基于北斗的裝備保障信息長報文可靠通信研究

王振業(yè)　江勛林　李　明

(解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院　南京　210007)

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基于北斗的裝備保障信息長報文可靠通信研究

王振業(yè)江勛林李明

(解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院南京210007)

摘要在工程兵執(zhí)行應急行動時利用北斗設備的短報文通信功能組建裝備保障信息網(wǎng)絡。針對北斗通信易因遮蔽而導致報文發(fā)送失敗問題,提出持續(xù)遮蔽原則避免在遮蔽條件下發(fā)送報文。針對單條北斗報文長度有限,不足于容納單次裝備保障信息傳輸,提出長報文可靠通信協(xié)議,確保裝備保障信息的完全傳輸。最后通過實驗驗證了所構建通信機制的合理性和有效性。

關鍵詞北斗通信; 長報文; 裝備保障信息; 可靠通信

Research on Long Message Reliable Communication for Equipment Support Information

WANG ZhenyeJIANG XunlinLI Ming

(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing210007)

AbstractWhen the engineer corps perform emergency action, the equipment support information network is set up by the short message communication function of the Beidou device. Due to the Beidou communication is easy to be covered so that it leads to the failure of sending message, sustained shadowing principle is proposed in this paper to avoid sending messages under shielding conditions. For that the length of a single Beidou message is limited and it is not enough to accommodate a single equipment support information transmission, the reliable communication protocol of long message is put forward to ensure the complete transmission of the equipment information. Finally, the rationality and effectiveness of the communication mechanism are verified by experiments.

Key WordsBeidou communication, long message, equipment support information, reliable communication

Class NumberTP319

1引言

北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)是我國完全自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1~2]。北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的構建是分兩個階段完成的,分別是2003年以前完成的北斗一代和正在建設的北斗二代(記為BD-2)[3]。相比北斗二代的無源定位方式,北斗一代有源定位雖然有定位精度不高、易受干擾、功耗大等缺點,但是北斗一代可以為用戶提供短報文服務功能。該功能可以在通信條件缺乏或者有特殊保密要求時發(fā)揮重大作用。比如在抗震救災中的應用[4~5]、海洋通信中的應用[6]、電網(wǎng)建設中的應用[7]等。

在營區(qū)內(nèi),裝備保障信息可通過網(wǎng)絡自由傳輸。在工程兵部隊執(zhí)行應急行動時多處于野外條件下,如何快速構建裝備保障信息網(wǎng)絡是一個值得研究的課題。在野外條件下,因為居無定所,建設有線網(wǎng)絡成本過高、浪費嚴重,而通過無線電臺傳輸又受距離和地理條件的影響,也不可行。并且野外駐訓或參與應急任務時,大多數(shù)情況下通信網(wǎng)絡也是不可用的,通過地方網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)也存在泄密的風險。隨著北斗系統(tǒng)的不斷完善,構建北斗應用系統(tǒng)的成本也在不斷下降。采用北斗通信設備構建的通信網(wǎng)絡,成本和風險都將大大降低。

但是,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單次報文長度有一定的限制,通信數(shù)據(jù)量超過最大報文長度,必須分包發(fā)送。此外,利用“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)量通信時存在丟包和誤碼現(xiàn)象[8]。裝備保障信息的傳輸對可靠性要求非常高,任何一次信息的丟失都會嚴重影響著決策者的決策以及下一步裝備保障活動的開展。此外,通過對裝備保障信息壓縮也不可能達到單次報文傳輸?shù)拈L度要求,因此構建可靠的裝備保障信息長報文通信協(xié)議是完全必要的。

本文將首先從設備在裝備保障活動中的應用背景出發(fā),探討北斗通信報文丟包的原因,分析其應對措施,在軟件層面上做出改進,最大限度地提高了北斗通信的可靠性。然后針對裝備保障信息數(shù)據(jù)數(shù)量長和可靠通信的要求,構建長報文通信協(xié)議。最后對實測實驗數(shù)據(jù)進行分析,檢驗通信可靠性。

2通信環(huán)境的不確定性

北斗短報文通信是長距離弱功率通信,因此其對通信環(huán)境有極高的要求。在北斗應用過程中也可以發(fā)現(xiàn),北斗通信對通信環(huán)境的要求非常苛刻。通信環(huán)境的要求主要包括三個方面:

1) 無遮蔽,包括金屬及非金屬物體置于設備對星方向而形成對北斗天線的遮蔽,樹木、建筑物等高大物體的遮蔽,也包括厚云層、大氣塵埃以及霧霾等的遮蔽影響;

2) 對星方位準確,雖然北斗設備天線對方向沒有太嚴格的要求,但因?qū)π欠轿徊徽_而導致接收功率不高,也會增加北斗短報文的丟包率;

3) 無電磁干擾,因為北斗通信是長距離衛(wèi)星通信,而且北斗設備是靠鋰電池低壓弱電流工作,功率也相對較低,因此其抗電磁干擾能力也相對較弱。

為了測試常規(guī)條件下不同環(huán)境對北斗通信的影響,進行了固定地點不同天氣條件下的通信測驗,以及相同天氣不同環(huán)境下移動通信測驗。表1為北斗通信設備在不同環(huán)境下測試的丟包率。

為了提高北斗短報文的可靠性,可以從以下兩個方面來改進:一是穩(wěn)定通信地點,調(diào)整最佳方位并減少遮蔽;二是感知遮蔽存在,并避免在遮蔽情況下通信。以下將根據(jù)這兩個方面在通信機制上改進,提高通信可靠性。

表1　北斗通信測試

2.1系統(tǒng)自檢

在通信軟件中加入通信測試和系統(tǒng)自檢功能,供用戶參考,確定良好通信環(huán)境和準確方位角。

1) 接收功率自檢。北斗一代通信有六個信道,軟件每0.5s檢測一下當前模塊的接收功率。北斗模塊返回六個0~4的數(shù)值,其中0表示無接收功率,4表示接收功率最強。測試過程中發(fā)現(xiàn),北斗通信可靠性與最強接收功率正相關,與高接收功率個數(shù)(4或3)正相關。但是接收功率好并不一定通信成功,通信成功率的高低還與設備自身電池功率等因素有關。

2) 通信測試。由于接收功率好壞并不能決定其通信可靠性。因此為了判別當前通信環(huán)境是否良好通信環(huán)境,需要在當前環(huán)境下多次通信,以其丟包率或成功接收率作為其可靠性差別依據(jù)。因為自通信方式在報文接收時會有自身電磁干擾的因素,所以采用自通信方式測試更能體現(xiàn)通信的可靠性。

3) 系統(tǒng)自檢。短時間的通信并不能代表通信可靠度,必須在相對較長的時間內(nèi)測試的統(tǒng)計結果才更加可信。設備軟件中加入系統(tǒng)自檢的功能,測試半小時設備的通信成功率,以供用戶參考,判別當前環(huán)境是否適宜通信。

2.2防遮蔽機制

在北斗設備的使用過程中,可以發(fā)現(xiàn)遮蔽對通信成功率的影響是很嚴重的。所以設備在使用過程中,要求用戶必須保證設備對星方向準確,北斗天線無遮蔽,盡管這樣遮蔽也是不可避免的。為了盡可能地減少遮蔽,將遮蔽分為以下兩種情況:

1) 人為遮蔽。設備使用人員不注意,導致在北斗天線前有物體,阻擋了北斗的通信。這種情況的不確定因素較高,在軟件程序中的不適合考慮處理,而且可以在用戶多加注意情況下避免的。

2) 障礙物遮蔽。包括厚云層、空氣污染物等自然因素,設備工作時遇上這些自然障礙時產(chǎn)生遮蔽;也包括高樓、大樹等高大物體遮蔽,攜帶設備工作時必須經(jīng)過高大物體旁時產(chǎn)生遮蔽。這些遮蔽雖然是很難避免,但是都有個特點:就是一旦產(chǎn)生遮蔽,將在之后連續(xù)一段時間都會產(chǎn)生遮蔽。

在以上兩種情況的分析后可以得知在軟件程序上不能對第一種情況做處理,而第二種情況有連續(xù)遮蔽的特點,故可以通過判斷在過去一段時間內(nèi)是否有遮蔽情況,來預測下一個時間點的遮蔽情況。

這里假設在兩種場景下工作:一是在城市街道中運動,遮蔽物主要是高樓。此時設備隨裝備運動,裝備運動速度為80km/h,約22m/s。假設高樓的寬度為50m~100m,有高樓的概率為0.3。二是在野外環(huán)境中運動,主要遮蔽物是大樹、山體。假設此時裝備的行進速度為60km/s,約17m/s。假設大樹遮蔽距離為5m~10m,存在大樹的概率為0.1,山體遮蔽的距離為20m~200m,存在山體遮蔽的概率為0.01。仿真綜合結果如表2所示。

表2　設備實際工作仿真情況表

由表2可知,在城市街道上進行仿真時,遮蔽率為26.1%,在野外環(huán)境下,遮蔽率為9.9%。遮蔽率越高,通信失敗率也越高,這里通過連續(xù)遮蔽性質(zhì)加以優(yōu)化。

利用連續(xù)遮蔽性質(zhì)的首要條件是北斗設備要能自行判斷是否存在遮蔽。由于在遮蔽條件下,設備接收北斗信號的功率會下降,因此通過接收功率自檢來檢查目前是否存在遮蔽情況。

用u(ti)表示ti時刻的遮蔽情況,無遮蔽時u(ti)=1,否則u(ti)=0。假設當前時刻為tn,已知u(ti),(i=…,n-4,n-3,n-2,n-1,n),判斷在tn時刻存在遮蔽的情況u(tn+1)。記⊕表示邏輯運算“并且”,有1⊕0=0⊕1=0,0⊕0=0,1⊕1=1。根據(jù)連續(xù)遮蔽的原則,有:

u(tn+1)=u(tn-k)⊕u(tn-k+1)⊕…⊕u(tn-1)⊕u(tn)

(1)

即在歷史上連續(xù)k+1個時間點無遮蔽,則可認為下一個時間點也無遮蔽。為了保證設備通信成功,在判別下一個時間點可能存在遮蔽,則在下一個時間點令設備處于等待通信狀態(tài)。

這里假設在兩種場景下工作:一是在城市街道中運動,遮蔽物主要是高樓。此時設備隨裝備運動,裝備運動速度為80km/h,約22m/s。假設高樓的寬度為50m~100m,有高樓的概率為0.3。二是在野外環(huán)境中運動,主要遮蔽物是大樹、山體。假設此時裝備的行進速度為60km/s,約17m/s。假設大樹遮蔽距離為5m~10m,存在大樹的概率為0.1,山體遮蔽的距離為20m~200m,存在山體遮蔽的概率為0.01。為描述方便,用符號P表示判別為無遮蔽而實際存在遮蔽的概率。為了得到合理的k值,對以上兩場景進行仿真,得到結果如表3所示。

表3　連續(xù)遮蔽優(yōu)化仿真結果

注意到,在無判別情況下,認為在任何時間點都是無遮蔽的,故此時P的值與仿真的遮蔽率相同。從表中的結果可以發(fā)現(xiàn),在有判別的情況下,設備在有遮蔽的情況下發(fā)送報文的可靠性將大大下降。但是采用連續(xù)判別方法,隨著判別依據(jù)點數(shù)量的增加,其判別準確率并不會增加很多。考慮到報文實時性的要求,軟件中取k=4,即設備通過前5s接收功率來判別下一個時間點是否存在遮蔽。

3長報文可靠通信協(xié)議

裝備保障信息包括裝備動用、裝備保養(yǎng)、裝備搶修、器材供應等大量的信息。在應急行動過程中,裝備保障要素可以精簡,保障信息可以進一步壓縮,但是仍然很難通過單條短報文來進行傳輸。如果保障信息的數(shù)據(jù)量超過了最大報文長度,必須分包進行發(fā)送。此外,北斗短報文還存在數(shù)據(jù)丟包和錯碼的現(xiàn)象。如果信息數(shù)據(jù)量比較小,可以采用重復多次發(fā)送的方式來保證通信的可靠性,但是對于數(shù)據(jù)量較大的裝備保障信息則不太合適。為了保證裝備保障信息傳輸?shù)目煽啃?制定一個基于北斗短報文的長報文通信協(xié)議是非常必要的。

文獻[8]借鑒因特網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸控制思想,以及衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術中對數(shù)據(jù)控制的方法,保證北斗長報文通信的可靠性。但是采用該方法,若最后一條咨詢報文連續(xù)發(fā)送三次失敗,則整條長報文認為失敗,之前發(fā)送的其它報文將會失效。

在長報文裝備保障信息發(fā)送時,首先將裝備保障信息長報文拆分成短報文并將其加入到報文隊列中。消息發(fā)送線程定時從報文隊列中讀取報文,轉(zhuǎn)換成相應格式后發(fā)送出去。消息解析線程讀取并解析消息。報文接收端在接收到報文后及時對接收到的報文進行反饋,對同一長報文的已發(fā)送子報文多次反饋,提高可靠性。

3.1生成及解析短報文

由于北斗短報文長度短、容量有限,需要對等待傳輸?shù)难b備保障信息進行壓縮。于龍洋等根據(jù)定位數(shù)據(jù)相關性大、冗余度高的特點,設計差分編碼方法進行數(shù)據(jù)壓縮[9],而本文裝備保障信息的數(shù)據(jù)壓縮主要有以下兩種方式:

1) 數(shù)據(jù)字典壓縮[10]。比如單位名稱一般較長,但是單位數(shù)量相對較少,可以對各單位進行編號,傳輸時只需要傳輸單位代號即可。又如器材類別,只需傳輸器材代碼即可,可以通過在器材代碼表中查找得到器材名稱、規(guī)格型號等信息。

2) 數(shù)據(jù)編碼壓縮。計算機編碼時,一個英文符占一個字節(jié),一個漢字占兩個字節(jié),所以在編碼時采用混合編碼。對數(shù)字的編碼采用二進制編碼將更大地節(jié)省數(shù)據(jù)容量。

在數(shù)據(jù)壓縮的基礎上,對數(shù)據(jù)報文進行拆分,并加入報文頭形成可發(fā)送的短報文。在數(shù)據(jù)接收端逆向?qū)?shù)據(jù)解壓還原,并上傳至管理信息系統(tǒng)。報文頭主要包括報文序號、長報文拆分成短報文的數(shù)量、子報文序號等。生成短報文及解析短報文的流程如圖1所示。

圖1　生成及解析短報文流程

3.2報文隊列

3.3接收短報文

設備與北斗通信模塊是通過串口連接的,從串口接收到的數(shù)據(jù)可以區(qū)分為兩種,一種是報文數(shù)據(jù),另一種是功能數(shù)據(jù)。功能數(shù)據(jù)又包括功率檢測信息、定位信息、本機反饋信息等。

設備接收報文的流程如圖3所示。北斗報文的傳輸過程中也有可能會產(chǎn)生誤碼,因此需要在解析報文前進行CRC校驗。若接收報文為反饋消息報文,則將其作一定處理后加入反饋消息隊列,否則為業(yè)務數(shù)據(jù)報文。圖中解析報文信息子流程即為前文講到的解析報文流程。

圖2　報文隊列

圖3　接收報文流程

圖4　發(fā)送報文流程

3.4發(fā)送短報文

發(fā)送報文線程啟動后不斷檢測等待發(fā)送報文隊列。報文隊列中報文按照先進先出的原則排序,若報文不是反饋消息報文,在報文發(fā)送完畢后再次將報文放置在等待發(fā)送隊列尾部。發(fā)送報文的流程如圖4所示。

4試驗分析

為了檢驗長報文可靠通信機制的合理性,進行了通信實驗的驗證。實驗過程采用兩臺性能相近的設備,設備采用的北斗卡的服務頻度為1/60Hz。這兩臺設備在高樓陽臺自通信測試的結果如表4所示。其中測試發(fā)送的報文總數(shù)都為60條,天氣良好,測試時未加入文中討論可靠通信機制。

表4　測試設備通信成功率

在進行以下實驗時,兩臺設備處于相同的環(huán)境,并且同時工作。共進行兩個實驗,一個是移動過程中通信實驗。由于在應急行動過程中環(huán)境對通信的影響與城市街道一致,故實驗時只在城市街道實驗。實驗時設備的平均移動速度約為14m/s。以1小時為單位,一臺設備加入持續(xù)遮蔽判別機制,另一臺設備未加入判別機制,兩臺設備進行自通信測試(即每臺設備過60s向自己發(fā)送一條報文)。另一個是長報文通信實驗。實驗時兩臺設備分別向另外兩臺設備(北斗編號分別為135701和135702)發(fā)送長報文。長報文內(nèi)容為一次器材申請(拆分為10條短報文)和一次器材調(diào)撥(拆分為10條短報文),實驗時將設備固定在地面草坪。

第一個實驗共進行了5次,記下每次兩個設備發(fā)送報文及成功接收報文的數(shù)量,得到結果如表5所示。從表中結果可以得知,通過加入遮蔽判別機制后,設備在被遮蔽的情況下發(fā)送報文失敗概率將大大降低,最終成功接收的報文數(shù)將增多。

表5　移動過程通信實驗

第二個實驗也進行了5次,實驗過程中天氣良好,無偶然遮蔽,實驗結果如表6所示。經(jīng)過解析的裝備保障信息短報文總數(shù)為20條,設備1在發(fā)生丟包的情況下不補包,而設備2在發(fā)生丟包情況下會自動補包,所以設備2發(fā)送的報文總數(shù)大于或等于20條。實驗中設備1在5次實驗中,只有1次兩條信息傳輸成功,而設備2所有實驗都將兩條信息傳輸成功。

表6　長報文通信實驗

5結語

基于北斗的裝備保障信息長報文通信研究已經(jīng)應用到工程兵部隊應急行動裝備保障信息管理系統(tǒng)中。由作者所在團隊自主研發(fā)的北斗設備組成的臨時裝備保障網(wǎng)絡成功取代營區(qū)內(nèi)有線網(wǎng)絡,為野外條件下裝備保障提供可靠的信息傳輸途徑,開啟野外裝備保障信息化的新路子。實際應用表明,基于北斗的長報文通信能夠保障應急行動裝備保障正常的信息傳輸要求。

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中圖分類號TP319

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.022

作者簡介:王振業(yè),男,碩士研究生,研究方向:裝備管理與運用。江勛林,男,博士研究生,研究方向:機電一體化。李明,男,碩士研究生,研究方向:機電一體化。

收稿日期:2015年7月8日,修回日期:2015年8月27日