基于手機終端的北斗衛星通信交互系統研究

王思孝 胡適 劉揚揚

摘 要：目前的衛星通信系統作為一種能在移動網絡無法覆蓋區域的有效通信手段，已經成為必不可少的通信熊。特別是在移動網無法覆蓋的人跡罕至地區，包括航海、航空以及野外工業施工等，在這些都沒有移動網覆蓋的區域，需要衛星通信作為有效補充手段。本項目計劃開發配合北斗衛星通信系統數據回傳的手機端北斗接收APP系統，可以配合布置在外的北斗模塊使用，特別是沒有適合各種沒有配置外接顯示屏的嵌入式衛星通信終端設備使用。

關鍵詞：北斗衛星；通信；手機終端

我國土地遼闊，人口分布不均，在人煙稀少的地方，移動基站覆蓋不到。衛星通信是不受地面基站的影響的，可以覆蓋現有通信（ 有線通信、無線通信） 終端無法覆蓋的區域，為人們的工作提供更為健全的服務。在我國政府大力推廣北斗產業的背景下，服務系統越來越完善，隨著軍用民用市場的強大需求，北斗終端系統進入飛速發展階段，北斗應用型用戶終端機的需求將以幾何級倍增。而在現如今的移動設備中，移動手機設備占據主流，并且其界面清晰，操作便捷，其系統操作適應了時代發展的趨勢，所以，把北斗通信終端和手機終端系統相結合，更能發揮北斗產業的優勢。從而在自然災害發生，或者偏遠地區地面基站無法使用的情況下，人們就可以通過北斗通信設備及時和外界取得聯系。

1系統整體設計

1.1通信交互系統

本項目計劃開發一款能兼容目前北斗衛星通信系統的通信收發系統，可以有多種收發形式，根據模塊的支持情況可以實現一對多或多對一的通信收發，并能配合北斗終端模塊設備的對收集到數據進行分門別類的處理。同時，支持該手機端APP系統可以根據接收的北斗信息，進行分模塊設備的信息短報文發送功能。

1.1.1分指令模式發送

根據目前北斗指令的格式情況，可以兼容北斗通信的2.1和4.0指令的格式，2.1格式的指令是具備字符的格式，4.0格式的指令是16進制的ASCII碼的形式。因為兩種的形式不一樣，所以在使用的時候，在用戶選擇的指令的工作模式下，進行相關格式指令發送。

通過封裝北斗的指令形式，將常用的北斗相關指令封裝到手機端的APP系統中，因為要支持兩種指令格式，相當于作為兩種的指令格式封裝。

1.1.2 屏蔽具體指令的界面化操作方式

根據選擇的指令模式，在發送指令時，同樣的指令功能會根據不同的指令模式，選擇具體的字符指令形式或者是16進制ASCII碼指令形式進行指令發送。

開發的App系統具備指令的模式選擇功能，可以根據具體使用的北斗模塊（有的北斗模塊只支持2.1指令格式，有的北斗模塊只支持4.0指令格式，有的北斗模塊即支持2.1指令格式也支持4.0指令格式）。

1.2技術路線

1.2.1 開發環境選擇

本項目計劃以Android系統為基礎平臺，開發環境選擇谷歌的Android Studio軟件開發工具，作為谷歌自家的Android軟件開發系統，具備良好的開發支持，庫函數眾多，能方便的完成項目的開發。

手機端開發模式支持較好，因為本項目的開發需要通過良好的界面支持來屏蔽復雜的指令形式，包括發送指令形式以及接收的發送指令反饋的指令信息情況。這都需要通過Android的界面優勢來提高用戶的使用體驗。

1.2.2 北斗指令的程序封裝

通過標準的北斗指令方式，基本需要按照如下的步驟形式來形成北斗通信過程：

（1）讀卡，獲取北斗模塊的信息，包括卡號、序列號、等級等信息。

（2）功率檢測，檢測當前的北斗信號強度，在信號強度允許的情況下進行通信。

（3）進行通信的模式選擇，分三種：一是，單純字符；二是，單純漢字；三是，字符漢字混發。

（4）解讀上面每一步返回的信息情況。

1.2.3 對每條發送指令的解讀

在北斗通信的整個過程中，實際上不但是單純的簡單指令發送，而且每條發送的指令，都會對應反饋的發送指令信息。對每種功能發送的指令，都會對應反饋相關北斗模塊反饋的信息情況。

通過對指令反饋信息的收取，可以了解指令執行的情況。比如，讀卡失敗，那么可以再次發送讀卡指令，如果一直讀卡失敗，可以更換指令模式或是可能北斗模塊自身問題導致，從而可以實時監控整個通信的過程。

1.3實現功能

1.3.1指令格式識別

本項目研制的APP系統，可實現控制放置在外的設備定位信息自動上傳，以及實現發送方與接收方之間的雙向數據傳輸；同時可以提高定位精度、指令格式適應性強，可實現北斗主控和北斗終端設備的通信和定位功能集成，并針對不同環境需求進行指令及傳送數據格式調整，實現系統自適應性。

1.3.2模塊節能控制

在環境復雜場景下，實際傳輸采集的格式數據多樣，需要在節省帶寬，重復利用信道資源的情況下，完成高效的通信。這就需要系統對通信模塊進行精準控制，便于傳輸數據的低資源占用和高效傳送，完成低功耗、綠色節能的通信傳輸。

1.3.3模式自切換

通過對實際北斗設備工作模式的識別，實時監控北斗傳輸數據情況及工作模式，針對民用北斗通信需要間隔的特性，采用精密控制北斗工作模式的方法來節省電能，在不發送或接收數據時，使模塊進入低電量工作模式。

1.3.4多接口通信支持

一般的通信發送接收系統大都只支持一個接口的收發功能。本項目研發的APP系統，數據并發接收，但是受限于民用的北斗模塊的發送限制，只能60s發送一次。但是系統考慮了北斗軍用接收的強大發送功能，并研制了軍用發送不受限制的發送方式。

2.系統實現

2.1北斗短波文傳輸

北斗系統手機通信網關由北斗終端偵聽并接收北斗衛星發送給本終端的報文。然后，由北斗終端所連接的計算機進行短報文的解析，并得到短報文的有效信息。網關對有效信息的短報文數量（單條報文或多條報文）進行判斷：若為單條報文信息，則直接解析報文并將其存入數據庫：若為多條，則等待接收到所有短報文后再將其存入數據庫。之后，對有效信息進行類別判斷（文字信息或圖片信息）。若為文字信息，網關選擇將有效信息封裝為手機短信，通過連接在串口上的短信通信設備將手機短信傳入手機通信網絡。若為圖片信息，網關將生成文字提醒信息，將該提醒信息封裝為手機短信，發送給用戶，提醒用戶有圖片信息更新，請保持移動應用客戶端處于連接（打開）狀態；與此同時，網關主動檢測與該用戶是否連通，若連通，則從數據庫中提取出該圖片，并通過網絡設備將其封裝為計算機網絡傳輸報文傳入計算機網絡。

北斗短報文點對點通信延遲為1～5s；短消息通信傳輸時延約0.5s，具有較快的信息傳輸速度，在傳輸緊急信息時能夠快速到達。北斗衛星信息采用S/L波段傳輸與碼分多址擴頻技術，具有較強的抗干擾能力；且該系統信息傳輸阻塞率<10-3，數據誤碼率<10-5，可靠性高，對于采用短報文通信的用戶系統采用一戶一密，能夠充分保證電網數據的保密性。此外北斗衛星系統覆蓋范圍大，可以到達其他通信方式不可滿足的邊遠地區。

短報文發送方首先將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請信號加密后通過衛星轉發入站；然后地面中心站接收到通訊申請信號后，經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶；接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通訊。與定位功能相似，短報文通訊的傳輸時延約0.5秒，通訊的最高頻度也是1秒1次。

指揮機端可通過串口獲取發送至其的數據，并通過JAVA 等編碼程序接收并處理數據，以實現各種應用。串口非同步傳送，參數定義如下：（1）傳輸速率：19200bit/s（默認），可根據用戶機具體情況設置其他速率；（2）1 bit 開始位；（3）8 bit 數據位；（4）1 bit 停止位；（5）無校驗。

2.1硬件系統構成

2.2.1北斗終端射頻信號處理模塊

北斗終端射頻信號解調接收模塊主要負責接收北斗空間工作站發來的北斗射頻信息，調理和解調輸出。本模塊主要是基于FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊及其應用電路組成，該模塊集成了LNA低噪放、射頻通道、PA功放和基帶處理四個功能模塊，可接收/發射北斗射頻信號，輸出基帶信號，輸出接口為通用串口接口。利用該模塊即可將串口Rx輸入的北斗指令信息調制發送出去，又可以將天線接收的北斗信號解調通過串口的Tx 輸出。為便于該模塊的測試，該模塊還加入了基于MAX232芯片的串口電平轉換電路，通過串口轉USB線可連接PC機，使得通過PC機的串口調試助手初步測試模塊電路。

2.2.2 藍牙通信模塊

藍牙通信模塊，該模塊帶有串口接口，直接接到FDBD3111 北斗RDSS 射頻基帶模塊串口接口，主要負責將北斗基帶信息轉成藍牙通信傳輸。該模塊采用CSR公司生產的藍牙芯片BC417為主控芯片，采用藍牙V2.0協議標準，工作頻率為2.4 GHz.該芯片帶有串口、USB等接口，可直接將串口或是USB信息轉成藍牙信息發送出去，也能將藍牙接收的信息轉成串口或是USB輸出[4]。通過AT指令，可將該藍牙芯片設置成主機模式和從機模式，當芯片處于主機模式時，可直接與從機模式的芯片相連。當芯片處于從機模式時，則可與手機藍牙、電腦藍牙等帶有藍牙功能設備相連，但處于從機模式的芯片之間不能互聯。

2.2.3北斗終端用戶信息解析處理模塊

北斗終端用戶信息解析處理模塊，主要負責發送特定的北斗指令和對應的北斗信息。該模塊采用基于ARM Cortex-M3 的STM32F103RBT 嵌入式處理器作為主控芯片，該芯片最高可工作在72 MHz頻率，工作電壓為2.0～3.6 V，擁有GPIO、UART、ADC 等豐富的外設接口，具備優異的實時性能、杰出的功耗控制和良好外設性能等諸多優點，更重要的是ST公司提供了STM32系列處理器固件庫函數，降低了該芯片開發難度，大大縮短了產品開發周期。

STM32F103RBT 芯片將用戶按鍵外部中斷選擇發送的北斗指令，加上北斗通信的報文幀頭信息，長度信息和校驗信息等，通過藍牙通信模塊傳輸給FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊調制放大，最后輸送到北斗天線上發送出去；同時，該芯片可讀取并解析藍牙通信模塊接收的北斗用戶信息，最后顯示在TFT液晶屏上，液晶背景圖片存儲在SD Card中。

3.結論

本文針對國家推行的北斗衛星計劃提出了一種基于手機終端的北斗衛星通信交互系統的研究思路與設想，主要進行了基于手機Android系統的研究與開發，并對其技術方案的可行性與有效性進行了論述，進而使得手機端APP系統可以根據接收的北斗信息，進行分模塊設備的信息短報文發送功能。本文還就該通信系統進行了優化和創新，以實現節能，綠色及模式自變換等優點。手機端通過安卓平臺顯示收發信息，經驗證本系統傳輸有效，并能通過北斗衛星實現報文收發功能，，將更方便用戶使用，更可應用于各行業，為野外作業、搶險救災等提供報文通信服務。

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支持項目：

國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：201710453156.

泰山學院青年教師項目，項目編號：QN_01-201705.