北斗短報(bào)文功能在偵察領(lǐng)域的應(yīng)用

劉云雷,蔡 偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

“短報(bào)文”其實(shí)相當(dāng)于現(xiàn)在人們平時(shí)用的“短信息”,北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信功能為各種平臺應(yīng)用提供了極大的便利。目前北斗短報(bào)文已經(jīng)大量應(yīng)用到救援、野外作業(yè)、海上作業(yè)系統(tǒng)。在軍事領(lǐng)域,北斗的短報(bào)文功能已經(jīng)在各種平臺開展應(yīng)用,在機(jī)載平臺上,搭載電子偵察設(shè)備通過北斗用戶機(jī)與地面中心站雙向數(shù)據(jù)通信。那么在信息傳遞過程中,必不可少地要考慮北斗短報(bào)文性能受環(huán)境因素以及北斗衛(wèi)星部署情況的影響,這將為電子偵察設(shè)備的應(yīng)用場景提出新的挑戰(zhàn)。同時(shí)在偵察領(lǐng)域,信號分選性能指標(biāo)一般要達(dá)到32批/s,單批信息包含截獲時(shí)間、頻率類型、脈寬類型、重周類型、頻率值、脈寬值、重周值等,這些信息在通用處理計(jì)算器內(nèi)存中占用的字節(jié)數(shù)約為32字節(jié),10 s累計(jì)的信息量約為32×32×10字節(jié),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單次北斗短報(bào)文最多傳送210字節(jié)的指標(biāo)。這里還不涉及定位、測向、識別結(jié)果、系統(tǒng)狀態(tài)等信息。計(jì)算北斗短報(bào)文的傳送速率為:21字節(jié)/s,而需要傳送的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 024字節(jié)/s。怎樣調(diào)和這樣的矛盾,同時(shí)高效、自適應(yīng)地利用北斗短報(bào)文功能進(jìn)行偵察信息的傳送是本篇文章的意義所在。

圖1 設(shè)備部署圖

1 信息編碼

為了提高單次信息攜帶量,目前市面上主要采用ASCII編碼來描述日期時(shí)間信息,即使采用最好的數(shù)據(jù)壓縮方式,仍將占用十幾個(gè)字節(jié),在軍事領(lǐng)域,這種編碼技術(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

要想進(jìn)一步提高單次信息攜帶量,那必須摒棄市面上字符編碼的方式,重新對偵察信息進(jìn)行編碼,高效簡潔的方式就是利用原碼方式來進(jìn)行信息編碼,例如可通過約占用4個(gè)字節(jié)數(shù)來描述日期時(shí)間信息,具體見表1信息單元定義,通過原碼編碼,就可將信息攜帶量提高到2倍以上。

表1 信息編碼單元

2 信息分類

針對偵察領(lǐng)域的技術(shù)特征進(jìn)行分析,偵察領(lǐng)域在偵收到信號以后,會對不同的信號進(jìn)行編批處理,批號采用數(shù)值遞增的方式。信號的內(nèi)容由信號批號單元、信號描述單元、方位單元組成。在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí),其同一批號的信號描述單元的內(nèi)容不會發(fā)生變化,變化的是信號的方位單元內(nèi)容。那么可以這樣設(shè)計(jì):當(dāng)出現(xiàn)新的批號信息時(shí),將其批號、信號描述、信號方位告知地面中心站,后續(xù)執(zhí)行任務(wù)時(shí),再次出現(xiàn)這個(gè)批號,則只傳送信號方位。

在機(jī)載平臺上,電子偵察設(shè)備一般采用測向交叉定位技術(shù)對固定目標(biāo)或者慢速目標(biāo)定位,實(shí)際上是伴隨著機(jī)載平臺的移動,信號測向方位不斷變化,通過交叉而對定位點(diǎn)凝聚的過程,在這個(gè)過程中,要向地面中心站持續(xù)更新定位點(diǎn)。

根據(jù)上述分析,可對多個(gè)信息單元排列組合,產(chǎn)生多種類型、描述具有偵察價(jià)值的信息,稱為信息類別。信息類別中包含信息類別單元和其他信息單元,新組建的信息單元個(gè)數(shù)不固定,可根據(jù)實(shí)際情況添加或者刪除,示例見表2。

表2 信息類別

3 信息取舍

針對機(jī)載的特性,有些數(shù)據(jù)是每次必要上報(bào)的,例如:機(jī)載位置、系統(tǒng)時(shí)間、流水號等。首先對傳輸數(shù)據(jù)定義:電子偵察設(shè)備偵獲的信息,并且希望通過北斗用戶機(jī)傳送的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過對傳輸數(shù)據(jù)的信息分類,發(fā)現(xiàn)在電子偵察設(shè)備滿負(fù)荷工作時(shí),存在傳輸數(shù)據(jù)擁堵的情況,這時(shí)可對發(fā)送信息進(jìn)行取舍。

步驟1:保證傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)效性,一般對數(shù)據(jù)的歷史保留時(shí)間設(shè)定為10 s。當(dāng)然時(shí)間設(shè)定也可采用自適應(yīng)的方式,依據(jù)北斗通信卡的發(fā)送最短間隔數(shù)值作為歷史數(shù)據(jù)保留時(shí)間,也可通過地面中心站交互的信息來改變。

步驟2:對信息類別以及信息類別中的單元進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)定?？稍O(shè)置2層優(yōu)先級:

第1層針對信息類別,例如可設(shè)定:目標(biāo)定位信息類別最高,方位信息類別次之,信號信息類別最低。第1層優(yōu)先級的設(shè)定可在執(zhí)行任務(wù)前預(yù)先設(shè)定,也可通過地面中心站交互的信息來改變。

第2層是針對信息類別中的信息單元設(shè)定。信號信息類別中的單元,默認(rèn)優(yōu)先級為信號批號單元的數(shù)值:數(shù)值越小,優(yōu)先級越大,可通過地面中心站交互的查詢批號的信息來改變默認(rèn)優(yōu)先級。而定位信息類別、方位信息類別中的信息單元按照歷史時(shí)間順序設(shè)定優(yōu)先級:歷史時(shí)間值越小,優(yōu)先級越高。

步驟3:設(shè)定發(fā)送隊(duì)列,大小為單次北斗卡最大發(fā)送字節(jié)數(shù)。而后依照優(yōu)先級高低順序?qū)⑿畔㈩悇e添加到發(fā)送隊(duì)列。在添加信息類別數(shù)據(jù)時(shí),則按照信息類別中的信息單元優(yōu)先級添加,在添加信息單元時(shí)要判斷空間是否充足,如果不充足,則舍棄該單元。

圖2 信息取舍

4 信息溝通準(zhǔn)則

在電子偵察設(shè)備與北斗用戶機(jī)之間建立良好的溝通機(jī)制,是有效提高信息傳送能力的手段,因此需要設(shè)定溝通準(zhǔn)則。

北斗用戶機(jī)與電子偵察設(shè)備之間信息交互,要嚴(yán)格遵循報(bào)文協(xié)議。

北斗用戶機(jī)提供關(guān)于當(dāng)前短報(bào)文通信信道性能方面的描述信息,方便電子偵察設(shè)備獲知。

北斗用戶機(jī)提供北斗通信卡的性能描述信息:單次可允許發(fā)送最大的字節(jié)數(shù)、最短允許發(fā)送時(shí)間間隔,以便電子偵察設(shè)備根據(jù)北斗通信卡的性能調(diào)整傳輸策略,達(dá)到自適應(yīng)性。

北斗用戶機(jī)下發(fā)空閑消息到電子偵察設(shè)備,表明北斗用戶機(jī)當(dāng)前具備傳送數(shù)據(jù)的能力。

5 通信鏈路

北斗用戶機(jī)與電子偵察設(shè)備之間可通過網(wǎng)絡(luò)、RS-485等作為設(shè)備之間的鏈路橋梁,下面章節(jié)以網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行舉例說明。

6 信息交互時(shí)序

(1) 電子偵察設(shè)備為服務(wù)器,北斗用戶機(jī)為客戶端,兩者建立網(wǎng)絡(luò)連接。

(2) 北斗用戶機(jī)將北斗卡的性能參數(shù)(單次最大發(fā)送字節(jié)數(shù)和最短時(shí)間間隔)提交給電子偵察設(shè)備。

(3) 電子偵察設(shè)備在偵察歷史數(shù)據(jù)保留時(shí)間采用自適應(yīng)的方式下,將其保留時(shí)間設(shè)定為最短時(shí)間間隔。電子偵察設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列空間大小設(shè)定為單次最大發(fā)送字節(jié)數(shù)。

(4) 開啟空閑指令超時(shí)循環(huán)處理流程,時(shí)間設(shè)定為北斗最短時(shí)間間隔值。在時(shí)間間隔內(nèi),收到空閑指令則重新計(jì)時(shí),超時(shí)則發(fā)送查詢狀態(tài)信息到北斗用戶機(jī),北斗用戶機(jī)上報(bào)狀態(tài)信息到電子偵察設(shè)備,狀態(tài)信息包括北斗通信信道方面的內(nèi)容,電子偵察設(shè)備保存信息供事后分析。

(5) 北斗用戶機(jī)上報(bào)空閑指令,電子偵察設(shè)備則單次跳過空閑指令超時(shí)循環(huán)處理流程,而后按照信息取舍的步驟打包數(shù)據(jù),并將信息提交到北斗用戶機(jī),北斗用戶機(jī)則將信息轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站。

(6) 地面中心站下發(fā)包括信息類型優(yōu)先級、查詢批號等消息到北斗用戶機(jī),北斗用戶機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)消息到電子偵察設(shè)備,電子偵察設(shè)備根據(jù)消息調(diào)整傳輸策略。

7 軟件建模

上述章節(jié)的描述可統(tǒng)稱為北斗通信業(yè)務(wù)。利用面向?qū)ο笏枷胪瓿绍浖?并重點(diǎn)描述架構(gòu)中的業(yè)務(wù)邏輯,實(shí)現(xiàn)層中功能組件分工合作完成這項(xiàng)業(yè)務(wù),見圖3。

圖3 軟件架構(gòu)

代表層描述:CMainCtrl 負(fù)責(zé)CSys、Cport、CDB功能模塊的創(chuàng)建和配置、通信端口的“讀”任務(wù)的啟動、CMainCtrl充當(dāng)管家的角色。

功能接口設(shè)計(jì)層描述:CPort主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā),采用適配器設(shè)計(jì)模式的思想,提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收發(fā)接口,CPort的子類通過對驅(qū)動的封裝來適配接口。同時(shí)采用觀察者的思想來完成數(shù)據(jù)接收的邏輯,CPort充當(dāng)信息發(fā)布方,CSys充當(dāng)信息訂閱方,CPort組件充當(dāng)交通樞紐的角色。

CMdu具體負(fù)責(zé)對接收的報(bào)文信息進(jìn)行拼接、合法性檢查、解析、信息分類等,將結(jié)果返回給對應(yīng)的CSys組件,同時(shí)對CPort的發(fā)送接口進(jìn)行裝飾設(shè)計(jì),為CSys組件提供新的發(fā)送數(shù)據(jù)的接口。主要目的是幫助CSys從系統(tǒng)的報(bào)文協(xié)議的解析、打包程式中解脫出來,專心負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)上的邏輯處理,CMdu充當(dāng)CSys與CPort之間的“翻譯器”。

CDB組件作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集中心,對系統(tǒng)中流轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,并根據(jù)任務(wù)要求備份歷史數(shù)據(jù),對外提供數(shù)據(jù)保存接口、數(shù)據(jù)提取接口,是Csys組件的具體處理對象。

CSys主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)上的處理,是整個(gè)軟件的核心價(jià)值體現(xiàn)。

業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)層描述:通過對功能組件接口設(shè)計(jì)層的描述,以及北斗通信業(yè)務(wù)的分析,可以搭建功能組件之間的接口圖,見圖4。

圖4 組件接口圖

CSysBDSCtrl負(fù)責(zé)信息取舍工作和信息交互時(shí)序,CDBSignal作為偵察數(shù)據(jù)歷史信息提供方,CMduNet負(fù)責(zé)電子偵察設(shè)備與北斗用戶機(jī)之間的報(bào)文協(xié)議的執(zhí)行者,CPortNet負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的實(shí)施方,CBitSerials負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)信息類別化和bits發(fā)送隊(duì)列的維護(hù)工作,這幾個(gè)功能模塊配合,完成北斗通信業(yè)務(wù),可用執(zhí)行順序圖來描述,其中代表層的CMainCtrl作為管理者也參與其中,如圖5 所示。CSysBDSCtrl作為北斗通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的主要負(fù)責(zé)人,著重詳細(xì)描述如圖6所示。

圖5 業(yè)務(wù)邏輯層功能組件執(zhí)行順序圖1

圖6 業(yè)務(wù)邏輯層功能組件執(zhí)行順序圖2

設(shè)計(jì)中遵循了單一職責(zé)(SRP)和開放封閉原則(OCP),保證系統(tǒng)的擴(kuò)展性需求。

8 結(jié)束語

本文的最大意義在于在機(jī)載平臺搭載電子偵察設(shè)備執(zhí)行任務(wù)時(shí),利用北斗短報(bào)文通信功能,最大限度地利用其通信信道資源,將重大偵察價(jià)值信息快速實(shí)時(shí)地傳送到地面中心站。依照上述設(shè)計(jì),該技術(shù)已經(jīng)在某型號機(jī)載電子偵察設(shè)備中使用,效果良好,單次飛行執(zhí)行偵察任務(wù)2 h,可對5個(gè)固定點(diǎn)的定位信息傳送100次以上,信號描述信息超500批,信號方位信息累計(jì)超2 000次。