基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的通信導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張聰 張偉 鐘洋 李琦 張永清

（中電科蓉威電子技術(shù)有限公司 四川省成都市 610031）

我國(guó)幅員遼闊，在發(fā)生如地震、塌方等自然災(zāi)害的特殊情況下，地面公共通信網(wǎng)絡(luò)可能癱瘓無(wú)法正常使用；同時(shí)在一些通信盲區(qū)如深山、地下及部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)可能失靈。此時(shí)，需要借助衛(wèi)星移動(dòng)通信構(gòu)建緊急通信鏈路。近年來(lái)，我國(guó)的衛(wèi)星移動(dòng)通信都依賴(lài)國(guó)外的衛(wèi)星系統(tǒng)，無(wú)法保障信息安全，也很難滿(mǎn)足我國(guó)大陸地區(qū)衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)際需求，存在諸如對(duì)星難、資費(fèi)高、使用效率低下等問(wèn)題，這對(duì)于我國(guó)向各行業(yè)推廣衛(wèi)星移動(dòng)通信是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。隨著我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星的發(fā)射，它們?yōu)槲覈?guó)脫離對(duì)國(guó)外衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的依賴(lài)提供了有力支撐，同時(shí)系統(tǒng)提供了民用支持，為提高各行業(yè)實(shí)際落地應(yīng)用提供了可能性。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信服務(wù)系統(tǒng)一般僅提供用戶(hù)接入通路服務(wù)，難以形成行業(yè)針對(duì)性應(yīng)用。此問(wèn)題在窄帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域凸顯更加明顯，應(yīng)用形式單一、可用性不高。需在設(shè)備前端通過(guò)異步收發(fā)機(jī)制，集成多種通信鏈路，采集定位、文字等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)量、優(yōu)先級(jí)、用戶(hù)自定義規(guī)則等方式進(jìn)行通信鏈路自適應(yīng)選擇和融合，保證通信鏈路使用的充分性、高效性和實(shí)用性。

本文提出了一種基于北斗衛(wèi)星的巡護(hù)通信導(dǎo)航系統(tǒng)，其核心是一款便攜式通信導(dǎo)航中繼設(shè)備，該設(shè)備融合了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和短報(bào)文通信技術(shù)，通過(guò)Wi-Fi 熱點(diǎn)與用戶(hù)端智能手機(jī)連接，并在用戶(hù)安裝手機(jī)配套APP。以此方式，用戶(hù)便可使用北斗導(dǎo)航定位、北斗短報(bào)文通信等功能服務(wù)。該設(shè)備不受地域限制，在森林、邊境、沙漠、海洋等移動(dòng)信號(hào)盲區(qū)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和定位，可廣泛應(yīng)用于林草防護(hù)、邊防巡邏、地質(zhì)勘探、戶(hù)外旅游等多領(lǐng)域，具有極強(qiáng)的便攜性和易用性。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)提供以下幾個(gè)方面的能力來(lái)解決無(wú)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商信號(hào)時(shí)用戶(hù)無(wú)法與指揮中心進(jìn)行交互及上報(bào)自身位置的問(wèn)題。全域?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Γ合到y(tǒng)利用北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的手段對(duì)搭載本產(chǎn)品的人員位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍內(nèi)的人員目標(biāo)位置探測(cè)、感知；全域通信能力：系統(tǒng)利用北斗短報(bào)文通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)間無(wú)公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交互，交互包括數(shù)據(jù)和文字消息；系統(tǒng)可將各類(lèi)如位置信息、傳感信息、告警信息等傳送至其他同類(lèi)產(chǎn)品或指揮中心。熱點(diǎn)連接能力：設(shè)備利用Wi-Fi 發(fā)布熱點(diǎn)，用戶(hù)普通智能手機(jī)使用配套APP 并連接熱點(diǎn)即可享受導(dǎo)航和通信服務(wù)，提高用戶(hù)使用便捷型，節(jié)約成本，提升產(chǎn)品使用方式靈活性。指揮平臺(tái)對(duì)接能力：提供自動(dòng)或手動(dòng)的方式向指揮中心平臺(tái)發(fā)送人員位置、消息，指揮平臺(tái)可實(shí)時(shí)掌握其軌跡并下發(fā)指令。

系統(tǒng)在組成上采用分離式設(shè)計(jì)，將核心處理單元（便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點(diǎn)）、顯控單元（三防顯控終端）和后臺(tái)指揮單元（地面指揮平臺(tái)）分離，各自發(fā)揮作用，如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)原理框圖

便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi 通信熱點(diǎn)的主體功能。將此單元與顯控單元分離進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)主要從使用便捷性考慮，可將該終端以更靈活、方便的方式佩戴于人員身上，形成僅提供處理功能的核心單元，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至智能手機(jī)終端和指揮平臺(tái)系統(tǒng)做進(jìn)一步業(yè)務(wù)級(jí)處理。外出工作人員可以單獨(dú)使用此單元，后臺(tái)指揮系統(tǒng)即可對(duì)人員的管控和告警，簡(jiǎn)單快捷。

三防顯控終端是配備了APP 的智能手機(jī)，可以通過(guò)Wi-Fi 熱點(diǎn)的方式連接至衛(wèi)星通導(dǎo)一體終端，從而完成各類(lèi)衛(wèi)星導(dǎo)航、通信數(shù)據(jù)的收發(fā)，并提供各類(lèi)如北斗短報(bào)文、衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位、衛(wèi)星通話(huà)、SOS 告警報(bào)平安、軌跡上報(bào)等功能。

同時(shí)，終端的位置和消息結(jié)構(gòu)化信息可通過(guò)北斗短報(bào)文傳輸至地面指揮平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。可建立數(shù)據(jù)處理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)人員行為分析、態(tài)勢(shì)統(tǒng)計(jì)、電子圍欄、警示告警等方面的能力。

2 系統(tǒng)核心硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中核心設(shè)備便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點(diǎn)設(shè)備采用便攜式設(shè)計(jì)，集成北斗RDSS 短報(bào)文、北斗RNSS 定位功能，顯控終端與通過(guò)Wi-Fi 建立連接并完成終端的操控顯示，如圖2所示。主機(jī)由北斗RD 模塊、北斗RN 模塊、主處理模塊、Wi-Fi 通信模塊及配套的天線及用于人機(jī)交互的按鍵和指示燈等組成。

圖2：便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖

本設(shè)備需解析北斗導(dǎo)航、短報(bào)文通信等多種設(shè)備數(shù)據(jù)，同時(shí)需提供TCP、HTTP 等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并控制整機(jī)狀態(tài)和指示，程序并行任務(wù)多，需增強(qiáng)調(diào)度維護(hù)適應(yīng)性。中心處理器選擇iMX6ULL 處理器，運(yùn)行Linux 操作系統(tǒng)，提供良好的開(kāi)發(fā)和維護(hù)環(huán)境，搭建基于Wi-Fi 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可同時(shí)服務(wù)于部署和調(diào)試環(huán)境。同時(shí)本設(shè)備采用高集成度的北斗RDSS 模塊實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信功能，有效利于控制整機(jī)體積和功耗，提升設(shè)備便攜性和持續(xù)工作時(shí)間。模塊集成RDSS 收發(fā)射頻芯片、基帶芯片、PA 電路(5W)及LNA 電路，可通過(guò)外接 SIM 卡及無(wú)源天線即可實(shí)現(xiàn)北斗RDSS 短報(bào)文通信功能和有源定位功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心軟件采用異步收發(fā)機(jī)制，同時(shí)接入北斗短報(bào)文鏈路數(shù)據(jù)，并與導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)有機(jī)融合，以鏈路自適應(yīng)的傳輸方式，將帶有導(dǎo)航信息的通信數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一接口發(fā)布為基于TCP+HTTP的綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)端可利用Wi-Fi 鏈路就地發(fā)布TCP 服務(wù)，用戶(hù)通過(guò)APP 軟件即可使用衛(wèi)星一體化消息、導(dǎo)航定位等功能；也可通過(guò)接口協(xié)議與設(shè)備交互，開(kāi)發(fā)定制化應(yīng)用。設(shè)備信息同時(shí)會(huì)通過(guò)北斗短報(bào)文鏈路上傳至北斗協(xié)議解析與處理軟件，用戶(hù)的指揮平臺(tái)端可通過(guò)HTTP 服務(wù)與設(shè)備建立交互關(guān)系，實(shí)時(shí)收發(fā)位置和文字消息，或查詢(xún)歷史信息。

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要部署在便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點(diǎn)、三防顯控終端以及各類(lèi)服務(wù)器中，如圖3所示。具體部署情況見(jiàn)表1。

圖3：系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

表1：軟件部署情況

3.2 軟件交互設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流如圖4所示，其中數(shù)據(jù)流含義具體描述如下：

圖4：系統(tǒng)軟件交互設(shè)計(jì)圖

（1）衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件交互衛(wèi)星導(dǎo)航和通信的基本數(shù)據(jù)信息和控制指令；

（2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件與北斗協(xié)議解析與處理軟件交互北斗短報(bào)文協(xié)議封裝的各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息；

（3）衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與應(yīng)用APP 后臺(tái)軟件收發(fā)APP 設(shè)置和更新的相關(guān)數(shù)據(jù)；

（4）北斗協(xié)議解析與處理軟件與業(yè)務(wù)處理軟件交互解析后符合系統(tǒng)內(nèi)部自定格式的各類(lèi)原始位置、告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)；

（5）業(yè)務(wù)處理軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)SQL 方式存取各類(lèi)原始位置信息、處理后的告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；

（6）數(shù)據(jù)庫(kù)與Web 服務(wù)軟件（后臺(tái)）通過(guò)SQL 方式各類(lèi)原始位置信息、處理后的告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；

（7）應(yīng)用Web 服務(wù)軟件（后臺(tái)）通過(guò)向應(yīng)用Web 服務(wù)軟件（前端）發(fā)布服務(wù)完成交互；

（8）Web 服務(wù)軟件（后臺(tái)）向GIS 服務(wù)軟件索取各類(lèi)GIS 地圖服務(wù)，輔助Web 網(wǎng)頁(yè)的發(fā)布。

其中衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件TCP 通信協(xié)議幀舉例：

字段值字節(jié)數(shù)說(shuō)明包頭0XA71byte包長(zhǎng)度4byte北斗RN 使能1byte1：開(kāi)啟，0：禁止北斗RN 入網(wǎng)1byte1：已開(kāi)啟，0：未開(kāi)啟北斗RD 使能1byte1：開(kāi)啟，0：禁止北斗RD 入網(wǎng)1byte1：已開(kāi)啟，0：未開(kāi)啟位置自動(dòng)上報(bào)1byte1：已開(kāi)啟，0：未開(kāi)啟電池電量1byte百分比：0～100校驗(yàn)碼1byte

北斗協(xié)議解析與處理軟件與業(yè)務(wù)處理軟件HTTP 通信協(xié)議幀舉例：

4 應(yīng)用場(chǎng)景搭建與測(cè)試

結(jié)合系統(tǒng)功能和特點(diǎn)，選取了一種野外無(wú)人區(qū)日常巡護(hù)典型應(yīng)用場(chǎng)景為測(cè)試環(huán)境。在日常巡護(hù)過(guò)程中，巡護(hù)人員多處于無(wú)地面公網(wǎng)覆蓋區(qū)域，在發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)無(wú)法第一時(shí)間進(jìn)行上報(bào)。巡護(hù)人員可通過(guò)本系統(tǒng)，利用北斗短報(bào)文技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡護(hù)員間、巡護(hù)員與指揮中心的語(yǔ)音、消息、位置等信息實(shí)時(shí)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全域無(wú)死角巡護(hù)，提升巡護(hù)險(xiǎn)情預(yù)警時(shí)效性。

（1）利用終端間互通能力，巡護(hù)員在巡護(hù)過(guò)程中可與其他人員通過(guò)北斗短報(bào)文實(shí)現(xiàn)位置信息共享，并在手機(jī)APP 直觀顯示自己與其他人員的相對(duì)位置及距離方位等信息，實(shí)現(xiàn)人員間的最后一公里通信。

（2）還可利用終端與指揮平臺(tái)互通能力，人員在巡護(hù)過(guò)程中可與指揮中心建立聯(lián)系，通過(guò)北斗短報(bào)文上報(bào)自身位置，在平臺(tái)顯示人員行動(dòng)軌跡和態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)日常監(jiān)管力度，并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)實(shí)時(shí)通過(guò)北斗短報(bào)文消息的形式向指揮中心報(bào)告情況，提升險(xiǎn)情預(yù)警時(shí)效性。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5：終端互通測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的通信導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有衛(wèi)星移動(dòng)信號(hào)盲區(qū)覆蓋、多衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)融合、終端便攜靈活、高續(xù)航支持、靈活接入指揮平臺(tái)等優(yōu)勢(shì)，可采集位置、文字信息、語(yǔ)音等數(shù)據(jù)，并通過(guò)北斗短報(bào)文通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，最終在現(xiàn)場(chǎng)端手機(jī)和后端指揮平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行交互展示。通過(guò)定制SOS 搜救、離線地圖支持、指揮導(dǎo)航、終端脫機(jī)控制等功能，更好的服務(wù)于各類(lèi)行業(yè)用戶(hù)。同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了針對(duì)性野外無(wú)人區(qū)巡護(hù)應(yīng)用場(chǎng)景，并完成了外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，效果良好，還可適用于邊防巡邏、地質(zhì)勘探、戶(hù)外旅游等長(zhǎng)期工作于無(wú)移動(dòng)信號(hào)覆蓋的領(lǐng)域。通過(guò)借鑒本產(chǎn)品的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)具體需求還擴(kuò)展添加各類(lèi)傳感器，廣泛應(yīng)用于其他特殊需求行業(yè)設(shè)備，具有較高的推廣價(jià)值。