北斗系統在警戒雷達中的應用研究*

宋 巖 劉利民

(軍械工程學院 石家莊 050003)

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北斗系統在警戒雷達中的應用研究*

宋 巖 劉利民

(軍械工程學院 石家莊 050003)

目前警戒雷達數據傳送主要依靠電臺進行傳輸。在未來的作戰環境中,空中必然伴隨著多頻段、高強度的電磁干擾。為了確保數據能及時有效地傳輸出去,就必須要尋找一種可靠穩定的傳輸手段作為應急備用。隨著我國北斗衛星系統的逐步完善和發展,衛星網絡的功能和能力不斷加強。在第二代北斗系統中,已經實現了短報文功能,因此可以充分利用這一功能進行應急情報傳送以及雷達組網數據鏈路的建立。

北斗衛星系統; 應急情報傳送; 短報文

Class Number TN957

1 引言

在未來戰場中,隨著大量高科技裝備的運用,戰場局勢將會越來越瞬息萬變。對于未來敵方情報的掌控,就愈發顯得重要。其中,警戒雷達作為第一道防線,其重要性不言而喻。與此同時,警戒雷達必將面臨多頻段高強度的電磁干擾。在現代信息戰爭中,指揮機構要掌握準確及時可靠的戰場情報,并進行快速有效地通信指揮。警戒雷達作為戰場中的“千里眼”,其信息必須及時有效地傳達到位。

警戒雷達一般采用短波通信方式,該方式受天氣影響較大而且容易受到干擾。雖然雷達站可以采用光線有線通信方式,但對于機動雷達站,除非預先鋪設好有線通信光纜,否則無法立即開通使用。這就需要一種能隨時隨地可靠穩定傳遞情報的手段。不僅如此,固定通信臺站以及有線通信網絡一旦遭受破壞,修復時間較長,在戰場條件下尤其顯得困難[2],這就需要一種在應急情況下的情報傳遞備用手段。

隨著我國北斗衛星通信系統的逐步建立和不斷完善,尤其是北斗二代實現了短報文通信功能,警戒雷達完全可以利用北斗二代進行預警情報的傳遞。如果有戰事發生,戰區當地的居民也需要及時有效的預警信息,警戒雷達的獲取的情報可以通過衛星直接傳遞給持有北斗終端的群眾,從而讓群眾有足夠的時間進行隱蔽,切實保障人民群眾生命財產安全。

2 北斗系統工作原理和功能

2.1 概述

北斗衛星導航系統又稱北斗一號,是中國的第一代衛星導航試驗系統,2000年發射了兩顆衛星后便能夠工作,2003年又發射了一顆備用衛星,試驗系統組建完成。在衛星的壽命到期后,系統停止工作。

正式的北斗衛星導航系統也被稱為北斗二號,是中國的第二代衛星導航系統,英文簡稱BDS。計劃中,整個系統將由35顆衛星組成,其中5顆是靜止軌道衛星,以與使用靜止軌道衛星的北斗試驗系統兼容。與美國的GPS相比,北斗二號還能完成短報文通信功能[1],因而具有極重要的戰略意義。

北斗衛星導航由空間段,地面段,用戶段組成。空間段由35顆衛星組成,包括5顆靜止軌道衛星,27顆中地球軌道衛星,3顆傾斜同步軌道衛星。系統的地面段由主控站,注入站,監測站組成。用戶段即用戶的終端,既可以是專用于北斗衛星導航系統的信號接收機,也可以是同時兼容其他衛星導航系統的接收機[8]。

2.2 功能

北斗系統是首個集定位、授時和報文通信為一體的衛星導航系統,比美國的GPS何而羅斯的GLONASS多了一項短報文功能,從而是北斗二號在軍用和民用兩方面有著巨大的潛力。該系統的基本功能有:

· 快速定位:快速定位用戶地理位置,為用戶提供導航信息;

· 精確授時:北斗衛星導航系統具有單向和雙向兩種授時功能,利用定時用戶終端,完成與北斗衛星導航系統見時間和頻率同步;

· 短報文通信:北斗衛星導航定位系統短報文通信功能具有用戶與用戶,用戶與地面控制中心間雙向的數字報文通信能力。短報文不僅可以點對點雙向通信,而且其提供的指揮終端機可進行一點對多點的信息傳輸,為各種平臺應用提供了極大便利。

2.3 短報文通信特點

北斗系統短報文通信具有以下特點[3]:

· 響應速度快:點對點通信延遲為1s～5s,短消息通信延遲約為0.5s。

· 抗干擾能力去昂:衛星傳輸采用S/L波段,雨衰影響小,采用碼分多址(CDMA)擴頻技術,減少了碼間干擾。

· 可靠性高:系統阻塞率<10-3,數據誤碼率<10-5.

· 用戶終端采用一戶一密,有著較強的保密性。

· 覆蓋范圍廣:北斗一號系只能覆蓋我國全境和周邊地區,北斗二號系統則可以實現全球通信和定位。

2.4 用戶終端機分類

北斗系統用戶終端機按使用功能分為:

· 普通型:可完成系統提供的定位,通信和導航等基本功能。

· 定時型:可完成單向授時和雙向定時功能,還可完成系統提供的定位,通信和導航等基本功能。

· 數傳型:通過外界傳感器等設備,可實現數據和信息等傳輸。

· 指揮型:除可完成系統提供的定位,通信和導航等基本功能外,還可完成監收和通播等指揮通信功能。

· 救生型:可完成飛行員跳傘后位置報告和常用短語報告功能。

3 警戒雷達數據傳輸中面臨的問題

3.1 警戒面臨著電磁干擾日趨復雜的電磁場環境

警戒雷達作為戰場上第一道防線,擔負著非常重要的警戒預警作用,所爭取到的時間可以使作戰單位快速進入戰備,從而在面臨敵人突襲時減少避免損失并且快速反擊敵人[7],給敵人以沉重打擊,重要性不言而喻。因此,警戒雷達也成為了敵人首先要攻擊的目標。最常見的就是電磁干擾,一般情況下雷達通過電纜或電臺向預警指揮系統傳遞信息,而破壞和干擾使得預警雷達的信號傳輸面臨嚴重的挑戰。就算探測到了目標,信息無法傳遞出去,警戒雷達也就失去了應有的作用。

3.2 警戒雷達地理位置偏遠

警戒雷達,顧名思義起到警戒作用,一般都是在邊境線上,地理位置一般較為偏遠,大型的警戒雷達站可以采用電纜傳輸,但是成本較高。一些小型雷達,或者一些起到彌補低空掃盲作用的傳感器也采用電纜顯然成本太高。而采用電臺,由于距離較遠,很容易受到干擾[5]。

4 北斗在警戒雷達中的運用

4.1 利用北斗系統短報文傳送對空警戒情報

1) 對空警戒情報傳遞手段

空情預警是現代復雜電磁環境下立體作戰的首要問題。現有雷達站采用以下三種方式進行對空警戒情報傳送:短波無線數據通信;基于綜合業務數字網(IS-DN)的調制解調串行通信;基于專用光纖網絡的TCP/IP數據傳輸。短波數據通信受天氣和電離層影響較大,且傳送速率低;基于ISDN的調制解調串行通信利用電話線路通信快捷方便,但系統帶寬低,無法滿足大容量傳送需求;光纖網絡傳輸具有速度快和帶寬大優點,是最好的對空警戒情報傳送方式。后兩種方式屬于固定臺站通信,不能滿足機動通信需求,而且一旦受到破壞,恢復時間較長,需要應急備用通信手段。從北斗系統短報文和對空警戒情報特點可見,對空警戒情報可以利用北斗系統短報文傳送。

2) 可行性分析

從北斗系統短報文和對空警戒情報特點可以知道,對空警戒情報可以利用北斗系統短報文功能進行傳送。北斗系統從終端機到終端機傳輸時延為0.5s。雖然時延較大,但空中預警的對空警戒情報基本可滿足使用要求。由于北斗系統短報文通信不能進行連續通信,1臺用戶機短報文通信最高頻次為1次/秒,每小時只能提供數十萬次服務[4]。根據這一情況從以下兩方面分析其可行性。

由于從雷達站至指揮中心的對空報文一般不超過60B,并且格式相對固定。而1次短報文通信最高可傳送240B[10],因此1次通信最多可發送4條對空報文,即1s可傳送4條報文。按一般雷達轉速為6圈/分鐘計算,雷達每轉1圈,1臺用戶機可發送40條對空報文,而1批目標1圈內產生1組報文,故在雷達轉速6圈/分鐘情況下,1臺北斗系統端機最多只能保障40批目標的對空警戒情報傳送。在極端情況下,最后一次發送報文時延將達到9.5s。目前雷達情報處理主要進行數據融合,若情報源有超過4s的延遲,融合的精度將受到較大影響。若將時延控制在4s以內,則僅能保障12批對空目標傳送,保障能力較低。

為提高保障情報批的數量,也可采取同一雷達站多配北斗用戶機的方法,從而能相應成倍增加保障目標批數量。北斗系統每小時最多提供服務數十萬次,據此計算,每秒只能同時供百余臺用戶端機進行通信或定位。如果大量雷達站采用北斗系統短報文通信,則會受到其通信容量限制。因此,采用北斗系統作為對空警戒情報傳遞手段,目前只能作為少數機動雷達站或雷達站的一種應急備用手段。但是隨著北斗系統的逐步完善,通信容量必將隨之解決

北斗系統短報文傳送數據量有限,因此不適用空情密度較高的地區,也不適用航管雷達,目前適用于空情量少的地理位置偏遠的警戒雷達站,但隨著北斗系統的逐步完善,這一問題必將得到解決。

3) 傳送方案設想

根據北斗系統特點,設計了利用北斗系統傳送對空警戒情報的方案如下:用嵌入式北斗指揮機在指揮中心接收警戒雷達站傳送情報,警戒雷達站配置兩臺嵌入式普通用戶機,可以備用,也可以相應提高傳送對空目標的較多數量[6]。其系統結構如圖1所示。

圖1 傳送方案結構圖

該方案由站系統將對空警戒情報通過網絡將空情報文發給通信機,通信機按每4條空情報文組成1條短信息報文,依次通過2臺嵌入式端機接口將報文通過北斗系統發給北斗機,經北斗系統達到指揮中心。指揮中心通信機收到北斗短報文后,將1條短報文還原成4條對空警戒情報報文,經安全網關發送給指揮中心信息系統,完成對空警戒情報的傳送。尤其各指揮中心可以利用現有北斗系統獨立完成所屬雷達站對空警戒情報傳送,還可以通過指揮端機向各雷達站廣播或點對點發送信息。雷達站通信機由1臺計算機加裝嵌入式北斗用戶機模塊組成。其軟件處理主要分為以下兩個模塊:(1)通過網口接收雷達站系統發送的雷達報文,并根據算法進行篩選和次序處理;(2)負責將4條報文組成1條短報文,通過北斗機的端口發送給北斗系統。由于北斗系統短報文透明傳輸,空情報文格式固定:將每條報文按原編碼,不足60B用空格補足,每4條報文合成1條短報文共計240B發送。指揮中心通信機由1臺計算機加裝嵌入式北斗指揮機模塊組成,該機在北斗端機收到1條短報文后,按每60B1條,去掉尾部空格即可還原成1條空情報文,后將空情報文通過串口發送至安全網關。安全網關防止各種非法報文進入指揮信息系統。網關通過串口接收通信機接收的情報報文,將符合軍標格式的報文通過網絡發送至指揮信息系統;至于串口接收的格式不規范報文一律丟棄。在不改變雷達站系統的情況下,通過向北斗系統運營管理中心申請,設立一種專用ID,在北斗系統地面控制中心,凡是目的ID號是該專用ID號的短信息報文不再通過衛星轉發,而是直接通過地面控制中心的安全網關,接入軍用網絡系統,分別送至各相應的指揮中心信息系統[9]。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構

實現其中通信機將北斗短報文還原成空情報文的功能可以減少0.25s時延,利于各雷達站對空警戒情報傳送。不過該方案需在北斗系統地面控制中心作相應軟件修改,實現難度較大。

4.2 基于北斗的邊境地區居民敵情警告系統

1) 警告系統的必要性

我國陸地邊境及其遼闊,并且很多地區存在著非常不安定的因素,對人民生命財產安全造成了極大的威脅。2015年3月,緬甸軍機炸彈落入中方境內,造成當地居民4死9傷。不僅嚴重侵犯了我國的主權,更給我國人民帶來了巨大的生命財產損失。因此,為保護邊境地區人民生命財產安全,讓居民盡早收到危險警告,及時采取隱蔽措施,急需要建成邊境地區居民敵情警告系統。

2) 敵情警告系統方案

隨著我國北斗衛星系統的不斷完善,將具備越來越強大的數據傳輸與通信能力。可以以北斗衛星系統作為紐帶,連接預警雷達系統與邊境地區北斗手持終端。系統結構如圖3所示。

圖3 敵情警告系統結構圖

當雷達預警監測系統發現敵情,并將情報傳送給預警指揮系統時。指揮系統根據敵情,決定是否將警報發送給當地居民[11]。如果需要,則將警報以短報文方式通過北斗衛星系統發送給邊境地區持有北斗接收終端的居民,讓居民可以盡快躲避到安全地帶,從而避免生命財產損失。這一系統具有極其重要的意義。

預警信息是常用短語警告信息,因而在數據傳輸容量方面并不存在問題。最重要的是,在警戒雷達發現敵情時,將預警信息及時有效地發送給邊境地區居民。

5 結語

隨著北斗系統的逐步完善,通信容量逐漸增大。在警戒雷達中數據傳輸將起到越來越重要的作用。這不僅能解決警戒雷達數據傳輸的問題,也能為雷達組網的建成奠定良好的基礎,更能適應未來“扁平網絡化”的指揮系統。因此,北斗系統在軍事領域的研究具有極其重要的意義。

[1] 許博浩,郝永生.基于北斗通信的文本數據傳輸[J].計算機與數字工程,2014(6):1050-1053.

[2] 劉佳,徐博,雍少為.北斗系統在炮兵旅中的應用研究[J].艦船電子工程,2010(8):60-63.

[3] 周露,劉寶忠.北斗衛星定位系統的技術特征分析與應用[J].全球定位系統,2004(04):12-16.

[4] 薛瑞.基于北斗預警信息傳輸關鍵技術研究[D].天津:河北工業大學,2011:33-37.

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[6] 李鑒海.基于WebGIS架構的北斗/GP車輛監控系統設計與實現[D].長沙:國防科技大學,2010:45-49.

[7] 史曉強.基于北斗的機步旅定位報告系統[D].長沙:國防科技大學,2008:30-35.

[8] 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):23-26.

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[11] 黃麗卿,張杏谷,鄭佳春.北斗終端數據處理與應用[J].集美大學學報(自然科學版),2009,3(14):256-259.

Application of Beidou System in Warning Radar

SONG Yan LIU Limin

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

The warning radar data transmission relys mainly on radio transmission. In the future operational environment, the air must be accompanied by a multi-band electromagnetic interference, high strength. In order to ensure timely and effective data transfer out, it is necessary to find a reliable and stable transmission means as an emergency backup. With the gradual improvement and development of China’s Beidou satellite system, satellite network functions and capabilities continue to strengthen. In the second generation Beidou system has achieved a short message function, so this feature can be taken for emergency transfer and the establishment of the radar network data link information.

Beidou satellite navigation system, emergency information transfer, short message

2015年6月6日,

2015年7月28日

宋巖,男,碩士,研究方向:信息與信號處理。劉利民,男,博士,教授,研究方向:信息與信號處理。

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.015