一種基于微波網(wǎng)與北斗通信的數(shù)據(jù)傳輸方法?

（91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

一般海上試驗(yàn)所需兵力主要由岸基指揮所、海上指揮所，以及若干?？漳繕?biāo)平臺(tái)組成，各平臺(tái)之間的根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，海上試?yàn)所需的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸需求也不同，如有的只需要視距傳輸，有的需要超視距傳輸，或者兩者兼有。根據(jù)海上試驗(yàn)的方法和目的不同，所需的實(shí)時(shí)傳輸?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)也不同，如傳輸?shù)姆较蛐枨蠓譃椋耗繕?biāo)平臺(tái)→海上指揮船、目標(biāo)平臺(tái)→岸基指揮所、海上指揮船→岸基指揮所以及指揮所（包括岸基和海上）向目標(biāo)船下達(dá)指令等。

隨著武器裝備信息化水平提高，裝備試驗(yàn)鑒定難度逐漸加大，傳統(tǒng)試驗(yàn)方法已不能滿足考核需求，需不斷地補(bǔ)充、完善和改進(jìn)。海上試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求愈來(lái)愈高，而且對(duì)裝備通信距離邊界考核也逐步提高，沒有明顯的視距或超視距需求之分，這就要求鑒定試驗(yàn)方法能夠同時(shí)滿足視距及超視距的數(shù)據(jù)傳輸需求。

2 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式及弊端分析

目前在試驗(yàn)場(chǎng)條件下，數(shù)據(jù)傳輸方式主要有無(wú)線、有線和網(wǎng)絡(luò)等三種方式，其中無(wú)線方式又分為電臺(tái)方式和衛(wèi)通方式。以上每種方法都有各自的優(yōu)勢(shì)以及局限性，現(xiàn)將其工作組成框圖及優(yōu)缺點(diǎn)作比較分析。

2.1 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式

有線方法是通過(guò)有線電纜將各活動(dòng)平臺(tái)之間互相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)打包傳送，其組成框圖如圖1（a）所示，各平臺(tái)上的定位接收機(jī)對(duì)本平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、處理和保存，通過(guò)電纜將各平臺(tái)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸［1］。圖1（b）給出了超短波電臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的原理框圖。首先在各活動(dòng)平臺(tái)配備超短波電臺(tái)，將實(shí)時(shí)處理設(shè)備將打包好的定位數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到超短波電臺(tái)，利用短波電臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送，完成各平臺(tái)間的數(shù)據(jù)發(fā)送。同時(shí)電臺(tái)可接收來(lái)自其它活動(dòng)目標(biāo)的位置信息，回傳給處理設(shè)備進(jìn)行解算［2］。利用同步地球衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信原理圖圖1（c）所示，GPS定位數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)打包處理發(fā)送給同步地球衛(wèi)星，同步衛(wèi)星接收到各活動(dòng)平臺(tái)位置數(shù)據(jù)后，通過(guò)判斷各用戶請(qǐng)求，分別將數(shù)據(jù)分發(fā)給其他用戶，衛(wèi)星定位接收機(jī)來(lái)實(shí)時(shí)接收解算出其他平臺(tái)的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高程等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸［3～4］。利用微波局域網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砜驁D如圖1（d）所示，首先在各活動(dòng)平臺(tái)上增加一套小型服務(wù)器，實(shí)時(shí)處理設(shè)備將本平臺(tái)的位置數(shù)據(jù)打包并通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送到小型服務(wù)器上，然后以微波形式發(fā)送出去，地面大型服務(wù)器接收到各平臺(tái)的數(shù)據(jù)信息后，經(jīng)過(guò)分析處理，加標(biāo)識(shí)并打包以廣播的形式發(fā)給各活動(dòng)平臺(tái)，各活動(dòng)平臺(tái)從廣播數(shù)據(jù)中選取有用信息，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等相應(yīng)處理，計(jì)算出其他目標(biāo)的方位、距離、俯仰等信息［5～6］。

2.2 傳統(tǒng)數(shù)傳通信方式優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過(guò)有線電纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，誤碼率低，且簡(jiǎn)單易操作。但其主要缺點(diǎn)是傳輸距離近，一般只有幾十米，而試驗(yàn)場(chǎng)各活動(dòng)平臺(tái)間距離為幾十公里，甚至上百公里，且直接利用電纜將各設(shè)備連接不適合海上布設(shè)，基本上不能滿足試驗(yàn)要求。利用超短波電臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上內(nèi)解決了有線傳輸距離近的問(wèn)題，但是由于試驗(yàn)時(shí)電磁環(huán)境復(fù)雜，同頻干擾嚴(yán)重，致使數(shù)據(jù)傳輸誤碼率增高，數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，且通信距離僅為視距，亦很難滿足試驗(yàn)要求。利用衛(wèi)通方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，電磁干擾相對(duì)減小，通信距離更遠(yuǎn)，但是衛(wèi)星通信所需費(fèi)用昂貴，致使試驗(yàn)成本明顯增加，且通信終端安裝架設(shè)有限，申請(qǐng)程序繁瑣，不利于試驗(yàn)的順利開展。利用微波局域網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是一種有線和無(wú)線相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)處理設(shè)備到小型服務(wù)器是網(wǎng)線連接，小型服務(wù)器與地面大型服務(wù)器之間采用微波通信，功率大，不易被干擾，且大小型服務(wù)器組成了試驗(yàn)場(chǎng)移動(dòng)式局域網(wǎng)，目前該網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)場(chǎng)基本建成，主要局限是通信距離仍維持在視距。通過(guò)上述比較分析，傳統(tǒng)數(shù)傳通信方式都有各自的局限性，均不能滿足海上移動(dòng)平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，如何?gòu)建一個(gè)抗干擾、傳輸準(zhǔn)確、距離遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)急需的問(wèn)題。

3 微波及北斗通信無(wú)縫鏈接的海上數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

由于自身的局限性，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方法無(wú)法滿足試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，需要提出一種新型的海上數(shù)據(jù)傳輸方法來(lái)滿足試驗(yàn)需求。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式優(yōu)缺點(diǎn)分析中發(fā)現(xiàn)微波局域網(wǎng)通信在視距內(nèi)傳輸明顯優(yōu)于有線和超短波方式，且抗干擾能力強(qiáng)。要實(shí)現(xiàn)超視距數(shù)據(jù)傳輸目前必須利用衛(wèi)星通信的方式，衛(wèi)通的局限性較大，且費(fèi)用較高，不利于試驗(yàn)的開展。隨著北斗通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，具備各種通信功能，故北斗通信系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)超視距數(shù)據(jù)傳輸最佳選擇，整個(gè)系統(tǒng)既經(jīng)濟(jì)又便于安裝架設(shè)。

3.1 北斗通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分析

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是中國(guó)自主研制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其與美國(guó)GPS系統(tǒng)相比最大的優(yōu)勢(shì)是具有通信功能。通過(guò)比較分析可得，北斗系統(tǒng)通信具有以下特點(diǎn)：1）響應(yīng)速度快；2）抗干擾能力強(qiáng)，衛(wèi)星傳輸采用S/I波段，雨衰的影響小；3）采用CDMA擴(kuò)頻技術(shù)，減少了碼間干擾；4）無(wú)鏈接通道，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認(rèn)功能必須由應(yīng)用層解決，地址碼的識(shí)別增加了通信的安全性；5）終端設(shè)備安裝架設(shè)方便，傳輸距離遠(yuǎn)，不受視距限制。上述特點(diǎn)均與試驗(yàn)場(chǎng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸需求相一致［7～8］。

北斗衛(wèi)星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，經(jīng)核準(zhǔn)的用戶可利用連續(xù)傳送方式，最多可傳送120個(gè)漢字。每個(gè)用戶終端都有專用識(shí)別碼，用戶終端隨機(jī)響應(yīng)某一時(shí)刻經(jīng)過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的詢問(wèn)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)和詢問(wèn)信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)中都有通信信息段。用戶終端需與其他終端通信時(shí)，將對(duì)方地址碼和通信電文隨響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)衛(wèi)星發(fā)送到地面控制中心，地面控制中心收到該響應(yīng)信號(hào)，譯出目的終端地址和通信電文，將通信電文加載到目的用戶終端能夠識(shí)別的通信碼信息中，隨詢問(wèn)信號(hào)一同發(fā)射出去。這樣對(duì)應(yīng)的用戶終端便可得到通信信息，而非對(duì)應(yīng)地址碼的終端解不出通信段內(nèi)容，估計(jì)整個(gè)通信過(guò)程只需1s左右即可完成。

從試驗(yàn)場(chǎng)所需傳輸數(shù)據(jù)角度考慮，海上位置數(shù)據(jù)最大值為77字節(jié)，主要包括時(shí)間12字節(jié)、經(jīng)度12字節(jié)、緯度12字節(jié)、高度5字節(jié)、速度15字節(jié)、航向6字節(jié)和指揮指令15字節(jié)等。若考慮特殊字節(jié)（如數(shù)據(jù)包的頭、尾和空字節(jié)），最大值為100字節(jié)。北斗傳輸能力為120個(gè)漢字，相當(dāng)于240字節(jié)，完全滿足試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸最大需求。對(duì)于一般試驗(yàn)，只需要傳輸時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、速度參數(shù)，約56字節(jié)，北斗一般用戶可傳輸36個(gè)漢字，相當(dāng)于72字節(jié)，滿足試驗(yàn)場(chǎng)一般用戶數(shù)據(jù)傳輸需求。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括岸基指揮所指揮型北斗機(jī)和海上移動(dòng)平臺(tái)通信型北斗機(jī)，利用試驗(yàn)場(chǎng)已建成的微波局域網(wǎng)，增加HUB和網(wǎng)線等配套硬件。其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。岸基指揮所硬件結(jié)構(gòu)主要包括衛(wèi)星接收機(jī)、工控計(jì)算機(jī)、BD指揮機(jī)、衛(wèi)星天線和微波網(wǎng)服務(wù)器等組成；海上移動(dòng)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)主要包括信息交換單元、衛(wèi)星接收機(jī)、BD用戶機(jī)、衛(wèi)星天線和微波網(wǎng)服務(wù)器等組成。

岸基指揮所硬件實(shí)現(xiàn)主要由工控計(jì)算機(jī)將各硬件串聯(lián)而成?？紤]到北斗指揮機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)、微波網(wǎng)服務(wù)器都需要與計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)串口硬件需求量較大，一般計(jì)算機(jī)很難滿足硬件要求，如果在一般計(jì)算機(jī)上安裝串口卡實(shí)現(xiàn)多串口功能，會(huì)出現(xiàn)串口功能不穩(wěn)定及數(shù)據(jù)傳輸效率下降等問(wèn)題；而工控機(jī)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格指標(biāo)測(cè)試，性能較為穩(wěn)定，所以在硬件設(shè)計(jì)里采用5串口工控機(jī)為主要硬件［9～10］。

海上活動(dòng)站硬件選擇原理上與岸基指揮所一致，但考慮到海上目標(biāo)供電、空間等特殊要求，采用鋰電池，及體積更小的信息交換單元設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從圖上可以看出，岸基指揮所采用分體式指揮型北斗機(jī)和岸基微波無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)合的方式，無(wú)縫鏈接采用工控計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；海上移動(dòng)采用一體式北斗機(jī)和微波局域網(wǎng)小型服務(wù)器設(shè)備結(jié)合方式，通過(guò)信息交換單元控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。為了便于在海上移動(dòng)平臺(tái)上安裝架設(shè)，采用鋰電池供電設(shè)計(jì)，電池容量可保障24h連續(xù)工作。圖2（b）中信息交換單元內(nèi)部采用PC104單片機(jī)為核心器件，YMA18T7Z1P4航空器件為接口，分支串口采用計(jì)算機(jī)通用的9針串口。信息交換單元連接北斗及微波局域網(wǎng)的串口設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和串口發(fā)布如圖3和表1所示。

表1 北斗及微波局域網(wǎng)的串口定義

圖3 北斗與微波局域網(wǎng)串口連接

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述分析可以理解為試驗(yàn)場(chǎng)視距內(nèi)定位數(shù)據(jù)傳輸主要采用微波局域網(wǎng)形式，視距外定位數(shù)據(jù)傳輸采用北斗通信形式。將上述數(shù)據(jù)傳輸方法研制產(chǎn)品樣機(jī)并非容易，主要需要考慮以下方面。首先，要保證各平臺(tái)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸具有連續(xù)性，這就要求微波局域網(wǎng)與北斗通信系統(tǒng)之間做無(wú)縫鏈接處理，要很好實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，需通過(guò)相應(yīng)的硬件軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)；其次，微波局域網(wǎng)在視距極限值附近傳輸并不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)，甚至丟包現(xiàn)象，這就需要北斗通信數(shù)據(jù)加以補(bǔ)充完善；最后硬件設(shè)計(jì)完成后，無(wú)縫鏈接主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)，故軟件是本系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在［11］。軟件安裝在工控機(jī)或信息交換單元內(nèi)，設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

海上活動(dòng)目標(biāo)定位數(shù)據(jù)通過(guò)信息交換單元、北斗及微波局域網(wǎng)同時(shí)發(fā)送給指揮所工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)軟件編程判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，若北斗傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于微波局域網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量，則將北斗指揮機(jī)接收數(shù)據(jù)發(fā)送至指揮大屏或?yàn)槠渌疚惶峁┮龑?dǎo)；反之亦然［12］。工控機(jī)選擇好的信道將控制指令發(fā)送給相應(yīng)的海上活動(dòng)站位，通過(guò)信息交換單元判斷指令的完整性，擇優(yōu)顯示。位置數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣判斷依據(jù)有兩個(gè)：一是數(shù)據(jù)包頭尾是否完整，二是依據(jù)三點(diǎn)建航原則，連續(xù)三個(gè)數(shù)據(jù)包丟失則認(rèn)為數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。當(dāng)然可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，指令完整性判斷亦然。這里說(shuō)明一點(diǎn)，信息交換單元與工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)功能相似，可根據(jù)實(shí)際情況做互換調(diào)整并調(diào)整相應(yīng)的軟件配置。

圖4 定位數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖

4 外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

依據(jù)本設(shè)計(jì)方案，研制了XXX型海上定位數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并應(yīng)用于試驗(yàn)中，取得較好結(jié)果。試驗(yàn)方案是海上移動(dòng)平臺(tái)從距離岸基指揮所13km處向外拉距航行至37km，由于海上風(fēng)浪影響航路圖并非直線，岸基指揮所北斗和微波天線架高為約25.5m，海上平臺(tái)北斗和微波天線架高約為13m，則通過(guò)菲涅爾經(jīng)典公式：

計(jì)算視距理論值為31km。其中d為距離，單位公里，h1和h2分別為通信兩端天線架高，單位為米。圖5為試驗(yàn)中單獨(dú)用微波網(wǎng)回傳的移動(dòng)目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，圖6為北斗與微波網(wǎng)無(wú)縫鏈接后回傳的移動(dòng)目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)。

圖5 微波網(wǎng)回傳的位置數(shù)據(jù)

對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，由于電磁及氣象環(huán)境影響在海上目標(biāo)航行距離>26km后，微波局域網(wǎng)接收定位數(shù)據(jù)時(shí)斷時(shí)續(xù)，其中在約31km～32km（見圖5的A標(biāo)識(shí)處）和約34km～35km（見圖5的B標(biāo)識(shí)處）處數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重。采用北斗與微波局域網(wǎng)無(wú)縫鏈接方式接收數(shù)據(jù)相對(duì)連續(xù)且穩(wěn)定，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失情況，如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法有效提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)回傳的穩(wěn)定性和可靠性，具有較高應(yīng)用價(jià)值。另外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)利用北斗通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)偶爾也會(huì)出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象，但并不嚴(yán)重，主要由于試驗(yàn)時(shí)北斗系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)率低于微波局域網(wǎng)，可能導(dǎo)致一些偶爾的數(shù)據(jù)丟失。

圖6 北斗與微波網(wǎng)無(wú)縫鏈接回傳的位置數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行比較分析基礎(chǔ)上，給出各通信方式的優(yōu)點(diǎn)和局限性，單一數(shù)傳方法已不能滿足海上移動(dòng)平臺(tái)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｎ闹刑岢隽艘环N基于微波網(wǎng)與北斗通信無(wú)縫鏈接的海上位置數(shù)據(jù)傳輸方法，構(gòu)建了一個(gè)傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性高和可靠性號(hào)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，研制出海上數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并首次應(yīng)用于外場(chǎng)試驗(yàn)中，結(jié)果表明該系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理可行，數(shù)據(jù)回傳穩(wěn)定和可靠性高，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。