張亮儒，翟建勇，田 宇，王彩霞，滿 豐

基于北斗短報文的衛(wèi)星導航信號區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)設計

張亮儒，翟建勇，田 宇，王彩霞，滿 豐

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

設計了一種基于北斗短報文的衛(wèi)星導航信號區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對指定區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的持續(xù)全天候監(jiān)測。針對北斗短報文可靠性和通信容量有限的特點，提出了一種帶反饋重發(fā)機制的多卡自適應發(fā)送方法，可明顯提高發(fā)送效率和可靠性。研究了一種多站聯(lián)合干擾源交匯定位算法，并設計了導航信號區(qū)域完好性監(jiān)測方法，可在出現(xiàn)異常時對干擾源進行定位并及時告警，具有較強的實用價值。

北斗短報文；衛(wèi)星導航；區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)；干擾源定位

0 引言

目前，隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軍事和民用領域的廣泛應用，要求導航系統(tǒng)具有較高的可靠性和對指定區(qū)域的導航信號進行監(jiān)測并進行實時異常告警的能力。要對某一區(qū)域的導航信號進行連續(xù)監(jiān)測經(jīng)常需要多個監(jiān)測站聯(lián)合，監(jiān)測站之間采用一種或多種通信方式組合的方法傳輸監(jiān)測信息。衛(wèi)星導航信號區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)的應用場景多具有涉及范圍廣、地處偏遠以及通信不便等特點，因此，采用合適的通信方式對區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果至關重要。北斗短報文服務作為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一項特有功能，具有覆蓋范圍廣和傳輸距離遠等特點，在地質環(huán)境監(jiān)測、搜救及緊急通信領域應用廣泛[1]。

本文設計了一種衛(wèi)星導航信號區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，可對目標區(qū)域的衛(wèi)星態(tài)勢、系統(tǒng)完好性、服務性能、信號質量和受干擾情況進行實時監(jiān)測，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時向用戶告警。監(jiān)測站之間主要采用基于北斗短報文的通信方法，并增加基于5G/4G的數(shù)據(jù)接收傳輸設備作為輔助通信手段，確保監(jiān)測信息實時準確地傳輸和播發(fā)，可提高用戶使用衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)由一個中心站與三個機動監(jiān)測站組成。中心站常固定于機房，用于系統(tǒng)整體監(jiān)測信息的處理顯示和對各機動監(jiān)測站的控制調度。機動監(jiān)測站置于改裝過的移動平臺，可根據(jù)任務需求進行靈活機動布置，實現(xiàn)對指定區(qū)域BDS、GPS、Galileo及GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星態(tài)勢、系統(tǒng)完好性、服務性能、信號質量和受干擾情況的實時監(jiān)測。各機動監(jiān)測站具備獨立監(jiān)測能力，通過設計相應判據(jù)實現(xiàn)對指定區(qū)域導航系統(tǒng)的監(jiān)測。機動監(jiān)測站可分別對各自監(jiān)測區(qū)域內的受干擾情況進行監(jiān)測，通過監(jiān)測信息的互相播發(fā)實現(xiàn)多站聯(lián)合干擾源定位，并將干擾源位置和頻譜等信息上報至中心站。系統(tǒng)具有較強的綜合性、機動性和易擴展性，可利用衛(wèi)星無線電測定業(yè)務（Radio Determination Satellite Service，RDSS）與數(shù)據(jù)接收傳輸設備實現(xiàn)各監(jiān)測站之間“動中通”和易擴展的功能，系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

2 分系統(tǒng)設計

2.1 機動監(jiān)測站

機動監(jiān)測站在外場采用發(fā)電機供電，設備組成主要包括：L頻段多模天線、機動監(jiān)測站完好性監(jiān)測處理設備、干擾監(jiān)測有源陣列天線、干擾監(jiān)測測向設備、數(shù)據(jù)接收傳輸設備、BDS RDSS天線、BDS綜合信息終端、時頻保障設備、機動站完好性監(jiān)測及干擾綜合管理評估終端，如圖2所示。

圖2 機動監(jiān)測站組成圖

機動監(jiān)測站完好性監(jiān)測處理設備通過L頻段多模天線接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)相關頻點的導航信號，經(jīng)處理后在完好性監(jiān)測及干擾綜合管理評估終端進行顯示。干擾監(jiān)測測向設備通過干擾監(jiān)測有源陣列天線獲取干擾信號的頻譜及方位信息，并在完好性監(jiān)測及干擾綜合管理評估終端進行多站聯(lián)合交匯定位。BDS綜合信息終端和數(shù)據(jù)接收傳輸設備用于各機動監(jiān)測站之間、機動監(jiān)測站與中心站之間的通信，可對監(jiān)測信息進行分發(fā)和上報等，并具備接收中心站下發(fā)的設備控制指令等功能。

2.2 中心站

中心站的設備組成與機動監(jiān)測站類似，增加了信號質量分析處理終端設備，減少了干擾監(jiān)測測向設備。中心站相比于機動監(jiān)測站增加了數(shù)據(jù)庫保存、信號質量分析和整體界面顯示等功能，減少了干擾源監(jiān)測測向功能，能夠實時處理本站和機動監(jiān)測站上傳的觀測數(shù)據(jù)、信號質量、衛(wèi)星運行態(tài)勢、系統(tǒng)完好性和干擾源位置等信息，并在出現(xiàn)異常時及時顯示告警，其組成如圖3所示。

圖3 中心站組成圖

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 通信方法設計

本文提出了一種北斗短報文和數(shù)據(jù)接收傳輸設備相結合的通信方法。北斗短報文通信具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強和數(shù)據(jù)保密性好等特點，有BCD碼和ASCII碼兩種數(shù)據(jù)類型，可滿足偏遠地區(qū)監(jiān)測時的遠距離通信[2]。受北斗短報文通信信道資源限制，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，并且有單張IC卡每60 s發(fā)送一次的頻度限制。數(shù)據(jù)接收傳輸設備基于4G/5G通信，具有傳輸數(shù)據(jù)量大且不受發(fā)送頻度限制的特點，但由于其傳輸穩(wěn)定性易受到遮擋物的干擾，應用場景多限于開闊無遮擋區(qū)域[3]。因此，本文各機動監(jiān)測站之間采用了北斗短報文通信為主，數(shù)據(jù)接收傳輸設備為輔的通信方式，機動監(jiān)測站與中心站之間的距離小于50 km時，兩種通信方式共存，超過50 km時，則采用北斗短報文作為遠距離通信手段。

北斗短報文通信發(fā)送端和接收端均通過各自北斗IC卡的ID號來識別通信，發(fā)送信息受北斗IC卡自身頻度限制，接收信息不受頻度限制[4]。本文所設計系統(tǒng)的機動監(jiān)測站采用北斗普通型用戶機，共安裝12張北斗IC卡，根據(jù)單卡60 s的頻度限制，組合后可實現(xiàn)機動監(jiān)測站的最高發(fā)送頻度為5 s。中心站采用北斗指揮型用戶機，只安裝1張北斗IC卡，發(fā)送頻度為60 s，如表1所示。

表1 站點IC卡數(shù)量與發(fā)送頻度

1）數(shù)據(jù)收發(fā)機制。各機動監(jiān)測站產生BDS、GPS、Galileo及GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的完好性數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)、導航電文、干擾源位置、頻譜信息、衛(wèi)星運行態(tài)勢以及數(shù)據(jù)質量監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)類型。上述信息中除完好性監(jiān)測數(shù)據(jù)外，其余信息類型數(shù)據(jù)加入待發(fā)送區(qū)的頻度固定。由于在60 s內衛(wèi)星導航系統(tǒng)的狀態(tài)變化并不明顯，因此本文提出了一種自適應發(fā)送機制，當檢測到當前時刻單站產生監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大時，則監(jiān)測數(shù)據(jù)加入待發(fā)送區(qū)的時間間隔相應增大；當單站產生監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小時，則減小監(jiān)測數(shù)據(jù)加入發(fā)送區(qū)的時間間隔，對上述時間間隔進行實時動態(tài)調整，以確保北斗短報文發(fā)送資源利用效率最大化。機動監(jiān)測站與中心站通信協(xié)議的結構如圖4所示，定義每分鐘內單站12張用戶卡發(fā)送的數(shù)據(jù)包序號相同，制定相應協(xié)議對機動監(jiān)測站所有用戶卡按站點進行排序，對各機動監(jiān)測站的每包數(shù)據(jù)進行編號后發(fā)送。中心站的指揮型用戶機接收各機動監(jiān)測站發(fā)送過來的信息，若接收到機動監(jiān)測站發(fā)送的數(shù)據(jù)，則將當前接收卡號的數(shù)據(jù)包編號更新為最新數(shù)據(jù)包編號；若沒有收到機動監(jiān)測站發(fā)送的數(shù)據(jù)，則將當前接收卡號的數(shù)據(jù)包編號置為0。由于中心站為單卡終端，受發(fā)送頻度的限制，每分鐘只能反饋一包數(shù)據(jù)，為保證反饋的實時性，將中心站接收機動監(jiān)測站數(shù)據(jù)的結果按協(xié)議組合后只發(fā)送至指定機動監(jiān)測站，再由該站通過數(shù)據(jù)接收傳輸設備播發(fā)至其他各機動監(jiān)測站。

圖4 機動監(jiān)測站與中心站通信協(xié)議結構圖

2）反饋重發(fā)機制。各機動監(jiān)測站收到中心站發(fā)送的消息接收情況回執(zhí)后，檢驗對應卡號的數(shù)據(jù)包編號，若數(shù)據(jù)包編號的值為0，則對發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)包進行一次重發(fā)。機動監(jiān)測站與中心站之間數(shù)據(jù)收發(fā)及失敗反饋重發(fā)流程如圖5所示。同時，中心站還具備對各機動監(jiān)測站設備狀態(tài)查詢和指令控制的功能。

圖5 站間數(shù)據(jù)收發(fā)及反饋重發(fā)流程圖

為驗證本文提出的基于北斗短報文的通信方法的可行性，同時運行中心站與三個機動監(jiān)測，將失敗反饋重發(fā)的次數(shù)設置為1次，觀察測試數(shù)據(jù)可知，采用自適應發(fā)送和失敗反饋重發(fā)機制可明顯提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率和發(fā)送成功率，結果如表2所示。

表2 測試結果

3.2 干擾源交匯定位算法

干擾源的實時準確定位對于衛(wèi)星導航區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)至關重要[5]。干擾監(jiān)測測向設備通過處理干擾監(jiān)測有源陣列天線接收的干擾源信號，得到干擾信號的類型、頻率、載噪比、帶寬及示向度等信息。針對區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)的應用場景，本文研究了一種多站聯(lián)合干擾源交匯定位算法，該算法主要采用不同機動監(jiān)測站采集的干擾源示向度信息進行交匯定位，原理如圖6所示。

圖6 干擾源交匯定位示意圖

干擾源交匯定位算法的過程為：

5）運行各監(jiān)測站設備，啟動干擾源交匯定位軟件界面如圖7所示，經(jīng)監(jiān)測100 min后，其定位偏差與理論值之比的均值為2.83%，可較準確地完成對干擾源位置的確定，實現(xiàn)對指定監(jiān)測區(qū)域的干擾信號監(jiān)測和異常告警。

3.3 區(qū)域完好性監(jiān)測

區(qū)域完好性監(jiān)測功能是本文所述系統(tǒng)核心功能之一，可對導航信號質量、數(shù)據(jù)質量及測量值進行持續(xù)監(jiān)測。當數(shù)據(jù)接收傳輸設備可用時，三個機動監(jiān)測站將各自完好性監(jiān)測的詳細結果進行互相播發(fā)；當數(shù)據(jù)接收傳輸設備受遮擋不可用時，三個機動監(jiān)測站之間采用北斗短報文播發(fā)完好性監(jiān)測的綜合結果，實現(xiàn)了各機動監(jiān)測站均可作為主站觀測當前區(qū)域完好性的功能。同時，可根據(jù)需求選擇要觀測的機動監(jiān)測站并保存完好性監(jiān)測結果。在各監(jiān)測站之間的完好性結果具有相關性的前提下，針對單個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，本文提出如下判定策略：當三個機動監(jiān)測站中有兩個及以上的站點對某個衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性告警時，則認為當前監(jiān)測區(qū)域的該衛(wèi)星導航系統(tǒng)不可用，監(jiān)測軟件界面如圖8所示。

圖8 區(qū)域完好性監(jiān)測界面

4 結論

針對衛(wèi)星導航監(jiān)測系統(tǒng)多用于偏遠山區(qū)及通信受限環(huán)境的特點，本文對現(xiàn)有衛(wèi)星導航區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，提出了一種基于北斗短報文的衛(wèi)星導航信號區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)。對北斗短報文通信的特點進行分析，設計了一種帶反饋重發(fā)機制的組合通信方案，可明顯降低丟包率，提高系統(tǒng)通信的效率和魯棒性。研究了一種多監(jiān)測站聯(lián)合交匯定位算法，可較準確地對監(jiān)測區(qū)域內的干擾信號進行定位并告警。制定了區(qū)域完好性監(jiān)測的判定策略，可對監(jiān)測區(qū)域的站點數(shù)量進行選擇并持續(xù)進行區(qū)域完好性監(jiān)測，顯著提高了用戶使用衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全性和可靠性，具有明顯的實用價值。

[1] 王君瑞，向上，郭騰，等. 基于北斗短報文通訊的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 電子測量技術，2021， 44（9）：6-12.

[2] 陳慧，譚志強，鮑捷. 基于北斗短報文通信的新能源監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 電測與儀表，2020，57（19）：78-85.

[3] 賈慶民. 5G移動通信網(wǎng)絡中緩存與計算關鍵技術研究[D]. 北京：北京郵電大學，2019.

[4] 梁夢濤. 基于北斗短報文的空情應急傳輸系統(tǒng)設計[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學， 2021.

[5] 柴慧斯，張風國. GNSS干擾源測向方法對比分析[J]. 全球定位系統(tǒng)，2019，44（2）：59-62.

Design of Area Monitoring System of Satellite Navigation Signals Based on Beidou Short Message

ZHANG Liangru, ZHAI Jianyong, TIAN Yu, WANG Caixia, MAN Feng

A satellite navigation signal regional monitoring system based on BDS short message is designed, which can realize the continuous all-weather monitoring of the satellite navigation system in the designated area. In view of the limited reliability and communication capacity of Beidou short message, a multi-card adaptive sending method with feedback retransmission mechanism is proposed, which can obviously improve the sending efficiency and reliability. A multi-station joint interference source intersection location algorithm is studied and a navigation signal area integrity monitoring method is designed, which can locate the interference source and timely alarm when abnormal, which has strong practical value.

Beidou Short Message; Satellite Navigation; Area Monitoring System; Interference Source Location

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-03-189-06

2022-04-19。

張亮儒（1994.09—），甘肅武威人，碩士，主要研究方向為衛(wèi)星導航技術。