北斗二代系統(tǒng)在測(cè)試場(chǎng)超視距通信指揮中的應(yīng)用

孫偉偉,白玉棟

(91404部隊(duì)92分隊(duì),河北 秦皇島 066000)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)建成以后可為各類用戶全天候提供高精度導(dǎo)航、定位、授時(shí)等服務(wù)。它有別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之處在于其能夠在不同用戶終端之間發(fā)送類似手機(jī)短信形式的短報(bào)文。北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)繼承了北斗一代系統(tǒng)的通信功能,其所具有的位置報(bào)告功能和指揮型用戶機(jī)設(shè)計(jì),使用戶不但能自主確定自己的地理位置信息,知道“自己在哪”,更能在全球任何地點(diǎn)與其他擁有北斗系統(tǒng)終端的用戶交換地理位置或其他信息,讓別人知道“自己在哪”。北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在提供無(wú)源定位導(dǎo)航和授時(shí)等服務(wù)時(shí),用戶數(shù)量沒(méi)有限制,特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控和管理,適合軍事部門應(yīng)用。目前測(cè)試場(chǎng)試驗(yàn)向大航區(qū)、大射程方向發(fā)展,航程往往達(dá)數(shù)百公里,數(shù)據(jù)傳輸超出了“看得見(jiàn)”的視距范圍,需要進(jìn)行超視距通信，而測(cè)試場(chǎng)傳統(tǒng)的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、微波、無(wú)線局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信等通信方式,在覆蓋范圍、布站方式等方面存在著很多局限性。為了滿足今后測(cè)試場(chǎng)新型艦船及裝設(shè)備在大航區(qū)、復(fù)雜電磁環(huán)境下試驗(yàn)的通信保障需求,利用北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍廣、不受地形、氣候因素影響、導(dǎo)航與通信結(jié)合使用、設(shè)備安裝及通信費(fèi)用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn),可成功解決測(cè)試場(chǎng)遠(yuǎn)距離通信的難題，測(cè)試場(chǎng)可以利用北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信功能實(shí)現(xiàn)超視距簡(jiǎn)短通信指揮。

1 北斗二代系統(tǒng)通信技術(shù)特點(diǎn)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程建設(shè)“三步走”戰(zhàn)略的第二步目標(biāo)——北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域組網(wǎng)已順利實(shí)現(xiàn)(截止到2012年底,在軌工作衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO),4顆中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)和5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO))。北斗二代衛(wèi)星系統(tǒng)在亞太地區(qū)的精度不差于GPS全球定位系統(tǒng),可全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力,堪稱中國(guó)的“GPS”。

1.1 北斗二代系統(tǒng)的通信技術(shù)指標(biāo)

目前北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。一般用戶一次可傳輸36個(gè)漢字(72個(gè)字節(jié)),經(jīng)核準(zhǔn)的用戶可利用連續(xù)傳送方式,最多一次可傳送120個(gè)漢字(240個(gè)字節(jié))，這種簡(jiǎn)短通信服務(wù),GPS無(wú)法提供。北斗二代系統(tǒng)的其他主要通信技術(shù)指標(biāo)為:

工作頻段(用戶終端至衛(wèi)星):上行為L(zhǎng)波段,頻率為1 615.68±4.08 MHz;下行為S波段,頻率為2 491.75±4.08 MHz;

信道速率:入站(上行)信道為16.625 Kbps,出站(下行)信道為31.25 Kbps;

系統(tǒng)誤碼率:1×10-7;

用戶類型和服務(wù)頻度:由授權(quán)決定,用戶類型按等級(jí)分為一、二、三3類,其中一類用戶機(jī)5～10 min服務(wù)1次,二類用戶機(jī)10～60 s服務(wù)1次,三類用戶機(jī)1～5 s服務(wù)1次;

定位響應(yīng)時(shí)間:一類用戶機(jī)〈10 s,二類用戶機(jī)〈2 s,三類用戶機(jī)〈1 s.

用戶終端功耗:車載機(jī)約30 W.

1.2 北斗二代系統(tǒng)的通信工作方式

北斗二代系統(tǒng)具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸方式,也稱端對(duì)端通信,通信流程為:短報(bào)文用戶發(fā)送端首先將包含接收方ID號(hào)和通信內(nèi)容的通信申請(qǐng)信號(hào)加密后通過(guò)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心站(入站信號(hào));地面中心站處理接收到的信號(hào),并將其發(fā)送到地面網(wǎng)管中心;地面網(wǎng)管中心接收到通信申請(qǐng)信號(hào)后,經(jīng)解密和再加密后發(fā)送至地面中心站;地面中心站將其加入持續(xù)廣播的出站信號(hào)電文中,經(jīng)北斗衛(wèi)星廣播給用戶接收端;用戶接收端的控制信息以相同的方式送發(fā)送端，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信流程示意如圖1所示。

圖1 北斗二代系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸示意圖

在北斗二代系統(tǒng)衛(wèi)星通信點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸工作方式中,還有一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的“通播”方式,即在一個(gè)用戶群(用戶系統(tǒng))中,將用戶群中的一個(gè)測(cè)站作為主站,將其終端設(shè)備號(hào)碼寫(xiě)入本群中其它測(cè)站(從站)的終端設(shè)備的映像地址中,當(dāng)此主站作通播方式發(fā)送信息時(shí),則群中所有使用同一波束的其他測(cè)站都能同時(shí)收到此信息。主站既可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送控制信息,其他測(cè)站只能接收而不能發(fā)送控制信息。這樣,通過(guò)通播功能可以構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。此功能也可以用作系統(tǒng)的廣播回執(zhí),即測(cè)站終端每次發(fā)送數(shù)據(jù)后等待接收主站的回執(zhí),如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到回執(zhí),則延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)送一次,以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。如果用戶系統(tǒng)的主站采用北斗指揮型終端,則回執(zhí)可一次在全部波束上發(fā)送,用戶系統(tǒng)的所有其他測(cè)站都可以同時(shí)收到主站的回執(zhí)。

測(cè)試場(chǎng)試驗(yàn)或研練時(shí)指揮關(guān)系復(fù)雜,岸基有總指揮所,海上有分指揮所,各作戰(zhàn)部門又有自己的小指揮所,通信方式既有詢問(wèn)應(yīng)答式,又有只答不問(wèn)式,通信信息共享與隔離矛盾凸顯，北斗二代通信具有通播功能,合理的利用這項(xiàng)功能可以順利解決這一矛盾。

2 北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信與測(cè)試場(chǎng)傳統(tǒng)的通信方式比較

目前測(cè)試場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸仍然停留在視距范圍內(nèi),不能將多目標(biāo)、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳給指揮艦,缺乏超視距數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信功能適應(yīng)大航區(qū)數(shù)據(jù)通信傳輸,從軍事和經(jīng)濟(jì)的角度看均適用于測(cè)試場(chǎng)使用。北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信與測(cè)試場(chǎng)傳統(tǒng)的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、微波、無(wú)線局域網(wǎng)、衛(wèi)星通信等通信方式比較如表1所示。

表1 北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信與測(cè)試場(chǎng)傳統(tǒng)通信方式比較

(續(xù)表)

3 北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信技術(shù)在測(cè)試場(chǎng)超視距通信中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析,北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較適合于進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。在測(cè)試場(chǎng)XXX型網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中,已根據(jù)北斗二代系統(tǒng)導(dǎo)航與通信結(jié)合的特點(diǎn),既應(yīng)用北斗二代用戶機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行自主導(dǎo)航定位,又應(yīng)用北斗二代用戶機(jī)短報(bào)文通信鏈路進(jìn)行超視距數(shù)據(jù)傳輸,示意圖如圖2所示。

圖2 北斗二代系統(tǒng)在測(cè)試場(chǎng)超視距通信中的應(yīng)用圖解

3.1 系統(tǒng)組成、功能

系統(tǒng)由岸基指揮中心(岸基總指揮所,主中心站)、中心用戶端(海上分指揮所,指揮艦,分中心站)和輔助用戶端(目標(biāo)艦船、飛機(jī))等三大部分組成,其中,岸基指揮中心作為主中心站,應(yīng)用1臺(tái)北斗指揮型用戶機(jī),主要功能是作為岸基總指揮所,對(duì)其下屬的中心用戶端發(fā)送指揮指令信息,進(jìn)行指揮調(diào)度,并收集目標(biāo)的位置、速度等信息;指揮艦(海上分指揮所)作為中心用戶端(分中心站),應(yīng)用1臺(tái)北斗指揮型用戶機(jī),主要功能是作為海上分指揮所,對(duì)輔助用戶端通播上級(jí)指令進(jìn)行指揮調(diào)度,進(jìn)行自身精確定位、測(cè)速,接收輔助用戶端的位置、速度等信息,并將自身和輔助用戶端的位置、速度等信息上傳岸基指揮中心;其他目標(biāo)艦船、飛機(jī)作為輔助用戶終端,應(yīng)用3臺(tái)北斗通信型用戶機(jī),作為用戶終端,進(jìn)行精確定位、測(cè)速,并將自身位置、速度等信息上傳給中心用戶端。

3.2 北斗用戶機(jī)的應(yīng)用特性

本系統(tǒng)應(yīng)用的北斗用戶終端為2臺(tái)北斗指揮型用戶機(jī),3臺(tái)北斗通信型用戶機(jī)。北斗用戶終端根據(jù)功能不同分配不同角色,分為北斗通信型用戶機(jī)和北斗指揮型用戶機(jī),這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通信功能最大的特點(diǎn)。北斗通信型終端和指揮型終端最大的區(qū)別在于前者只能鎖定在少數(shù)波束上,在某一時(shí)刻同時(shí)針對(duì)少數(shù)(1～2個(gè))系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,而后者可以在某一時(shí)刻同時(shí)鎖定所有波束,對(duì)多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，發(fā)送信息也是如此,前者只能在少數(shù)波束上發(fā)送,而后者可以同時(shí)鎖定所有波束。當(dāng)用戶終端采用北斗通信型終端時(shí),往往出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象,這是因?yàn)楸倍吠ㄐ判徒K端總是鎖定在最強(qiáng)的衛(wèi)星波束,當(dāng)鎖定波束發(fā)生變化時(shí)不會(huì)主動(dòng)通知地面控制中心,導(dǎo)致地面控制中心仍然在前次波束上轉(zhuǎn)發(fā)。采用北斗指揮型終端時(shí),終端可以掃描所有衛(wèi)星波束,很少出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。因此測(cè)試場(chǎng)試驗(yàn)指揮所(岸基總指揮所、海上分指揮所)應(yīng)采用北斗指揮型終端設(shè)備，為了節(jié)約成本,對(duì)于測(cè)試場(chǎng)目標(biāo)平臺(tái)多采用北斗通信型終端設(shè)備。在采用北斗通信型終端設(shè)備的情況下, 北斗用戶機(jī)接收應(yīng)用程序可以通過(guò)增加衛(wèi)星信息監(jiān)測(cè)功能來(lái)解決數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。當(dāng)監(jiān)測(cè)到衛(wèi)星鎖定波束發(fā)生變化時(shí),指定北斗衛(wèi)星終端發(fā)送新的信息至地面控制中心,使地面控制中心永遠(yuǎn)保持接收終端的當(dāng)前波束。

3.3 系統(tǒng)工作過(guò)程

系統(tǒng)簡(jiǎn)要工作過(guò)程如下:

1)岸基指揮所的北斗天線架設(shè)在大地坐標(biāo)已知點(diǎn)上,接收北斗導(dǎo)航信息,為提高定位精度,經(jīng)過(guò)差分處理,把岸基指揮所的精確坐標(biāo)與觀測(cè)值進(jìn)行比較,消去大部分誤差,從而得出修正數(shù)并通過(guò)北斗二代指揮機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的地址向中心用戶端實(shí)時(shí)播發(fā)和下達(dá)指揮命令。中心用戶端接收命令后可以通過(guò)回復(fù)岸基指揮所命令執(zhí)行情況,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，如岸基指揮所顯示屏上發(fā)現(xiàn)某一輔助用戶端偏離航路時(shí),可以通過(guò)北斗指揮機(jī)指揮中心用戶端通過(guò)北斗鏈路對(duì)該輔助用戶端進(jìn)行指揮調(diào)度,也可以直接對(duì)輔助用戶端進(jìn)行指揮調(diào)度(一般都是按照指揮關(guān)系分層進(jìn)行指揮,岸基指揮所不直接指揮輔助用戶端)。

2)中心用戶端(海上分指揮所,指揮艦)接收北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航信息及岸上基準(zhǔn)站差分信息,精確測(cè)定指揮艦的位置和速度,同時(shí)中心用戶端通過(guò)北斗指揮型用戶機(jī)接收3套北斗輔助用戶端的位置、速度信息,并在指揮艦上顯示其相對(duì)關(guān)系，中心用戶端的定位結(jié)果通過(guò)北斗二代數(shù)據(jù)鏈路傳送給岸基指揮所,以便實(shí)時(shí)處理、監(jiān)控。中心用戶端也可以通過(guò)北斗指揮機(jī)向各輔助用戶端“通播”上級(jí)指示或航路調(diào)整計(jì)劃,各輔助用戶端落實(shí)指示后反饋命令執(zhí)行情況,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。

3)輔助用戶端接收北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航信息,精確測(cè)定目標(biāo)艦船、飛機(jī)的位置和速度信息，輔助用戶端的定位結(jié)果通過(guò)北斗通信型用戶機(jī)短報(bào)文通信鏈路傳送給中心用戶端,以便實(shí)時(shí)處理、監(jiān)控。

若試驗(yàn)任務(wù)簡(jiǎn)單,出動(dòng)兵力少,可以只設(shè)定1級(jí)(個(gè))指揮所,指揮所對(duì)所有空海目標(biāo)(飛機(jī)、艦船)進(jìn)行廣播即可。需要說(shuō)明的是,在出航前,所有北斗二代系統(tǒng)通信機(jī)都要按照指揮關(guān)系加以設(shè)定,分隊(duì)編組,將所需地址裝訂在需要的北斗用戶機(jī)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用北斗二代系統(tǒng)短報(bào)文通信功能,在測(cè)試場(chǎng)超視距通信中進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,并在試驗(yàn)中得到應(yīng)用,大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。隨著北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,北斗二代系統(tǒng)將在測(cè)試場(chǎng)得到更廣泛的應(yīng)用。

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[4]田 勇.北斗衛(wèi)星通信在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].科協(xié)論壇(下半月),2013(12):162-163.

[5]中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì).第五屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì).[OL]. http://www.beidou.org/contact/contact/index.asp

[6]中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[OL].http://www.beidou.gov.cn.