楊葉林,倪冰潔,姚傳明

(1.中國電子科技集團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之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(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，規(guī)模上要覆蓋部隊各級各類指揮所、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練時，需要接入北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端的信息系統(tǒng)眾多。由于北斗卡申請困難，實裝的北斗接收機數(shù)據(jù)量有限，同時在室內環(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、訓練的要求。因此需要研制北斗衛(wèi)星導航系統(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)，即北斗網絡模擬器，模擬器在功能、性能和技術體制上應與實際設備保持高度一致。

本文提供了一種基于QT、虛擬串口的北斗網絡模擬器設計實現(xiàn)方法，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的運行進行模擬仿真。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，不需要做任何適應性改進，同時也可使模擬器軟件靈活地與信息系統(tǒng)部署于同一臺計算機或分開獨立部署。QT[3]是具備“一次編寫，隨處編譯”特點的跨平臺圖形界面應用程序，提供了基于C++語言應用程序開發(fā)框架，可運行于Linux、Window、MacOS等多類型操作系統(tǒng)，采用QT進行軟件研制，使模擬器具備跨平臺移植特點，滿足在各類操作系統(tǒng)下與指揮信息系統(tǒng)同時運行的需求。

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、通信于一體的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[3]，比GPS以及GLONASS多一項報文通信能力。

(1)快速定位：快速確定用戶地理位置，為用戶提供導航信息。

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

(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)字報文通信能力。

北斗用戶機終端可分為普通型、定時型、數(shù)傳型、指揮型、救生型5種類型，其中不同類型用戶機側重功能點不一樣。如定時型用戶機主要提供精度可達數(shù)10 ns的時鐘校準源，指揮型用戶機具備鑒別、指揮下屬其他用戶機的功能等等。根據(jù)軍用指揮信息系統(tǒng)中北斗用戶機使用情況，本文主要針對普通型、指揮型用戶機進行軟件化模擬的實現(xiàn)方法進行設計。

1.2 通信系統(tǒng)特點

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。

(1)通信頻度：北斗短語通信能力與傳統(tǒng)IP網絡傳輸方式不同。根據(jù)北斗用戶等級、終端類型等信息限定通信頻度，在一定時間內，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個漢字或72字節(jié)的字符，部分授權用戶一次最大可傳輸120個漢字，或240個字節(jié)的字符。

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

2 北斗網通信模擬器設計

2.1 系統(tǒng)架構

北斗用戶機終端利用串口、CAN口等方式與計算機連接，各應用系統(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)應用結構

北斗網通信模擬器是對北斗系統(tǒng)進行軟件化的模擬，能夠實現(xiàn)應用系統(tǒng)接北斗設備與接北斗網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(一下簡稱“模擬用戶機”)2部分，模擬中心站主要對北斗系統(tǒng)中北斗衛(wèi)星的功能進行模擬，主要功能是對各北斗用戶機進行通信、定位、隸屬關系等方面進行管理，模擬用戶機主要是功能是與各應用系統(tǒng)軟件進行信息交互(圖2)。

圖2 北斗網通信模擬器系統(tǒng)架構

模擬中心站與各模擬用戶機之間采用以太網進行互聯(lián)，既可以與模擬用戶機部署于同一臺計算機，也可分開各自獨立部署。

北斗用戶機和應用系統(tǒng)間可使用串口、CAN口等方式進行通信，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，對應用程序來說兩者功能一樣，但虛擬串口有一個特點，即不受物理串口限制，可在同一臺計算機上虛擬出若干個串口。因而，在本設計中，模擬用戶機和應用系統(tǒng)間采用串口方式進行信息交互。同樣，模擬用戶機與應用系統(tǒng)間的部署，既可分別部署于獨立的計算機，也可部署于同一臺計算機。

2.2 軟件設計

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

模擬中心站軟件主要功能有以下2個方面(圖3)。

(1)用戶機管理：有對網內模擬用戶機進行統(tǒng)一管理、參數(shù)配置等能力，可以對模擬用戶機間的指揮關系進行統(tǒng)一管理控制。

(2)北斗信息交互：能夠對模擬用戶機間的短語通信、定位申請等進行管理調度，并通過指揮關系確定監(jiān)收信息調度。

圖3 模擬中心站軟件架構

模擬用戶機軟件主要功能有以下3方面(圖4)。

圖4 模擬用戶機軟件架構

(1)設備信息模擬。模擬用戶機利用本地指令，對設備信息進行配置；

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

(3)定位授時信息模擬。對北斗定位授時信息進行本地模擬仿真，根據(jù)需要提交至模擬中心站進行統(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，對模擬系統(tǒng)的主要信息交互流程進行了設計(圖5)。

圖5 信息交互流程

模擬系統(tǒng)運行主要流程如下。

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

(2)應用系統(tǒng)發(fā)出指令：模擬用戶機對指令進行解析和分流，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卡信息、設備狀態(tài)、無源定位等信息，當需處理上述信息時，本地根據(jù)北斗指令類型生成應答信息，發(fā)送至應用系統(tǒng)。

(4)指令上報：需要上報至模擬中心站的指令包含通信申請、有源定位申請等指令，模擬用戶機將相應指令打包封裝，發(fā)送給模擬中心站；同時對上報指令頻度進行管理，對上報數(shù)據(jù)進行頻度倒計時處理，倒計時內再次出現(xiàn)需上報數(shù)據(jù)，做丟棄處理。

(5)中心站處理：模擬中心站收到信息后，對指令進行解析，并將相應的信息中轉調度給其他模擬用戶機，同時，根據(jù)指令類型，從用戶指揮關系中獲取監(jiān)收單位，并將信息發(fā)送至相應用戶機軟件。

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

2.4 交互協(xié)議設計

為了保障模擬中心站軟件和模擬用戶機軟件之間通信可靠，對兩者間的交互信息進行協(xié)議設計。由于北斗本身有通信格式標準，本設計主要是對模擬器之間的信息交互內容進行設計以及對北斗原有協(xié)議的封裝?；ヂ?lián)采用TCP方式，以模擬中心站為中心，模擬用戶機為客戶端，進行互聯(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)：包含模擬用戶機需要上報的各類設備信息，如當前模擬用戶機運行的設備IP地址、模擬用戶機定位狀態(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之間的控制信息，如更改用戶機卡號、設置用戶機定位軌跡等。

(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)收信息進行封裝。

長度字段說明：長度是描述信息內容的長度，不包含信息類型；

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

3 設計實例

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)進行模擬(圖8—9)。

系統(tǒng)啟動后，通過模擬用戶機軟件進行北斗卡號設置，能夠將相應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軟件進行統(tǒng)一控制。同時，為驗證北斗網模擬器系統(tǒng)通信功能正確性，選取兩套基于VxWorks的車載指控軟件進行互通功能驗證，分別對涉及到的北斗通信相關的漢字通信、代碼通信、定位申請等進行互通性試驗。經過驗證，模擬系統(tǒng)能夠代替北斗設備，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)，結果正確可靠。

圖8 模擬用戶機軟件界面

圖9 模擬中心站軟件界面

4 結 語

目前未有能夠對北斗通信進行模擬的模擬器。針對此問題，提出了一種可行的北斗網通信模擬器的設計方法，并予以實現(xiàn)。模擬器可替代北斗設備在指揮控制系統(tǒng)的研制、聯(lián)試聯(lián)調以及部隊訓練等各項活動所發(fā)揮的功能和作用。同時，經過驗證表明，北斗網模擬器設計方法可行，具備對北斗通信、定位、監(jiān)收等能力的模擬仿真，具有一定的實用價值和推廣意義。