絡(luò)策略簡(jiǎn)介

在星地一體化網(wǎng)絡(luò)中，地面網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理，二者互為延伸，充分互補(bǔ)，該網(wǎng)絡(luò)由終端、無(wú)線接入網(wǎng)以及核心網(wǎng)三部分組成：

（1）終端部份：終端同時(shí)支持移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及地面網(wǎng)絡(luò)接口；

（2）無(wú)線接入網(wǎng)（地面網(wǎng)絡(luò)）部分：星地一體化網(wǎng)絡(luò)在地面部署了基于MSS頻段的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。并于移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)互相補(bǔ)充；

（3）核心網(wǎng)（衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）部分：星地一體化網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)支持全I(xiàn)P核心網(wǎng)，即LTE的演進(jìn)分組核心網(wǎng)EPC。移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)接入EPC核心網(wǎng)，由衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)兩種網(wǎng)絡(luò)的接口協(xié)議轉(zhuǎn)換。分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)PGW提供核心網(wǎng)與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接。網(wǎng)絡(luò)控制中心NCC配置有多各功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)星地一體化網(wǎng)絡(luò)中的核心管理功能。

3.衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于MOOS-ivp體系的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括地面控制子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)及星際控制子系統(tǒng)。將MOOS-ivp體系裝載至嵌入式微型計(jì)算機(jī)中，部署于地面及基站控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置信息的實(shí)時(shí)傳輸功能。這三個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖1所示，其主要功能如下：

（1）地面控制子系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，與基站的數(shù)據(jù)交互；

（2）基站控制子系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)地面網(wǎng)絡(luò)與星際網(wǎng)絡(luò)的通信，及時(shí)分發(fā)位置信息至移動(dòng)端；

（3）星際控制子系統(tǒng)：主要負(fù)責(zé)處理星間信號(hào)干擾，合理規(guī)劃星上網(wǎng)絡(luò)資源。

通過(guò)裝載在公共交通工具上的GPS通信模塊，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛位置信息的監(jiān)測(cè)功能。地面控制子系統(tǒng)將車(chē)輛的位置信息上發(fā)至基站控制子系統(tǒng)，基站控制子系統(tǒng)存儲(chǔ)各車(chē)輛的位置信息，并將各車(chē)輛的位置信息傳送至公交出行平臺(tái)，平臺(tái)統(tǒng)一將位置信息傳送至用戶APP側(cè)，真正實(shí)現(xiàn)用戶足不出門(mén)實(shí)時(shí)查詢公交信息。目前國(guó)內(nèi)公交查詢的主流軟件包含“車(chē)來(lái)了”、“8684公交查詢”、“青島公交查詢”等，本系統(tǒng)將服務(wù)于各類(lèi)交通出行平臺(tái)的用戶側(cè)APP中，實(shí)現(xiàn)公交站點(diǎn)實(shí)時(shí)查詢，公交路線實(shí)時(shí)查詢功能。因此本文的重點(diǎn)在于地面控制子系統(tǒng)與基站控制子系統(tǒng)的介紹。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 地面控制子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面控制子系統(tǒng)及基站控制子系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，前者部署于公交出行平臺(tái)所接入的公交車(chē)、地鐵等交通工具，其主要功能是通過(guò)承載的GPS通信模塊確定公共交通工具的位置信息，并通過(guò)無(wú)線通信將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至基站控制子系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)位置信息的實(shí)時(shí)傳輸，我們選取目前國(guó)際通用的無(wú)人系統(tǒng)通信系統(tǒng)MOOS-ivp作為地面控制子系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)解析程序?qū)崿F(xiàn)位置信息的傳輸。

3.2.1 MOOS-ivp的通信原理

MOOS（Mission Oriented Operating Suite）是一種適用于無(wú)人系統(tǒng)通信的分布式軟件控制系統(tǒng)，由麻省理工學(xué)院的Paul Newman于2001年提出，目前廣泛應(yīng)用于自主式水下航行器的高自主性控制。MOOS自身所具備發(fā)布-訂閱通信模式以及分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，引起眾多無(wú)人系統(tǒng)的研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。MOOS是一套開(kāi)源軟件系統(tǒng)，主要基于發(fā)布-訂閱模式，采用模塊化的思想將傳感器硬件轉(zhuǎn)化為不同的功能模塊。各模塊間不存在端到端的通信連接，而是需要通過(guò)MOOSDB（MOOS Database數(shù)據(jù)信息服務(wù)器）完成模塊間的數(shù)據(jù)通信。MOOS體系具有特點(diǎn)如下：

（1）模塊化軟件設(shè)計(jì)：模塊化設(shè)計(jì)思想在軟件系統(tǒng)維護(hù)與功能擴(kuò)展方面優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)為研發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試提供方便。GPS數(shù)據(jù)解析程序被實(shí)例化為具體的功能模塊，MOOS體系為功能模塊提供統(tǒng)一的通信協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)，從真正意義上實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用。數(shù)據(jù)的流通僅限在功能模塊與MOOSDB之間進(jìn)行，充分體現(xiàn)軟件系統(tǒng)分工明確、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（2）星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：功能模塊（MOOSApp）與數(shù)據(jù)信息服務(wù)器（MOOSDB）進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，以MOOSDB為中心構(gòu)成星型通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各功能模塊將解析后的數(shù)據(jù)傳送到MOOSDB并從MOOSDB獲取已訂閱的消息。MOOSDB負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各功能模塊，進(jìn)行信息的收發(fā)與共享。功能模塊與MOOSDB的信息交互基于網(wǎng)絡(luò)通信的Client-Server模型。

（3）分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)于集群系統(tǒng)，分布式結(jié)構(gòu)能夠有效的對(duì)計(jì)算機(jī)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，并使用有效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將集群系統(tǒng)中所攜帶的嵌入式微型計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)，通過(guò)MOOSDB間的數(shù)據(jù)流通完成各PC上的任務(wù)進(jìn)程與數(shù)據(jù)解算，從而將多臺(tái)計(jì)算機(jī)看作一個(gè)整體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。

3.2.2 GPS數(shù)據(jù)解析程序的開(kāi)發(fā)

MOOS體系包含功能豐富的庫(kù)函數(shù)，其中庫(kù)函數(shù)MOOSLib是實(shí)現(xiàn)功能模塊和MOOSDB通信的重要工具。庫(kù)函數(shù)MOOSLib的類(lèi)CMOOSApp定義了多個(gè)有用的虛函數(shù)包含OnStartUp( )、Iterate( )、OnNew-Mail( )等。開(kāi)發(fā)人員只需編寫(xiě)一個(gè)繼承于CMOOSApp的子類(lèi)，重載其中所需要的虛函數(shù)，即可完成功能模塊的開(kāi)發(fā)；同時(shí)CMOOSInstrument類(lèi)為各功能模塊通過(guò)串口與硬件之間的通信提供組件。

當(dāng)子類(lèi)函數(shù)Run( )被調(diào)用時(shí)，程序從函數(shù)OnStartUp( )開(kāi)始執(zhí)行，此函數(shù)首先讀取用戶的配置文件并初始化傳感器與串口，當(dāng)串口接收到新的數(shù)據(jù)時(shí)，函數(shù)OnNewMail( )會(huì)被調(diào)用，功能模塊獲取已訂閱的其他模塊的消息，當(dāng)子類(lèi)執(zhí)行過(guò)OnNewMail( )函數(shù)后，程序執(zhí)行函數(shù)Iterate( )完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的解析功能。函數(shù)Iterate( )以一定的頻率執(zhí)行，研發(fā)人員調(diào)用SetAppFreq( )或者設(shè)置參數(shù)AppTick的值在對(duì)應(yīng)配置文件中設(shè)定循環(huán)頻率，功能模塊不斷接收來(lái)自MOOSDB的數(shù)據(jù)，在函數(shù)Iterate( )編寫(xiě)相關(guān)代碼完成數(shù)據(jù)的解析。

利用CMOOSApp類(lèi)開(kāi)發(fā)GPS數(shù)據(jù)解析程序的基本步驟如下：

（1）新建功能模塊的主函數(shù)文件，命名為“ZhiHuiGPS.cpp”；

（2）新建繼承于CMOOSApp的子類(lèi)CZhiHuiGPS，在主函數(shù)聲明子類(lèi)的對(duì)象ZhiHuiGPS；

（3）用子類(lèi)的對(duì)象調(diào)用CZhiHuiGPS的成員函數(shù)Run( )；

（4）根據(jù)GPS的配置需求重載OnStartUp( )、Iterate( )、On-NewMail( )函數(shù)。

3.2.3 地面及基站控制子系統(tǒng)間通信程序的開(kāi)發(fā)

MOOS包含豐富的庫(kù)函數(shù)，其中CMOOSClient類(lèi)提供功能模塊與MOOSDB的通信線程，調(diào)用接口函數(shù)建立通信連接實(shí)現(xiàn)消息的分發(fā)功能。各公交工具的GPS均被CMOOSClient類(lèi)抽象成不同的功能模塊，模塊化的設(shè)計(jì)有效實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)用，依靠MOOS穩(wěn)定的通信機(jī)制有利于研究人員維護(hù)與二次開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件。在MOOS體系中，MOOSDB與功能模塊以及功能模塊之間的通信均是基于MOOSDB的消息分發(fā)機(jī)制。功能模塊與MOOSDB的通信機(jī)制基于Client-Server工作模式，當(dāng)建立Socket連接后，MOOSDB的消息分發(fā)步驟如下：

（1）客戶端A調(diào)用Notify函數(shù)把待傳輸消息（Msg）存儲(chǔ)在輸出信箱OutBox中；

（2）傳遞線程（CommsThread）向MOOSDB發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，MOOSDB在空閑狀態(tài)時(shí)響應(yīng)客戶端請(qǐng)求并發(fā)送應(yīng)答；

（3）客戶端將存儲(chǔ)在OutBox的消息打包生成CMOOSPkt，傳輸?shù)組OOSDB中；

（4）MOOSDB收到的客戶端A的數(shù)據(jù)包Msg，完成兩件工作：第一，根據(jù)研發(fā)人員制定的數(shù)據(jù)格式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分與解析；第二，根據(jù)功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)的訂閱需求，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的輸入信箱InBox中；

（5）其他客戶端調(diào)用Register函數(shù)向MOOSDB發(fā)送數(shù)據(jù)訂閱請(qǐng)求；其他客戶端調(diào)用Fetch函數(shù)提取與恢復(fù)原有的數(shù)據(jù)。

MOOSDB消息分發(fā)機(jī)制原理如圖2所示：

圖2 MOOSDB消息分發(fā)機(jī)制

MOOS體系提供功能模塊pMOOSBridge用于不同MOOSDB間的通信。作為建立MOOS派生系統(tǒng)的重要工具，它允許消息在不同的MOOS體系傳輸而無(wú)需考慮單個(gè)MOOS體系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，pMOOSBridge在不同的MOOSDB之間起到橋梁的作用，調(diào)用該功能模塊時(shí)首先讀取用戶的配置文件，然后在MOOSDB中訂閱與獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，最后完成對(duì)已定義數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。其通信原理如圖3所示：

圖3 pMOOSBridge通信原理

3.3 地面控制子系統(tǒng)、基站控制子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

在完成GPS數(shù)據(jù)解析程序（ZhiHuiGPS ）與子系統(tǒng)間通信程序（pMOOSBridge）的開(kāi)發(fā)后，使通信程序訂閱GPS 的經(jīng)緯度信息，將實(shí)時(shí)位置信息通過(guò)pMOOSBridge功能模塊傳送至基站控制子系統(tǒng)，pMOOSBridge功能模塊設(shè)定發(fā)送時(shí)間間隔為1s,GPS解析經(jīng)緯度原始語(yǔ)句的頻率為1Hz，MOOS-ivp體系具有獨(dú)特的數(shù)據(jù)保存功能，在GPS信號(hào)出現(xiàn)斷續(xù)或者失聯(lián)時(shí)，MOOSDB將信號(hào)斷續(xù)的上一周期的數(shù)據(jù)信息分發(fā)至pMOOSBridge功能模塊，并在信號(hào)恢復(fù)連接時(shí)刷新數(shù)據(jù)。

在地面控制子系統(tǒng)與基站控制子系統(tǒng)裝載嵌入式微型計(jì)算機(jī)并集成MOOS-ivp體系，將不同公交、地鐵線路的GPS被抽象為不同的功能模塊，基站控制子系統(tǒng)根據(jù)不同功能模塊的位置信息解析各條線路的軌跡圖，并傳送至公交出行平臺(tái)，在用戶側(cè)實(shí)現(xiàn)公交線路與公交位置的實(shí)時(shí)查詢。

4.小結(jié)

本文主要研究基于MOOS-ivp的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的增強(qiáng)設(shè)計(jì)。首先提出一種星地一體化的網(wǎng)絡(luò)策略基礎(chǔ)，其次對(duì)增強(qiáng)后的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及各個(gè)子系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后對(duì)基站控制子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以MOOS-ivp體系為核心，實(shí)時(shí)傳輸公交工具的位置信息。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可適用于城市各種公共交通領(lǐng)域中，為智慧城市建設(shè)做好基礎(chǔ)。

[1]藺萍.星地一體化網(wǎng)絡(luò)基于資源分配的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[2]譚璐.星地一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信與網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2017.

[3]劉倫倫.MOOS-IvP理論概述及應(yīng)用簡(jiǎn)析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2016,13(13):83-87.