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        一種北斗網(wǎng)絡(luò)模擬器的設(shè)計(jì)

        2018-12-20 09:28:36楊葉林倪冰潔姚傳明
        現(xiàn)代測(cè)繪 2018年5期
        關(guān)鍵詞:機(jī)軟件中心站模擬器

        楊葉林,倪冰潔,姚傳明

        (1.中國(guó)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(cè)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(jiǎn)稱北斗系統(tǒng),CNSS)是中國(guó)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(guó)防建設(shè)中占有越來(lái)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(jí)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(qǐng)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(hào)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(duì)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(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)或分開(kāi)獨(dú)立部署。QT[3]是具備“一次編寫(xiě),隨處編譯”特點(diǎn)的跨平臺(tái)圖形界面應(yīng)用程序,提供了基于C++語(yǔ)言應(yīng)用程序開(kāi)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(tái)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(jiǎn)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(yǔ)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(duì)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(yǔ)能力具備如下特點(diǎn)。

        (1)通信頻度:北斗短語(yǔ)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(jí)、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(zhǎng)度限制:北斗短語(yǔ)通信的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度根據(jù)用戶卡的等級(jí)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(jí)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(guò)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(duì)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(jiǎn)稱“模擬中心站”)和模擬北斗用戶機(jī)(一下簡(jiǎn)稱“模擬用戶機(jī)”)2部分,模擬中心站主要對(duì)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(duì)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(tái)計(jì)算機(jī),也可分開(kāi)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(duì)靈活,存在虛擬串口工具對(duì)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(lái)的,具備物理串口全部的邏輯特征,對(duì)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)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(tái)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(tái)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(guò)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(duì)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(duì)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(yǔ)通信、定位申請(qǐng)等進(jìn)行管理調(diào)度,并通過(guò)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(duì)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(guò)串口發(fā)送的通信信息請(qǐng)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(duì)通信請(qǐng)求進(jìn)行頻度限制,在通信頻度范圍內(nèi)的再次通信申請(qǐng)指令,做丟棄處理。

        (3)定位授時(shí)信息模擬。對(duì)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(duì)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(dòng):模擬用戶機(jī)軟件,接入模擬中心站,注冊(cè)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(wú)法支撐。

        (2)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出指令:模擬用戶機(jī)對(duì)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(wú)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(qǐng)、有源定位申請(qǐng)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(duì)上報(bào)指令頻度進(jìn)行管理,對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)模擬器之間的信息交互內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)以及對(duì)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(shuō)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(duì)模擬用戶機(jī)之間的控制信息,如更改用戶機(jī)卡號(hào)、設(shè)置用戶機(jī)定位軌跡等。

        (3)通信申請(qǐng)(信息類型碼2):對(duì)北斗系統(tǒng)的通信申請(qǐng)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(duì)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(duì)北斗系統(tǒng)的監(jiān)收信息進(jìn)行封裝。

        長(zhǎng)度字段說(shuō)明:長(zhǎng)度是描述信息內(nèi)容的長(zhǎng)度,不包含信息類型;

        信息內(nèi)容說(shuō)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(kāi)發(fā)環(huán)境,選擇Win7操作系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬(圖8—9)。

        系統(tǒng)啟動(dòng)后,通過(guò)模擬用戶機(jī)軟件進(jìn)行北斗卡號(hào)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(duì)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(duì)涉及到的北斗通信相關(guān)的漢字通信、代碼通信、定位申請(qǐng)等進(jìn)行互通性試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)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(qǐng)、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(yǔ)

        目前未有能夠?qū)Ρ倍吠ㄐ胚M(jìn)行模擬的模擬器。針對(duì)此問(wèn)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(dòng)所發(fā)揮的功能和作用。同時(shí),經(jīng)過(guò)驗(yàn)證表明,北斗網(wǎng)模擬器設(shè)計(jì)方法可行,具備對(duì)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。

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