利用BDS實現(xiàn)野外機動保障的方法

崔國恒，王 宇，趙金超，任 濤，李京書

(海軍工程大學，武漢 430033)

利用BDS實現(xiàn)野外機動保障的方法

崔國恒，王 宇，趙金超，任 濤，李京書

(海軍工程大學，武漢 430033)

針對當前裝備保障指揮中機動指揮手段缺乏、岸海信息交互不及時、保障全局難掌控的問題，利用BDS具有信號覆蓋范圍廣、可實現(xiàn)定位通信一體化、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，研制出了體積小、攜帶方便、可靠性高的保障裝備。研究基于BDS組網(wǎng)、定位與通信等功能構(gòu)建野外機動保障指揮網(wǎng)絡的架構(gòu)形式、通信協(xié)議和通信方案，實現(xiàn)了野外機動保障指揮中的保障態(tài)勢顯控、保障指揮調(diào)控、保障力量調(diào)度、維修需求采集、保障技術(shù)支援等功能，為裝備機關和保障部(分)隊開展裝備保障訓練提供掌控保障全局的指揮調(diào)控手段和信息交互渠道。

BDS；裝備保障指揮；機動保障；指揮網(wǎng)絡

0 引言

在裝備保障戰(zhàn)備演練與實戰(zhàn)化保障組織實施中，由于制式指揮通信裝備的缺乏，艦船裝備保障指揮機構(gòu)開設、部署展開、需求掌控、任務下達及保障力量的調(diào)控使用等方面，存在信息傳遞上的諸多瓶頸，主要表現(xiàn)為：一是岸海難通，Ku波段衛(wèi)星通信信息資源保障困難，無法實現(xiàn)遠海作戰(zhàn)指揮裝備的保障；二是需求滯后，艦艇部隊保障需求信息抵達裝備部門環(huán)節(jié)多、時間滯后；三是綜合保障態(tài)勢不明，艦裝、保障中心、保障點及各建制保障機構(gòu)掌控岸海需求、各項任務調(diào)配與進度、各保障力量行動等缺乏專用手段。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)作為我國自主研制、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，短報文功能實現(xiàn)導航通信一體化一直是BDS的優(yōu)勢所在，基于BDS的短報文服務功能可實現(xiàn)裝備保障信息實時同步設備，其具有以下幾方面的優(yōu)勢：

1)設備終端多種多樣，技術(shù)成熟度高，研制風險小。BDS裝備保障信息實時同步設備依托成熟定型的BDS設備進行研發(fā)，不僅研制風險小，而且終端設備體積小、移動攜帶方便，可用于現(xiàn)場和野外作業(yè)維修信息采集及調(diào)控信息反饋，適用于多場合的遠程維修支援及態(tài)勢集中顯示需求，具有傳統(tǒng)裝備保障系統(tǒng)無法相比的優(yōu)勢。

2)設備覆蓋范圍廣，全域全時滿足裝備保障需求。BDS定位通信現(xiàn)已發(fā)射23顆衛(wèi)星，已覆蓋亞太地區(qū)，計劃將在2020年實現(xiàn)全球覆蓋。因此，依托BDS研制裝備保障信息實時同步設備能夠全域全時滿足設備保障需求。

3)設備具有較強的保密性和抗干擾性。BDS B3頻點為軍方專用頻段，設備自身加裝有小型保密模塊，在數(shù)據(jù)編碼、信號調(diào)制等方面從原理上具有較強的保密性，接收信號時通過窄帶濾波、陷波等信號處理技術(shù)以及配帶抗干擾天線等方式使得系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，同時申請配發(fā)的軍卡還可以在通信過程中達到機密級以上的保密效果。

4)定位通信功能。BDS同時具有定位和通信雙重功能，系統(tǒng)集成度高，便于攜帶，適合在遠程維修支援管控、遠程維修活動管理、裝備技術(shù)保障組織指揮等過程中使用。同時，BDS指揮機除本身具有定位通信功能外，還能監(jiān)收下屬用戶機的定位和通信信息，并可向其發(fā)送通播信息，這就為保障機關指揮岸基保障力量、遠海保障力量、遠?；顒优炌峁┝溯^好的指揮平臺。

因此，研究基于BDS的野外機動保障指揮網(wǎng)絡的架構(gòu)形式、通信協(xié)議和通信方案，實現(xiàn)野外機動保障指揮中的保障態(tài)勢顯控、保障指揮調(diào)控、保障力量調(diào)度、維修需求采集、保障技術(shù)支援等功能，為艦船裝備保障指揮員提供高效便捷的指揮調(diào)控手段具有非常重要的意義。

1 BDS簡介

BDS是我國自行研制、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括“北斗一號”和“北斗二號”兩代系統(tǒng)?！氨倍芬惶枴笔且咽褂玫膮^(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)；“北斗二號”則是正在建設中的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2012年已提供覆蓋亞太地區(qū)的導航、授時和通信服務能力，預計2020年左右覆蓋全球。

“北斗一號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面中心站、用戶終端3部分組成，具備定位、通信和授時3大功能[1]?？臻g衛(wèi)星為3顆地球同步軌道衛(wèi)星(2顆工作，1顆備用)；服務區(qū)域為5°N～55°N，70°E～145°E；定位精度為水平20 m，垂直10 m；具備“點對點”“點對多”短報文通信功能，單次最大傳輸240 個字節(jié)；能定時播發(fā)授時信息，具備單向和雙向授時功能，并提供時延修正值，授時精度單向100 ns，雙向20 ns。

“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端3部分組成，具備定位、導航、通信和授時4大功能[2]。系統(tǒng)提供2種服務方式，即開放服務和授權(quán)服務。開放服務是在服務區(qū)免費提供定位、測速和授時服務，定位精度為10 m，授時精度為50 ns，測速精度0.2 m/s；授權(quán)服務是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。“北斗二號”系統(tǒng)服務區(qū)覆蓋范圍和指標如表1所示。

表1 “北斗二號”系統(tǒng)服務區(qū)覆蓋范圍和指標

表1中：RNSS是指衛(wèi)星無線電導航服務(radio navigation satellite service)；RDSS是指衛(wèi)星無線電測定服務(radio detection satellite system)。

2 指揮網(wǎng)絡架構(gòu)

2.1 BDS設備

BDS設備型號眾多，大致可分為3類，即BDS指揮機、BDS車載/艦載用戶機和BDS手持用戶機[3]。本文研究所用設備實物如圖1～圖3所示。

2.2 網(wǎng)絡架構(gòu)形式

在裝備保障戰(zhàn)備演練與實戰(zhàn)化保障組織實施中，通常采用如圖4所示的網(wǎng)絡架構(gòu)形式實現(xiàn)通信指揮。

該架構(gòu)形式具有如下特點：

1)指揮機為指揮級，用戶機為下屬級；

2)指揮級和下屬級可以雙向“點對點”通信指揮；

3)下屬級相互之間可以雙向“點對點”通信；

4)指揮級可對下屬級進行單向“點對多”通播指揮；

5)指揮級可以實時監(jiān)控下屬級之間的通信。

在實際應用中，往往有些特殊情況需要實現(xiàn)多級指揮，此時采用的網(wǎng)絡架構(gòu)形式如圖5所示。

該架構(gòu)形式具有如下特點：

1)指揮機為一級指揮，車載用戶機為二級指揮，BDS用戶機為下屬級；

2)一級指揮和二級指揮、二級指揮和下屬級之間可以雙向“點對點”通信，實現(xiàn)按級指揮功能，特殊情況下，一級指揮與下屬級之間也能雙向“點對點”通信，實現(xiàn)越級指揮功能；

3)下屬級和下屬級之間可以實現(xiàn)雙向“點對點”通信；

4)一級指揮可對二級指揮和下屬級進行單向“點對多”通播指揮，二級指揮通過一級指揮的通播轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)對下屬級的單向“點對多”通播指揮；

5)一級指揮可以實時監(jiān)控二級指揮和下屬級之間、下屬級相互之間的通信。

3 通信協(xié)議設計

3.1 信息交互類型

在裝備保障指揮實際應用中，各類保障指揮信息的交互需要分類處理。本文在標準BDS協(xié)議的基礎上，結(jié)合裝備保障部隊實施指揮的實際和保障部(分)隊的業(yè)務流程，采用自定義協(xié)議形式規(guī)范了信息交互協(xié)議的二次設計，實現(xiàn)了指揮中心指令下達和終端信息上報等功能。信息交互類型設計如表2所示。

表2 信息交互類型

3.2 協(xié)議規(guī)范及原則

指揮端和用戶終端之間的數(shù)據(jù)通信通過軟件編程實現(xiàn)，指揮端基于Windows系統(tǒng)開發(fā)，通過Winsock 控件進行雙向傳輸，建立客戶/服務器模式，其中指揮端為服務器，用戶終端為客戶端。由于BDS衛(wèi)星通信傳輸?shù)木窒扌院吞厥庑?，協(xié)議不具備數(shù)據(jù)有效性控制功能，數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯則意味著當次數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)錯誤。與傳統(tǒng)TCP/IP的最大不同之處是數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t性和數(shù)據(jù)的傳輸長度，因此協(xié)議的制訂需遵循以下幾條原則[4]：

1)健壯性：要考慮到網(wǎng)絡連接的不穩(wěn)定性，在容易出錯時保證運行的可靠性；

2)解碼算法的簡單性：接收到的數(shù)據(jù)要進行多項處理，在時間上有較高的要求，解碼要求簡單，但同時單幀長度也不宜過長；

3)可擴展性：能在不影響原有協(xié)議整體結(jié)構(gòu)的基礎上，添加新的功能或修改原有功能。

3.3 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

BDS短報文通信功能單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不能超過120個漢字，限制了BDS系統(tǒng)在保障指揮中的應用，如艦艇關聯(lián)故障信息的傳輸、維修技術(shù)支援等，通信數(shù)據(jù)量往往超過最大報文長度，必須分包進行發(fā)送。報文數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的制定思路是對大的數(shù)據(jù)包進行拆包并加相應的包頭，接收端對接收的數(shù)據(jù)包拆除包頭，然后合并數(shù)據(jù)[5]。

每一個數(shù)據(jù)包的內(nèi)容由指揮端或用戶終端組包然后發(fā)出，接收到數(shù)據(jù)幀以后，解包完成相應的功能。數(shù)據(jù)包的格式如下所示：

數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)包頭內(nèi)容校驗和

數(shù)據(jù)包頭所包含的內(nèi)容如下所示：

數(shù)據(jù)類型回執(zhí)請求狀態(tài)數(shù)據(jù)包序號數(shù)據(jù)包長度

其中：數(shù)據(jù)類型用來確定數(shù)據(jù)的格式和內(nèi)容，完成所接收數(shù)據(jù)的分發(fā)和顯示，主要分為13類；回執(zhí)請求根據(jù)使用者需要進行勾選，確認該條信息是否被對方接收；數(shù)據(jù)包序號和長度主要確定該條信息在整個幀長中的位置，為信息補發(fā)或重發(fā)提供標識，數(shù)據(jù)包序號從0開始，記錄所發(fā)數(shù)據(jù)的序號，達到上限后從0 開始循環(huán)，數(shù)據(jù)包長度用來表示整個幀長。

數(shù)據(jù)包內(nèi)容如表2所示。值得注意的是：由于BDS報文傳輸容量的限制，部分傳輸內(nèi)容建立了數(shù)據(jù)庫并進行了編碼，如故障位置、故障現(xiàn)象、維修器材和常用文本內(nèi)容等，以編碼代替文本內(nèi)容傳輸，大大降低了通信傳輸?shù)淖侄伍_銷，以滿足BDS系統(tǒng)的通信要求。

4 通信方案設計

4.1 方案設計思路

BDS系統(tǒng)進行長信息通信時可能存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，為了保證長信息傳輸數(shù)據(jù)通信的可靠性，可以依據(jù)包頭快速確定丟包的數(shù)據(jù)，通過反饋及時進行補發(fā)，直到所有的數(shù)據(jù)接收完畢為止。此外，還必須采取超時控制等措施，保證數(shù)據(jù)通信效率并降低頻度占用率。這樣設計的目的一方面是考慮到信息可能丟失的現(xiàn)實，另一方面又可避免陷入死循環(huán)，不致因為某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題而使通信鏈接長時間無法進行。

4.2 發(fā)送端工作流程

一個完整的長報文發(fā)送過程包括長報文發(fā)送、查詢響應信息分析和補包3部分[6]。查詢響應信息是指發(fā)送端發(fā)送查詢信息后接收端的回應信息。如果數(shù)據(jù)一次性發(fā)送成功，就不需要數(shù)據(jù)補包。長報文發(fā)送完畢后發(fā)出的查詢命令的作用是通知接收端本次發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)量，接收端根據(jù)報文總數(shù)量檢查接收數(shù)據(jù)有無丟包，如果有丟包，則統(tǒng)計丟失的包號并反饋到發(fā)送端進行重新發(fā)送。補包結(jié)束后發(fā)送的查詢命令的作用是通知接收端補包完畢，查詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)完整[7]。圖6為數(shù)據(jù)發(fā)送端的工作流程。

對一些查詢信息如果沒有收到響應則等待一定時間后重新發(fā)送，但對重發(fā)次數(shù)進行限制(本協(xié)議中默認為2次，可以設置)。此外，如果1次補包不成功的話，可以進行第2次補包；超過2次仍不成功，則放棄補包，本次發(fā)送失敗。

4.3 接收端工作流程

接收端接收到數(shù)據(jù)后先對數(shù)據(jù)包頭進行分析。如果是長報文數(shù)據(jù)包，則將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；如果是補包數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)補充到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；如果是查詢命令，則根據(jù)命令檢查有無數(shù)據(jù)丟包，如果有丟包，則通過命令查詢響應信息反饋到發(fā)送端。同樣，如果響應信息得不到發(fā)送端的回應，則重復發(fā)送；超過2次后停止發(fā)送，本次通信失敗。圖7為數(shù)據(jù)接收端的工作流程。

5 結(jié)束語

基于本文所設計的網(wǎng)絡架構(gòu)形式、通信協(xié)議和通信方案，以成熟定型的BDS指揮機及終端設備為基礎，開發(fā)了BDS指揮端應用軟件和終端應用軟件，構(gòu)建了BDS野外機動保障指揮網(wǎng)絡，實現(xiàn)了野外機動保障指揮中的保障態(tài)勢顯控、保障指揮調(diào)控、保障力量調(diào)度、維修需求采集、保障技術(shù)支援等功能，達到了布置靈活、攜行方便、無線組網(wǎng)、廣域分級指揮的野外機動指揮要求，并在裝備保障指揮實際訓練中獲得了良好的應用效果，為裝備機關和保障部(分)隊開展裝備保障訓練提供了掌控保障全局的指揮調(diào)控手段和信息交互渠道。

“北斗一代”用于通信，“北斗二代”用于定位。由于一代系統(tǒng)初衷用于定位，因此帶寬較窄。稀疏重構(gòu)理論是近年來的熱點研究內(nèi)容，能夠利用較少的采樣率最理想地還原出整條信息；因此下一步將研究通過稀疏重構(gòu)來實現(xiàn)對圖像信息或者長數(shù)據(jù)信息的處理，以滿足機動保障系統(tǒng)更高的通信要求。

[1] 鄭超波，褚建新，沈愛弟，等.一種用于船舶監(jiān)控的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡協(xié)議[J].艦船電子工程，2006，26(5)：81-83.

[2] 王昊，孫思遠.淺析北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軍事領域的應用[J].通信導航與指揮自動化，2015，18(2)：70-71.

[3] 徐峰.空軍部隊整建制遠程機動綜合立體投送能力建設研究[J].軍事交通學院學報，2014，16(3)：6-10.

[4] 康望東，覃遠超，唐靜.基于北斗系統(tǒng)的對空情報傳送方式[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012，3(6)：68-71.

[5] 何凱濤，李志忠，汪大明.基于遙感衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星的野外地質(zhì)調(diào)查服務與管理系統(tǒng)設計綜述[J].地質(zhì)力學學報，2012，18(3)：204-206.

[6] 成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的長報文通信協(xié)議[J].海洋技術(shù)，2008，27(1)：26-28.

[7] 王煙青，袁仕繼，張英杰，等.北斗系統(tǒng)在遠距離通信保障任務中的應用[J].四川兵工學報，2013，34(12)：8-10.

Mobility support methods of remote field based on BDS

CUIGuoheng，WANGYu，ZHAOJinchao，RENTao，LIJingshu

(University of Navy Engineering，Wuhan 430033，China)

Aiming at the problem of current equipment command that mobile commanding measures are absent，interactive shore-sea information is not in-time and overall support is difficult to control，the paper studied to establish the architectural form，communication protocols and communication scheme for the field mobility support command network based on the networking，positioning and communication ability of BeiDou system，in order to realize the functions of supporting posture display control，the security command control，power dispatch，maintenance requirements gathering，safeguard technical support，etc.by using the advantage of BDS that it is possible to develop the small size，portable and reliable supporting equipment because the signal covering range is wide，positioning and communication could be integrated，and it is with independent intellectual property rights and mature technology of BDS.The studied result could help support the command，control and information interaction of overall safeguard for the equipment support training provided by the governmental equipment groups(points).

BDS；equipment support command；mobility support；commanding network

2016-09-01

國家自然科學基金項目(41404002)；湖北省自然科學基金項目(2015CFC866)。

崔國恒(1981—)，男，湖北荊州人，博士，講師，研究方向為衛(wèi)星導航和軟件測試。

李京書(1985—)，男，山東菏澤人，博士，講師，研究方向為衛(wèi)星導航和軟件測試。

崔國恒，王宇，趙金超，等.利用BDS實現(xiàn)野外機動保障的方法[J].導航定位學報，2017，5(3)：57-61.(CUI Guoheng，WANG Yu，ZHAO Jinchao，et al.Mobility support methods of remote field based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：57-61.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170312.

P228

A

2095-4999(2017)03-0057-05