北斗二代系統在測試場超視距通信指揮中的應用

孫偉偉,白玉棟

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島 066000)

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)建成以后可為各類用戶全天候提供高精度導航、定位、授時等服務。它有別于其他衛星導航系統之處在于其能夠在不同用戶終端之間發送類似手機短信形式的短報文。北斗二代衛星系統繼承了北斗一代系統的通信功能,其所具有的位置報告功能和指揮型用戶機設計,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與其他擁有北斗系統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”。北斗二代衛星導航系統在提供無源定位導航和授時等服務時,用戶數量沒有限制,特別適合集團用戶大范圍監控和管理,適合軍事部門應用。目前測試場試驗向大航區、大射程方向發展,航程往往達數百公里,數據傳輸超出了“看得見”的視距范圍,需要進行超視距通信，而測試場傳統的無線數傳電臺、微波、無線局域網、衛星通信等通信方式,在覆蓋范圍、布站方式等方面存在著很多局限性。為了滿足今后測試場新型艦船及裝設備在大航區、復雜電磁環境下試驗的通信保障需求,利用北斗二代衛星系統覆蓋范圍廣、不受地形、氣候因素影響、導航與通信結合使用、設備安裝及通信費用經濟實惠等特點,可成功解決測試場遠距離通信的難題，測試場可以利用北斗二代衛星導航系統短報文通信功能實現超視距簡短通信指揮。

1 北斗二代系統通信技術特點

北斗衛星導航系統是我國自主研制的衛星導航系統,北斗衛星導航系統工程建設“三步走”戰略的第二步目標——北斗二代衛星導航系統區域組網已順利實現(截止到2012年底,在軌工作衛星有5顆地球靜止軌道衛星(GEO),4顆中圓地球軌道衛星(MEO)和5顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO))。北斗二代衛星系統在亞太地區的精度不差于GPS全球定位系統,可全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航和授時服務,并兼具短報文通信能力,堪稱中國的“GPS”。

1.1 北斗二代系統的通信技術指標

目前北斗二代衛星導航系統的短報文通信功能允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間進行雙向數據傳輸。一般用戶一次可傳輸36個漢字(72個字節),經核準的用戶可利用連續傳送方式,最多一次可傳送120個漢字(240個字節)，這種簡短通信服務,GPS無法提供。北斗二代系統的其他主要通信技術指標為:

工作頻段(用戶終端至衛星):上行為L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;

系統誤碼率:1×10-7;

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

定位響應時間:一類用戶機〈10 s,二類用戶機〈2 s,三類用戶機〈1 s.

用戶終端功耗:車載機約30 W.

1.2 北斗二代系統的通信工作方式

北斗二代系統具有點對點雙向數據傳輸方式,也稱端對端通信,通信流程為:短報文用戶發送端首先將包含接收方ID號和通信內容的通信申請信號加密后通過北斗衛星轉發至地面中心站(入站信號);地面中心站處理接收到的信號,并將其發送到地面網管中心;地面網管中心接收到通信申請信號后,經解密和再加密后發送至地面中心站;地面中心站將其加入持續廣播的出站信號電文中,經北斗衛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送端，北斗二代衛星導航系統通信流程示意如圖1所示。

圖1 北斗二代系統點對點雙向數據傳輸示意圖

在北斗二代系統衛星通信點對點雙向數據傳輸工作方式中,還有一種點對多點的“通播”方式,即在一個用戶群(用戶系統)中,將用戶群中的一個測站作為主站,將其終端設備號碼寫入本群中其它測站(從站)的終端設備的映像地址中,當此主站作通播方式發送信息時,則群中所有使用同一波束的其他測站都能同時收到此信息。主站既可以接收數據也可以發送控制信息,其他測站只能接收而不能發送控制信息。這樣,通過通播功能可以構成點對多點通信。此功能也可以用作系統的廣播回執,即測站終端每次發送數據后等待接收主站的回執,如果在規定時間內沒有接收到回執,則延時一段時間再發送一次,以增加數據傳輸的可靠性。如果用戶系統的主站采用北斗指揮型終端,則回執可一次在全部波束上發送,用戶系統的所有其他測站都可以同時收到主站的回執。

測試場試驗或研練時指揮關系復雜,岸基有總指揮所,海上有分指揮所,各作戰部門又有自己的小指揮所,通信方式既有詢問應答式,又有只答不問式,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,合理的利用這項功能可以順利解決這一矛盾。

2 北斗二代系統短報文通信與測試場傳統的通信方式比較

目前測試場的數據實時傳輸仍然停留在視距范圍內,不能將多目標、遠距離數據實時回傳給指揮艦,缺乏超視距數據傳輸設備。北斗二代系統短報文通信功能適應大航區數據通信傳輸,從軍事和經濟的角度看均適用于測試場使用。北斗二代系統短報文通信與測試場傳統的無線數傳電臺、微波、無線局域網、衛星通信等通信方式比較如表1所示。

表1 北斗二代系統短報文通信與測試場傳統通信方式比較

(續表)

3 北斗二代系統短報文通信技術在測試場超視距通信中的應用設計

根據以上分析,北斗二代衛星導航系統比較適合于進行遠程數據傳輸。在測試場XXX型網絡傳輸系統中,已根據北斗二代系統導航與通信結合的特點,既應用北斗二代用戶機接收衛星信號進行自主導航定位,又應用北斗二代用戶機短報文通信鏈路進行超視距數據傳輸,示意圖如圖2所示。

圖2 北斗二代系統在測試場超視距通信中的應用圖解

3.1 系統組成、功能

系統由岸基指揮中心(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(目標艦船、飛機)等三大部分組成,其中,岸基指揮中心作為主中心站,應用1臺北斗指揮型用戶機,主要功能是作為岸基總指揮所,對其下屬的中心用戶端發送指揮指令信息,進行指揮調度,并收集目標的位置、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),應用1臺北斗指揮型用戶機,主要功能是作為海上分指揮所,對輔助用戶端通播上級指令進行指揮調度,進行自身精確定位、測速,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;其他目標艦船、飛機作為輔助用戶終端,應用3臺北斗通信型用戶機,作為用戶終端,進行精確定位、測速,并將自身位置、速度等信息上傳給中心用戶端。

3.2 北斗用戶機的應用特性

本系統應用的北斗用戶終端為2臺北斗指揮型用戶機,3臺北斗通信型用戶機。北斗用戶終端根據功能不同分配不同角色,分為北斗通信型用戶機和北斗指揮型用戶機,這是北斗衛星導航系統通信功能最大的特點。北斗通信型終端和指揮型終端最大的區別在于前者只能鎖定在少數波束上,在某一時刻同時針對少數(1～2個)系統進行點對點通信,而后者可以在某一時刻同時鎖定所有波束,對多個系統進行點對多點通信，發送信息也是如此,前者只能在少數波束上發送,而后者可以同時鎖定所有波束。當用戶終端采用北斗通信型終端時,往往出現數據丟失的現象,這是因為北斗通信型終端總是鎖定在最強的衛星波束,當鎖定波束發生變化時不會主動通知地面控制中心,導致地面控制中心仍然在前次波束上轉發。采用北斗指揮型終端時,終端可以掃描所有衛星波束,很少出現丟數現象。因此測試場試驗指揮所(岸基總指揮所、海上分指揮所)應采用北斗指揮型終端設備，為了節約成本,對于測試場目標平臺多采用北斗通信型終端設備。在采用北斗通信型終端設備的情況下, 北斗用戶機接收應用程序可以通過增加衛星信息監測功能來解決數據丟失問題。當監測到衛星鎖定波束發生變化時,指定北斗衛星終端發送新的信息至地面控制中心,使地面控制中心永遠保持接收終端的當前波束。

3.3 系統工作過程

系統簡要工作過程如下:

1)岸基指揮所的北斗天線架設在大地坐標已知點上,接收北斗導航信息,為提高定位精度,經過差分處理,把岸基指揮所的精確坐標與觀測值進行比較,消去大部分誤差,從而得出修正數并通過北斗二代指揮機按照預先設定的地址向中心用戶端實時播發和下達指揮命令。中心用戶端接收命令后可以通過回復岸基指揮所命令執行情況,實現點對點通信，如岸基指揮所顯示屏上發現某一輔助用戶端偏離航路時,可以通過北斗指揮機指揮中心用戶端通過北斗鏈路對該輔助用戶端進行指揮調度,也可以直接對輔助用戶端進行指揮調度(一般都是按照指揮關系分層進行指揮,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)接收北斗二代衛星導航信息及岸上基準站差分信息,精確測定指揮艦的位置和速度,同時中心用戶端通過北斗指揮型用戶機接收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關系，中心用戶端的定位結果通過北斗二代數據鏈路傳送給岸基指揮所,以便實時處理、監控。中心用戶端也可以通過北斗指揮機向各輔助用戶端“通播”上級指示或航路調整計劃,各輔助用戶端落實指示后反饋命令執行情況,實現點對多點通信。

3)輔助用戶端接收北斗二代衛星導航信息,精確測定目標艦船、飛機的位置和速度信息，輔助用戶端的定位結果通過北斗通信型用戶機短報文通信鏈路傳送給中心用戶端,以便實時處理、監控。

若試驗任務簡單,出動兵力少,可以只設定1級(個)指揮所,指揮所對所有空海目標(飛機、艦船)進行廣播即可。需要說明的是,在出航前,所有北斗二代系統通信機都要按照指揮關系加以設定,分隊編組,將所需地址裝訂在需要的北斗用戶機中。

4 結束語

利用北斗二代系統短報文通信功能,在測試場超視距通信中進行數據實時傳輸,并在試驗中得到應用,大大提高了數據傳輸的質量。隨著北斗二代衛星導航系統的發展,北斗二代系統將在測試場得到更廣泛的應用。

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[5]中國衛星導航學術年會組委會.第五屆中國衛星導航學術年會.[OL]. http://www.beidou.org/contact/contact/index.asp

[6]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統[OL].http://www.beidou.gov.cn.