楊葉林,倪冰潔,姚傳明

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2.江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1](BeiDou Navigation Satellite System,簡稱北斗系統(tǒng)，CNSS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面中心控制系統(tǒng)和各類用戶終端等部分組成。目前在國防建設(shè)中占有越來越重要的作用，為軍兵種作戰(zhàn)提供定位、通信保障。

然而，一方面，指揮信息系統(tǒng)[2]的研制、聯(lián)試時(shí)，規(guī)模上要覆蓋部隊(duì)各級各類指揮所、諸兵種和全要素，另一方面，作戰(zhàn)指揮人員在參加各類模擬訓(xùn)練時(shí)，需要接入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端的信息系統(tǒng)眾多。由于北斗卡申請困難，實(shí)裝的北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)量有限，同時(shí)在室內(nèi)環(huán)境下，北斗信號較弱，不能提供正常定位、通信功能，滿足不了研發(fā)、聯(lián)試、訓(xùn)練的要求。因此需要研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的空間衛(wèi)星系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)、用戶終端的模擬系統(tǒng)，即北斗網(wǎng)絡(luò)模擬器，模擬器在功能、性能和技術(shù)體制上應(yīng)與實(shí)際設(shè)備保持高度一致。

本文提供了一種基于QT、虛擬串口的北斗網(wǎng)絡(luò)模擬器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行模擬仿真。模擬器采用虛擬串口方法，對信息系統(tǒng)使用北斗用戶終端方式進(jìn)行模擬，使信息系統(tǒng)使用模擬器和使用北斗用戶終端方式保持一致，不需要做任何適應(yīng)性改進(jìn)，同時(shí)也可使模擬器軟件靈活地與信息系統(tǒng)部署于同一臺計(jì)算機(jī)或分開獨(dú)立部署。QT[3]是具備“一次編寫，隨處編譯”特點(diǎn)的跨平臺圖形界面應(yīng)用程序，提供了基于C++語言應(yīng)用程序開發(fā)框架，可運(yùn)行于Linux、Window、MacOS等多類型操作系統(tǒng)，采用QT進(jìn)行軟件研制，使模擬器具備跨平臺移植特點(diǎn)，滿足在各類操作系統(tǒng)下與指揮信息系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的需求。

1 北斗系統(tǒng)簡介

1.1 主要功能

北斗系統(tǒng)是集定位、授時(shí)、通信于一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[3]，比GPS以及GLONASS多一項(xiàng)報(bào)文通信能力。

(1)快速定位：快速確定用戶地理位置，為用戶提供導(dǎo)航信息。

(2)精確授時(shí)：具備單向和雙向2種授時(shí)功能，利用定時(shí)用戶終端，完成與北斗系統(tǒng)時(shí)間和頻率的同步。

(3)短語通信：具備用戶與用戶、用戶與地面控制中心間雙向數(shù)字報(bào)文通信能力。

北斗用戶機(jī)終端可分為普通型、定時(shí)型、數(shù)傳型、指揮型、救生型5種類型，其中不同類型用戶機(jī)側(cè)重功能點(diǎn)不一樣。如定時(shí)型用戶機(jī)主要提供精度可達(dá)數(shù)10 ns的時(shí)鐘校準(zhǔn)源，指揮型用戶機(jī)具備鑒別、指揮下屬其他用戶機(jī)的功能等等。根據(jù)軍用指揮信息系統(tǒng)中北斗用戶機(jī)使用情況，本文主要針對普通型、指揮型用戶機(jī)進(jìn)行軟件化模擬的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 通信系統(tǒng)特點(diǎn)

北斗系統(tǒng)通信[5]信道容量小，信道傳輸速率有限，用戶容量有限，因而北斗短語能力具備如下特點(diǎn)。

(1)通信頻度：北斗短語通信能力與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)傳輸方式不同。根據(jù)北斗用戶等級、終端類型等信息限定通信頻度，在一定時(shí)間內(nèi)，只能傳輸一次數(shù)據(jù)。

(2)長度限制：北斗短語通信的數(shù)據(jù)長度根據(jù)用戶卡的等級所有差別，一般一次最大可傳輸36個(gè)漢字或72字節(jié)的字符，部分授權(quán)用戶一次最大可傳輸120個(gè)漢字，或240個(gè)字節(jié)的字符。

(3)信息監(jiān)收：普通型和指揮型用戶機(jī)之間存在上下級隸屬關(guān)系，指揮型用戶機(jī)可同時(shí)收到所屬普通型用戶機(jī)收到的通信信息、有源定位信息等信息。

2 北斗網(wǎng)通信模擬器設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

北斗用戶機(jī)終端利用串口、CAN口等方式與計(jì)算機(jī)連接，各應(yīng)用系統(tǒng)軟件通過串口、CAN口通信與北斗用戶終端數(shù)據(jù)交互(圖1)。

圖1 北斗系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

北斗網(wǎng)通信模擬器是對北斗系統(tǒng)進(jìn)行軟件化的模擬，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)接北斗設(shè)備與接北斗網(wǎng)通信模擬器的功能效果一致。模擬系統(tǒng)主要由模擬北斗中心站(以下簡稱“模擬中心站”)和模擬北斗用戶機(jī)(一下簡稱“模擬用戶機(jī)”)2部分，模擬中心站主要對北斗系統(tǒng)中北斗衛(wèi)星的功能進(jìn)行模擬，主要功能是對各北斗用戶機(jī)進(jìn)行通信、定位、隸屬關(guān)系等方面進(jìn)行管理，模擬用戶機(jī)主要是功能是與各應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行信息交互(圖2)。

圖2 北斗網(wǎng)通信模擬器系統(tǒng)架構(gòu)

模擬中心站與各模擬用戶機(jī)之間采用以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，既可以與模擬用戶機(jī)部署于同一臺計(jì)算機(jī)，也可分開各自獨(dú)立部署。

北斗用戶機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)間可使用串口、CAN口等方式進(jìn)行通信，但CAN不具備普適性，串口本身相對靈活，存在虛擬串口工具對串口進(jìn)行模擬仿真。虛擬串口[6]并不是物理上存在的，而是使用虛擬手段模擬出來的，具備物理串口全部的邏輯特征，對應(yīng)用程序來說兩者功能一樣，但虛擬串口有一個(gè)特點(diǎn)，即不受物理串口限制，可在同一臺計(jì)算機(jī)上虛擬出若干個(gè)串口。因而，在本設(shè)計(jì)中，模擬用戶機(jī)和應(yīng)用系統(tǒng)間采用串口方式進(jìn)行信息交互。同樣，模擬用戶機(jī)與應(yīng)用系統(tǒng)間的部署，既可分別部署于獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，也可部署于同一臺計(jì)算機(jī)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

北斗網(wǎng)通信模擬器系統(tǒng)軟件主要由模擬中心站軟件和模擬用戶機(jī)軟件兩部分組成，兩者通過以太網(wǎng)互聯(lián)，制定專用通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)模擬北斗衛(wèi)星與北斗用戶機(jī)之間的信息交互。

模擬中心站軟件主要功能有以下2個(gè)方面(圖3)。

(1)用戶機(jī)管理：有對網(wǎng)內(nèi)模擬用戶機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理、參數(shù)配置等能力，可以對模擬用戶機(jī)間的指揮關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)一管理控制。

(2)北斗信息交互：能夠?qū)δM用戶機(jī)間的短語通信、定位申請等進(jìn)行管理調(diào)度，并通過指揮關(guān)系確定監(jiān)收信息調(diào)度。

圖3 模擬中心站軟件架構(gòu)

模擬用戶機(jī)軟件主要功能有以下3方面(圖4)。

圖4 模擬用戶機(jī)軟件架構(gòu)

(1)設(shè)備信息模擬。模擬用戶機(jī)利用本地指令，對設(shè)備信息進(jìn)行配置；

(2)通信信息處理。接收應(yīng)用系統(tǒng)通過串口發(fā)送的通信信息請求，根據(jù)信息類型進(jìn)行相應(yīng)處理：部分信息本地處理，部分信息提交至模擬中心站進(jìn)行統(tǒng)一處理；并對通信請求進(jìn)行頻度限制，在通信頻度范圍內(nèi)的再次通信申請指令，做丟棄處理。

(3)定位授時(shí)信息模擬。對北斗定位授時(shí)信息進(jìn)行本地模擬仿真，根據(jù)需要提交至模擬中心站進(jìn)行統(tǒng)一處理。

2.3 信息交互流程

根據(jù)北斗系統(tǒng)的通信特點(diǎn)，對模擬系統(tǒng)的主要信息交互流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)(圖5)。

圖5 信息交互流程

模擬系統(tǒng)運(yùn)行主要流程如下。

(1)系統(tǒng)啟動：模擬用戶機(jī)軟件，接入模擬中心站，注冊用戶機(jī)模擬器相關(guān)的身份信息，若模擬中心站軟件未運(yùn)行，則模擬用戶機(jī)軟件只能提供有限功能，相關(guān)通信能力無法支撐。

(2)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出指令：模擬用戶機(jī)對指令進(jìn)行解析和分流，主要包括本地處理和模擬心站軟件處理的指令。

(3)本地處理：本地處理的指令包含北斗用戶機(jī)卡信息、設(shè)備狀態(tài)、無源定位等信息，當(dāng)需處理上述信息時(shí)，本地根據(jù)北斗指令類型生成應(yīng)答信息，發(fā)送至應(yīng)用系統(tǒng)。

(4)指令上報(bào)：需要上報(bào)至模擬中心站的指令包含通信申請、有源定位申請等指令，模擬用戶機(jī)將相應(yīng)指令打包封裝，發(fā)送給模擬中心站；同時(shí)對上報(bào)指令頻度進(jìn)行管理，對上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻度倒計(jì)時(shí)處理，倒計(jì)時(shí)內(nèi)再次出現(xiàn)需上報(bào)數(shù)據(jù)，做丟棄處理。

(5)中心站處理：模擬中心站收到信息后，對指令進(jìn)行解析，并將相應(yīng)的信息中轉(zhuǎn)調(diào)度給其他模擬用戶機(jī)，同時(shí)，根據(jù)指令類型，從用戶指揮關(guān)系中獲取監(jiān)收單位，并將信息發(fā)送至相應(yīng)用戶機(jī)軟件。

(6)提交應(yīng)用系統(tǒng)：用戶機(jī)軟件收到中心站軟件發(fā)送的指令信息后，進(jìn)行處理，并發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)。

2.4 交互協(xié)議設(shè)計(jì)

為了保障模擬中心站軟件和模擬用戶機(jī)軟件之間通信可靠，對兩者間的交互信息進(jìn)行協(xié)議設(shè)計(jì)。由于北斗本身有通信格式標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)主要是對模擬器之間的信息交互內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)以及對北斗原有協(xié)議的封裝?；ヂ?lián)采用TCP方式，以模擬中心站為中心，模擬用戶機(jī)為客戶端，進(jìn)行互聯(lián)(圖6—7)。

圖6 協(xié)議交互流程

圖7 通信協(xié)議格式

信息類型字段說明：

(1)狀態(tài)信息(信息類型碼0)：包含模擬用戶機(jī)需要上報(bào)的各類設(shè)備信息，如當(dāng)前模擬用戶機(jī)運(yùn)行的設(shè)備IP地址、模擬用戶機(jī)定位狀態(tài)等。

(2)控制信息(信息類型碼1)：包含模擬中心站對模擬用戶機(jī)之間的控制信息，如更改用戶機(jī)卡號、設(shè)置用戶機(jī)定位軌跡等。

(3)通信申請(信息類型碼2)：對北斗系統(tǒng)的通信申請類、有源定位類信息進(jìn)行封裝。

(4)通信信息(信息類型碼3)：對北斗系統(tǒng)的通信信息、定位信息進(jìn)行封裝。

(5)監(jiān)收信息(信息類型碼4)：對北斗系統(tǒng)的監(jiān)收信息進(jìn)行封裝。

長度字段說明：長度是描述信息內(nèi)容的長度，不包含信息類型；

信息內(nèi)容說明：① 信息類型0:子類型(1字節(jié))+信息內(nèi)容；② 信息類型1:子類型(1字節(jié))+信息內(nèi)容；③ 信息類型2、3、4：原始北斗交互協(xié)議數(shù)據(jù)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文采用QT4.8.5開發(fā)環(huán)境，選擇Win7操作系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行模擬(圖8—9)。

系統(tǒng)啟動后，通過模擬用戶機(jī)軟件進(jìn)行北斗卡號設(shè)置，能夠?qū)⑾鄳?yīng)信息上傳至模擬中心站軟件，并可在模擬中心站軟件對模擬用戶機(jī)軟件進(jìn)行統(tǒng)一控制。同時(shí)，為驗(yàn)證北斗網(wǎng)模擬器系統(tǒng)通信功能正確性，選取兩套基于VxWorks的車載指控軟件進(jìn)行互通功能驗(yàn)證，分別對涉及到的北斗通信相關(guān)的漢字通信、代碼通信、定位申請等進(jìn)行互通性試驗(yàn)。經(jīng)過驗(yàn)證，模擬系統(tǒng)能夠代替北斗設(shè)備，完成車載指控軟件中的漢字通信、代碼通信、定位申請、信息監(jiān)收信息收發(fā)，結(jié)果正確可靠。

圖8 模擬用戶機(jī)軟件界面

圖9 模擬中心站軟件界面

4 結(jié) 語

目前未有能夠?qū)Ρ倍吠ㄐ胚M(jìn)行模擬的模擬器。針對此問題，提出了一種可行的北斗網(wǎng)通信模擬器的設(shè)計(jì)方法，并予以實(shí)現(xiàn)。模擬器可替代北斗設(shè)備在指揮控制系統(tǒng)的研制、聯(lián)試聯(lián)調(diào)以及部隊(duì)訓(xùn)練等各項(xiàng)活動所發(fā)揮的功能和作用。同時(shí)，經(jīng)過驗(yàn)證表明，北斗網(wǎng)模擬器設(shè)計(jì)方法可行，具備對北斗通信、定位、監(jiān)收等能力的模擬仿真，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。