北斗定位導航技術在衛星通信網絡管理中的應用研究

曹菁菁，方 芳，戴 勝

（南京萊斯信息技術股份有限公司，南京 210014）

北斗定位導航技術在衛星通信網絡管理中的應用研究

曹菁菁，方 芳，戴 勝

（南京萊斯信息技術股份有限公司，南京 210014）

北斗衛星定位導航系統具有授時、導航、衛星通信服務功能，本文研究利用北斗系統擴展寬帶衛星通信網絡的管理要素，建立了網絡離線式管理機制，為健全體系化的衛星通信網絡管理提供了手段和方法。

北斗導航；衛星通信；網絡管理

1 引言

衛星通信的開放式信道非常脆弱，極易受到外界干擾和欺騙從而導致通信中斷。目前的抗干擾技術和手段主要應用于軍事對抗和固定業務網絡，大部分民用衛星通信網不具備可靠的抗擾和自愈技術，一旦受到信道干擾遠端站點即刻失聯，整體網絡健壯性不足。本文研究利用北斗定位導航系統的定位、授時及短報文通信等功能，擴展寬帶衛星通信網絡的管理要素，討論建立衛星網絡離線式管理機制，從而構建一套體系健全的新型衛星通信網絡管理系統。

2 衛星通信網絡管理

2.1 概述

衛星通信網絡管理是通過規劃、配置、監視、分析、擴充和控制衛星通信系統來保證通信服務的有效實現。

衛星通信網絡管理系統控制所在的衛星通信網使其具有最高的通信效率和生產力。網管系統的重點任務即：采集網中各站點設備及系統的通信參數、運行狀態信息；處理采集到的各類信息數據，并以可視化的、友好的人機界面呈現給網絡管理人員；接收網管人員的指令或根據上述信息處理結果向網管代理或直接向通信設備發出控制指令，執行網絡控制功能，同時監視指令執行結果；保障管理范圍內的系統和設備按照要求運行。

2.2 衛星通信網絡管理功能域

根據ISO定義的內容，一般網絡管理的五個基本功能FCAPS[1]：故障（Fault）管理、配置（Configuration）管理、計費（Account）管理、性能（Performance）管理、安全（Security）管理。

2.2.1 故障管理

故障管理是對衛星網內出現的通信問題或故障進行定位的過程，包含三個步驟：發現問題；分離問題，找出故障原因；如有可能修復問題。故障管理的最主要作用是：通過提供網管人員快速檢查問題并啟動恢復過程的工具，使得網絡可靠性得到增強。

2.2.2 配置管理

配置管理功能允許網管人員對網絡組件以及OSI模型的各層實體進行配置和控制。在衛星通信網絡管理中，網管人員通過對通信參數的適當配置，減輕網內數據擁塞、遠程遙弊故障/非法站點或滿足其他業務通信需求。配置管理的實現包括：采集和傳送網內通信資源占用狀態、各站本地發生的或因不可預計事件引發的變化，通過標準化的協議告知管理工具，設置并修改與網絡組件和OSI各層軟件有關的參數，啟動和關閉管理對象等。

2.2.3 計費管理

計費管理實現網絡的有償使用和維護建設。包括：通信時間報告及用戶賬單，允許對被管資源的使用設置計費限制，可實現各種費用的綜合。計費管理還有一附帶作用——增加網絡管理人員對用戶使用資源情況的掌握，有助于創建一個更具實用性和生產力的通信網絡。

2.2.4 性能管理

性能管理的目的是保證在使用最少通信資源和具有最小的傳輸時延的前提下，網絡仍能提供連續、可靠的通信，并使信道資源利用率達到最優值。性能管理的具體內容包括：從被管對象收集與網絡性能有關的數據，分析和統計歷史數據；建立性能分析模型；預測網絡性能的長期趨勢，并根據分析預測結果對網絡拓撲和通信配置進行調整，逐步達到最優。

2.2.5 安全管理

安全管理是控制衛星通信網中的站點通信過程和數據訪問過程。包括：授權訪問控制、加密及密鑰管理、身份認證、安全日志記錄等。

2.3 管理模型

一般典型的網絡管理系統主要包括管理者、被管理者（網管代理）、管理信息庫和管理協議4大要素，而在大部分衛星通信網中也沿用了這一模型，如圖1所示。

管理者完成相應的管理工作，通常為一臺運行網絡管理系統（管理進程）的普通服務器或計算機，通常稱為網管服務器或網管工作站。管理者可自動或按定義的頻率輪詢被管設備相關參數信息，或向其發送管理指令以達到監控目的。

被管理者可為通信相關的任何設備或網管代理設備，響應數據采集輪詢并執行管理操作指令，并可根據預設變量閾值在被管理者出現故障問題時產生陷阱（trap），向管理者發出告警。

網絡中每個被管理對象均有一個或多個變量參數來描述其狀態，這些變量存放在管理信息庫MIB（Management Information Base）的數據結構中。

管理協議定義數據記錄格式，并通過約定的通信標準實現各個對象間的通信。

圖1 網絡管理基本模型

綜上，衛星通信網絡管理應按基本模型建立并具備以上五項基本功能。但在一般衛星通信網中，對網內站點的管理控制命令傳輸是基于自身衛星通信鏈路建立的IP數據通信。一旦衛星空間鏈路遭到干擾或設備故障造成通信中斷，此時與遠端站點又無備份聯絡手段，遠程站點即形成脫網狀態，只能被動等待通信恢復或人工前往現場修復系統。由此看來，通用型的衛星通信網絡管理體系中并不具備健全的管理控制功能。

3 北斗定位導航系統

我國自主研制的北斗衛星導航定位一代系統（簡稱北斗-1）自2004年開始向民用用戶提供服務，系統由空間衛星、地面控制中心與標校站、用戶終端設備三大部分組成，結構如圖2所示。

圖2 北斗定位導航系統示意圖

定位、時間同步和通信是北斗-1的三項主要服務。北斗-1公布的通信能力為120個漢字以內的加密短信息通信能力。通常應用為將北斗-1或其他方式獲取的位置數據，附以相關信息屬性后，發送到指揮信息平臺或控制中心，實現相應管理。本文將就以上三大功能討論北斗系統在衛星通信網絡管理中的具體應用。

4 擴展管理要素應用

一般衛星通信網絡管理的管理對象即為衛星信道傳輸設備，即衛星通信調制解調器，設備管理與控制也必須依賴已建立的衛星通信鏈路。網管系統對于移動式的車載衛星通信站或可搬移衛星便攜站的管控接入點，在系統整體運行階段十分滯后，如圖3所示。

管理者必須等待天線開設、天線對星、微調校準、功率放大器發射開啟、射頻鏈路建立、IP層互通的整個通信過程建立完畢，方可將該站點納入統一管理。衛星網管中心對遠端移動站點或未建立IP數據通信的站點存在大段管理空白時間，系統及設備狀態信息、管理數據缺失嚴重。

圖3 管理時間軸示意圖

為應對這一管理漏洞，利用已在各大指揮信息系統中部署的北斗定位導航系統作為補充手段，擴展管理要素，增加備份管理信道，提高衛星通信網絡管理可靠性。

4.1 定位信息

北斗系統基于二球交會原理進行定位，即以2顆衛星的已知位置坐標為圓心，各以測定的本星至用戶機的距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這2個球面交線的圓弧上。地面控制中心存儲的電子高程地圖庫（DEM）提供一個以地心為球心，以球心至用戶機的距離為半徑的球面。求解圓弧線與該球面的交點，并根據用戶在赤道平面北側的實際情況，即可獲得用戶的二維位置坐標[2]。另外，用戶也可通過氣壓測量等方法提供高程信息。

圖4 定位方法

圖4顯示了北斗-1系統定位的方法的幾何概念。用簡單數學模型表示，其觀測方程為

式中、，N為卯酉圈曲率半徑；為橢球高；是用戶在直角坐標系下的坐標；為用戶位置的維度。

目前，在大部分國內衛星通信系統中，天線對星過程依賴的位置信息來源為GPS系統。該系統是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航定位系統，雖為免費系統，但定位服務及信息來源不受控。而通過我國自行研制的北斗導航定位系統直接獲取站點當前二維位置坐標和高程值，同樣能夠替代GPS或其他定位系統在寬帶衛星通信中的功能作用，并且自主可控的定位服務提高了系統和網絡整體運行的可靠性。

4.1.1 計算天線方位、俯仰和極化角

一般的寬帶衛星通信使用的衛星資源大多為對地靜止衛星，即靜止軌道上的衛星在地球上看是靜止的。因此，處于該衛星覆蓋區域的站點只需將天線對準衛星即可通信。根據站點所配備的北斗定位導航系統給出的本站經度、緯度和所用衛星經度即可預估當前天線方位角A、仰角E和極化角ξ。

4.1.1.1 方位角的定義和計算

如圖5所示，方位角A定義為當地水平面TMP和平面TSO的交線（即 線）與真北線TN的交角。平面TSO是通過地球站、衛星和地心的平面。

圖5 衛星與地球站的幾何關系示意圖

如假定地球是一理想圓球，半徑，則有

按照地球站與星下點相對位置的不同，方位角A應當應用下列方式計算：

北半球地球站：衛星在南偏東，衛星在南偏西，

南半球地球站：衛星在北偏東，；衛星在北偏西，

實際調整方位角時，還需考慮羅盤所測得當地磁偏角修正問題。

4.1.1.2 仰角的定義和計算

仰角E定義為TP線與地球站—衛星連線TS之間的交角，有

式中，r是靜止衛星軌道半徑，等于42164.2km；Re等于6378.155km。

4.1.1.3 極化角的定義和計算

極化角是討論衛星上所發線性極化波方向與地球站接收天線的線性極化波方向是否重合的問題。經數學推算，極化角計算方式如下：

若衛星在地球站南偏東，極化角順時針旋轉；若衛星在地球站南偏西，極化角逆時針旋轉。

綜上，衛星通信網絡管理系統可通過北斗定位導航系統獲取所有網內遠端站點的當前位置信息，并根據公式（3）（4）（5）（6）計算得出各站點目前天線系統的方位角、仰角和極化角，結合已掌握的地理環境信息情報，有效指導各個站點開設時系統布放位置，避開衛星天線指向路徑上的遮擋物，實現故障預先處理和高效的配置管理。

4.1.2 計算RTT值

RTT值，Round-Trip Time，即往返時延。在衛星通信中，電磁波以光速約300000km/s的速度傳播，但由于空間距離遠遠大于一般地面通信線路，地球站到衛星的最大往返時延如進行雙向通信，則往返時延還需加倍，最大雙向往返時延約為0.54s。這樣的延遲對時分多址系統或話音通信等實時業務為主的衛星通信網影響十分明顯。因此大部分此類衛星通信網絡管理均需校對每個站點的通信RTT值，并不斷采取某些補償手段予以校正，確保全網時間同步。

同樣，管理者可根據從北斗系統獲取的當前站點位置信息，計算站點通信傳輸時延，直接在網絡預先配置過程中完成RTT值預置，確保各個站點按照指定的通信計劃準確執行。

4.2 授時信息

北斗系統具有單向和雙向2種授時功能，根據不同的精度要求，定時傳送最新授時信息給用戶端，供用戶完成與北斗衛星導航定位系統之間時間差的修正。

在衛星通信網絡管理中，可直接將北斗系統的授時信息賦予被管理設備和管理軟件工具，統一全網工作時間，便于完成預設網絡重啟時間或通信配置升級約定等配置管理工作；同時，在全網計費管理方面，統一的時間基準也利于使用者和管理者的通信記錄保持一致，避免時間混淆計費不明。

4.3 短報文通信

在鏈路中斷、IP數據無法連通的情況下，衛星網絡管理可利用北斗短報文功能傳輸簡短指令代碼，遠端網管代理設備將按代碼約定動作指揮遠程設備完成相應操作，如重新啟動或啟用某一通信預案，修復因鏈路干擾而中斷的通信，提高系統故障處置率。對照表表1所示。

表1 代碼與管理控制動作對照表

5 結束語

通過結合北斗定位導航系統的主要功能，在衛星通信網絡管理中引入了空間信息、時間信息等多維管理數據，豐富了管理的外延，提高故障處理及時率。目前國內外各類軟件開發平臺和開發工具技術成熟先進，北斗設備和信息交互等關鍵技術具備，功能實現手段齊全，以上研究的管理要素可應用于各類體制的衛星通信網絡管理系統，補充管理空白，提升網絡管理效率。

[1] 楊家海，任憲坤，王沛瑜．網絡管理原理與實現技術[M]． 北京：清華大學出版社，2000

[2] 唐金元，于潞，王思臣． 北斗衛星導航定位系統應用現狀分析[J]．全球定位系統， 2008, 33(2):26-30

Research on the Application of BDS in the Management of Satellite Communication Network

Cao Jingjing, Fang Fang, Dai Sheng
(Nanjing LES Information Technology Co., Ltd., Nanjing, 210014)

The BeiDou Navigation Satellite System, BDS has the functions of time service, navigation and short message communication. In this paper, the BDS is used to expand the management elements of the broadband satellite communication network and to establish the off-line management mechanism. It provides a means and method for the systematized management of the satellite communication network.

BDS; Satellite Communication; Network Management

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.002

TN96文獻標示碼：A

1672-7274（2017）12-0006-05

曹菁菁，女，1984年生，工程師，研究方向為衛星通信系統原理和網絡設計等。

方 芳，女，1964年生，高級工程師，研究方向為衛星通信網絡管理和信息系統總體設計等。

戴 勝，男，1983年生，工程師，研究方向為信息系統架構設計和軟件平臺開發等。