基于北斗短報文通信的移動信息監控系統研究

● 文| 北京宇航系統工程研究所 王淑煒 汪文明 黃晨 易航

基于北斗短報文通信的移動信息監控系統研究

● 文| 北京宇航系統工程研究所 王淑煒 汪文明 黃晨 易航

摘 要：在工業自動化、交通運輸、應急救災等行業領域內，需要進行大量的信息監控工作。隨著北斗衛星導航系統開放運行，基于北斗的定位、授時以及短報文通信方式得到了極大的推廣和應用。本文針對工作環境差、測試工位分散等長時間、遠距離、無人值守情況下的監控工作需求，對基于北斗短報文通信方式的移動信息監控系統進行研究，該系統在航空航海運輸、地理地質勘探、危機救災搶險以及高精度地理信息測繪、高精度相對測量、物聯網應用等方面都有著巨大的應用需求和良好的應用前景。

關鍵詞:北斗衛星導航系統 短報文 移動測量監控

一、引言

在工業自動化、交通運輸、應急救災等行業領域內，需要進行大量的信息監控工作。這些信息的測量和監控工作需要大量人員長時間監測設備運行狀態，常常遇到工作環境差、測試工位分散等情況，而且會造成操作人員疲勞度較高，工作效率較低等問題。此外，僅僅依靠人員的長時間監測，容易引起人為因素的數據漏判，造成嚴重后果。

2012年12月，北斗衛星導航系統正式開放運行，開始為我國及周邊區域全天候全天時提供高精度、高可靠定位、導航、授時及短報文通信服務。作為我國自主研制建設的衛星導航系統，北斗衛星導航系統是國家重大空間和信息化基礎設施，是國家經濟安全、國防安全、國土安全和公共安全的重要技術支撐和戰略威懾基礎資源，也是建設和諧社會、服務人民大眾、提升生活質量的重要工具。

基于北斗短報文通信方式的移動信息監控系統，通過分布式傳感器網絡完成前方多處復雜環境下信息采集，由信息收發終端完成信息融合壓縮和淺層挖掘，通過北斗系統發送至后方指揮中心或手持移動終端，完成信息可視化顯示、深層挖掘與遠程操控等功能，從而降低長時間、遠距離、無人值守情況下的參數監測工作的成本，提高測量監控水平和效率。

二、系統功能及組成

基于北斗短報文通信方式的移動信息監控系統，通過分布式傳感器網絡完成前方多處復雜環境下信息采集，由信息收發終端完成信息融合壓縮和淺層挖掘，通過北斗導航衛星發送至后方指揮中心或手持移動終端，完成信息可視化顯示、深層挖掘與遠程操控等功能系統由前方信息收集和后方信息應用兩部分組成。前方信息收集部分由有線/無線傳感器網絡、信息收發終端組成；后方信息應用部分由指揮中心平臺、手持接收終端以及后端監測平臺構成，系統內各部分組成可依據實際需求進行定制增減。系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統組成圖

基于北斗短報文通信方式的移動測量監控設備原本應用在運載火箭的靶場使用維護、長時間驗證測試等應用場合，用于解決由于工作環境差、測試工位分散、連續工作時間長等情況，引起的研制鋪設成本高、操作人員人身安全、長期監測數據漏判等一系列問題。在民用工業自動化、交通運輸、應急救災等行業領域內，同樣需要進行大量的信息監控工作，特別是偏遠臨時地區應用，以解決長時間、遠距離、無人值守情況下的參數監測工作。北斗移動測量監控設備相較于其他遠距離通信設備，例如有線傳輸、GPRS/3G傳輸設備，具有傳輸距離無限制、支持地域范圍廣、信道穩定且可靠、使用保障高安全、通信內容高保密的一系列優點，同時應用也存在一定局限性：前方處理能力限制、傳輸頻率限制、單次傳輸數據容量限制。系統應用示意圖如圖2所示。

圖2 基于北斗短報文的移動信息監控系統應用示意圖

為有效降低系統應用限制所帶來的影響，該移動信息監控系統利用傳感器網絡構建技術適應環境測點的隨機散布并自主配置，以有效降低北斗通信受應用環境周邊布局遮擋等影響因素；利用分布式數據挖掘技術處理所采集的海量信息，以同時滿足前方嵌入式信息收發終端處理器能力限制和北斗衛星短報文通信帶寬能力限制；利用高可靠環境適應技術實現在各種復雜工作環境下完成貯存、工作、待機等實際需求。

三、關鍵技術設計及實現

1. 傳感器網絡

隨著測量監控的范圍和要求的提高，單一化的傳感器信息獲取方式已不能滿足復雜環境和分散測點的環境需求。傳感器網絡，就是由部署在監測區域內的被隨機或特定地部署的幾十到上萬個具有數據采集、通信和協同合作能力的傳感器節點組成，可以協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息。傳感器能夠測量環境中的溫度、濕度、大氣壓力、振動狀況等信息；通過開放頻段無線通信方式，構建傳感器網絡，將傳感器數據匯總發送到信息發送終端；也可通過CAN總線有線通信方式，構建傳感器網絡。這種集成化、微型化、智能化、系統化的信息獲取方式，不僅可以降低成本、縮小體積，還便于隨機布設和自主配置，可以很好的適應復雜環境下多測點的測量監控需求。

圖3 傳感器網絡示意圖

2. 信息收發終端設計及實現

信息收發終端對傳感器網絡采集的測量信息進行匯總和預處理，并將預處理后的傳感器數據以自定義幀格式發送到指揮中心、手持移動終端或者后端監測平臺。通過智能判斷與預挖掘，有效壓縮數據包絡，緩解北斗通信數據收發壓力。除此之外，信息收發終端還具有節能輪休、參數配置、無線通信、CAN總線通信、數據存儲以及故障診斷功能。

信息收發終端包含電源供配單元、數據采集單元、控制電路單元、射頻傳輸單元和數據存儲單元五部分。電源供配單元為收發終端供電，并具體實現節能輪休功能。數據采集單元接收傳感器網絡匯聚的測點數據信息，并進行預處理和淺層挖掘。控制電路單元主要負責處理傳輸內容編解碼、外圍接口邏輯控制、數據預挖掘、休眠及喚醒控制、定時發送以及修改配置參數等功能。射頻收發單元，即北斗收發電路單元，負責結果數據的前后端傳遞和交互。數據存儲單元具備存儲功能，將采集和收發數據保存在本機，供數據融合處理，并可隨時查看與核對。

信息收發終端有正常工作和參數配置兩種工作模式，通過手動開關來進行工作模式切換。支持遠程參數修訂與參數配置。

3. 分布式數據挖掘

隨著傳感器網絡技術的實現及應用，遠距離、長時間監控的測試數據成幾何級數增長，大量的測試數據不僅給數據傳輸帶來了巨大壓力，也給數據存儲及分析帶來了一定的困難。數據挖掘可以從海量數據中，使用自動或半自動的方式把隱藏在數據中的有用信息發掘出來。數據挖掘分為離線挖掘和在線挖掘兩大塊，前者用于從海量的歷史數據中準確的挖掘出某些知識或特征，例如包絡域和關聯參數；后者提供從較小的數據集中實時的進行比較簡單的挖掘。

利用分布式的信息收發終端，對測量數據進行預挖掘，并把有效信息發送至后端指揮中心和監測平臺，可以提高信息傳輸效率；在后端數據處理平臺對北斗子節點傳回的數據進行深度挖掘，有助于監測人員掌握監控物理量變化趨勢，對未來發展有所預測，并對之前的異常情況做出判斷和分析。

圖4 北斗移動信息監控系統應用環境

四、市場應用前景

基于短報文通信方式的移動信息監控系統是典型的北斗通信技術應用產品，該系統可以滿足軍用和民用眾多領域對于長時間、跨地域、無人值守的應用需求，擁有良好的應用前景。

在軍工任務研制時，發射場射前值守、產品鐵路或海路長途運輸、長時間模擬考核驗證等場合均需要對環境及設備參數進行監控分析，北斗移動信息監控系統具有降低研制成本、節約人力資源、確保信息安全等多方面優點，目前在役的長征二號火箭、長征三號火箭，以及在研的新一代運載火箭均對本產品提出了實際應用要求。目前該產品已在某單位高壓氣動實驗室進行應用驗證。傳感器網絡分布在增壓輸送實驗室中的壓力容器表面，進行溫度、濕度以及壓力的測試，并通過信息收發終端，將采集信息發往后方移動手持終端進行實時監控，現場應用安裝情況如圖4所示。該產品相關技術保護要點均以通過知識產權管理部門授理認可。

在民用工業領域中，該系統適用于信息交互和指令下達受通信基站有效覆蓋范圍限制的工況。可用于航空航海運輸中飛機輪船、特殊物品搬運中的位置以及狀態監控，地理地質勘探中關鍵位置點動態信息的遠程觀測，危急救災搶險中的惡劣環境進行參數監測、傷病員位置狀態標記、并協助救援人員對不易進入的災區進行必要的信息采集工作。除此之外，在高精度地理信息測繪、高精度相對測量、物聯網應用等方面都具有強烈應用需求和良好應用前景。

五、總結

基于北斗短報文通信方式的移動信息監控系統可以解決長時間、遠距離、無人值守情況下的設備參數監測問題，短報文通信技術與多傳感器數據融合、數據挖掘提取等技術的有機結合，推進空間信息技術創新，拓展了北斗衛星技術的應用領域。

北斗衛星導航系統相關技術不斷創新轉化，以及北斗衛星導航系統相關產品項目孵化工作的不斷推進優化，提升專業技術實力、縮短研制周期成本，不斷創造市場價值，實現技術實力轉化、創新成果落地、并拓展市場渠道。

中國航天將堅定軍民融合發展方向，做好頂層規劃，實現北斗產業化的持續發展，通過統一的產品接口標準和應用規范，大力推進北斗導航系統的產品化工作，提高信息對抗能力。堅持自主可控，堅持軍民融合，促進北斗工程產業協調發展。加快推進北斗應用，充分挖掘北斗的應用潛能，著力培養北斗應用人才，不斷加快北斗產業化進程。

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