基于手機(jī)終端的北斗衛(wèi)星通信交互系統(tǒng)研究

王思孝 胡適 劉揚(yáng)揚(yáng)

摘 要：目前的衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為一種能在移動網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋區(qū)域的有效通信手段，已經(jīng)成為必不可少的通信熊。特別是在移動網(wǎng)無法覆蓋的人跡罕至地區(qū)，包括航海、航空以及野外工業(yè)施工等，在這些都沒有移動網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，需要衛(wèi)星通信作為有效補(bǔ)充手段。本項目計劃開發(fā)配合北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)回傳的手機(jī)端北斗接收APP系統(tǒng)，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(wèi)星通信終端設(shè)備使用。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；通信；手機(jī)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(wèi)星通信是不受地面基站的影響的，可以覆蓋現(xiàn)有通信（ 有線通信、無線通信） 終端無法覆蓋的區(qū)域，為人們的工作提供更為健全的服務(wù)。在我國政府大力推廣北斗產(chǎn)業(yè)的背景下，服務(wù)系統(tǒng)越來越完善，隨著軍用民用市場的強(qiáng)大需求，北斗終端系統(tǒng)進(jìn)入飛速發(fā)展階段，北斗應(yīng)用型用戶終端機(jī)的需求將以幾何級倍增。而在現(xiàn)如今的移動設(shè)備中，移動手機(jī)設(shè)備占據(jù)主流，并且其界面清晰，操作便捷，其系統(tǒng)操作適應(yīng)了時代發(fā)展的趨勢，所以，把北斗通信終端和手機(jī)終端系統(tǒng)相結(jié)合，更能發(fā)揮北斗產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。從而在自然災(zāi)害發(fā)生，或者偏遠(yuǎn)地區(qū)地面基站無法使用的情況下，人們就可以通過北斗通信設(shè)備及時和外界取得聯(lián)系。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1通信交互系統(tǒng)

本項目計劃開發(fā)一款能兼容目前北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信收發(fā)系統(tǒng)，可以有多種收發(fā)形式，根據(jù)模塊的支持情況可以實現(xiàn)一對多或多對一的通信收發(fā)，并能配合北斗終端模塊設(shè)備的對收集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分門別類的處理。同時，支持該手機(jī)端APP系統(tǒng)可以根據(jù)接收的北斗信息，進(jìn)行分模塊設(shè)備的信息短報文發(fā)送功能。

1.1.1分指令模式發(fā)送

根據(jù)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(jìn)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(jìn)行相關(guān)格式指令發(fā)送。

通過封裝北斗的指令形式，將常用的北斗相關(guān)指令封裝到手機(jī)端的APP系統(tǒng)中，因為要支持兩種指令格式，相當(dāng)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(jù)選擇的指令模式，在發(fā)送指令時，同樣的指令功能會根據(jù)不同的指令模式，選擇具體的字符指令形式或者是16進(jìn)制ASCII碼指令形式進(jìn)行指令發(fā)送。

開發(fā)的App系統(tǒng)具備指令的模式選擇功能，可以根據(jù)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(shù)路線

1.2.1 開發(fā)環(huán)境選擇

本項目計劃以Android系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，開發(fā)環(huán)境選擇谷歌的Android Studio軟件開發(fā)工具，作為谷歌自家的Android軟件開發(fā)系統(tǒng)，具備良好的開發(fā)支持，庫函數(shù)眾多，能方便的完成項目的開發(fā)。

手機(jī)端開發(fā)模式支持較好，因為本項目的開發(fā)需要通過良好的界面支持來屏蔽復(fù)雜的指令形式，包括發(fā)送指令形式以及接收的發(fā)送指令反饋的指令信息情況。這都需要通過Android的界面優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前的北斗信號強(qiáng)度，在信號強(qiáng)度允許的情況下進(jìn)行通信。

（3）進(jìn)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(fā)。

（4）解讀上面每一步返回的信息情況。

1.2.3 對每條發(fā)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(fā)送，而且每條發(fā)送的指令，都會對應(yīng)反饋的發(fā)送指令信息。對每種功能發(fā)送的指令，都會對應(yīng)反饋相關(guān)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(zhí)行的情況。比如，讀卡失敗，那么可以再次發(fā)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(dǎo)致，從而可以實時監(jiān)控整個通信的過程。

1.3實現(xiàn)功能

1.3.1指令格式識別

本項目研制的APP系統(tǒng)，可實現(xiàn)控制放置在外的設(shè)備定位信息自動上傳，以及實現(xiàn)發(fā)送方與接收方之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸；同時可以提高定位精度、指令格式適應(yīng)性強(qiáng)，可實現(xiàn)北斗主控和北斗終端設(shè)備的通信和定位功能集成，并針對不同環(huán)境需求進(jìn)行指令及傳送數(shù)據(jù)格式調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)性。

1.3.2模塊節(jié)能控制

在環(huán)境復(fù)雜場景下，實際傳輸采集的格式數(shù)據(jù)多樣，需要在節(jié)省帶寬，重復(fù)利用信道資源的情況下，完成高效的通信。這就需要系統(tǒng)對通信模塊進(jìn)行精準(zhǔn)控制，便于傳輸數(shù)據(jù)的低資源占用和高效傳送，完成低功耗、綠色節(jié)能的通信傳輸。

1.3.3模式自切換

通過對實際北斗設(shè)備工作模式的識別，實時監(jiān)控北斗傳輸數(shù)據(jù)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(jié)省電能，在不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，使模塊進(jìn)入低電量工作模式。

1.3.4多接口通信支持

一般的通信發(fā)送接收系統(tǒng)大都只支持一個接口的收發(fā)功能。本項目研發(fā)的APP系統(tǒng)，數(shù)據(jù)并發(fā)接收，但是受限于民用的北斗模塊的發(fā)送限制，只能60s發(fā)送一次。但是系統(tǒng)考慮了北斗軍用接收的強(qiáng)大發(fā)送功能，并研制了軍用發(fā)送不受限制的發(fā)送方式。

2.系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1北斗短波文傳輸

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

北斗短報文點(diǎn)對點(diǎn)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(dá)。北斗衛(wèi)星信息采用S/L波段傳輸與碼分多址擴(kuò)頻技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；且該系統(tǒng)信息傳輸阻塞率<10-3，數(shù)據(jù)誤碼率<10-5，可靠性高，對于采用短報文通信的用戶系統(tǒng)采用一戶一密，能夠充分保證電網(wǎng)數(shù)據(jù)的保密性。此外北斗衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍大，可以到達(dá)其他通信方式不可滿足的邊遠(yuǎn)地區(qū)。

短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID號和通訊內(nèi)容的通訊申請信號加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；然后地面中心站接收到通訊申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；接收方用戶機(jī)接收出站信號，解調(diào)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(jī)端可通過串口獲取發(fā)送至其的數(shù)據(jù)，并通過JAVA 等編碼程序接收并處理數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)各種應(yīng)用。串口非同步傳送，參數(shù)定義如下：（1）傳輸速率：19200bit/s（默認(rèn)），可根據(jù)用戶機(jī)具體情況設(shè)置其他速率；（2）1 bit 開始位；（3）8 bit 數(shù)據(jù)位；（4）1 bit 停止位；（5）無校驗。

2.1硬件系統(tǒng)構(gòu)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(diào)接收模塊主要負(fù)責(zé)接收北斗空間工作站發(fā)來的北斗射頻信息，調(diào)理和解調(diào)輸出。本模塊主要是基于FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊及其應(yīng)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(fā)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(diào)制發(fā)送出去，又可以將天線接收的北斗信號解調(diào)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(zhuǎn)換電路，通過串口轉(zhuǎn)USB線可連接PC機(jī)，使得通過PC機(jī)的串口調(diào)試助手初步測試模塊電路。

2.2.2 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)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(fù)責(zé)將北斗基帶信息轉(zhuǎn)成藍(lán)牙通信傳輸。該模塊采用CSR公司生產(chǎn)的藍(lán)牙芯片BC417為主控芯片，采用藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(zhuǎn)成藍(lán)牙信息發(fā)送出去，也能將藍(lán)牙接收的信息轉(zhuǎn)成串口或是USB輸出[4]。通過AT指令，可將該藍(lán)牙芯片設(shè)置成主機(jī)模式和從機(jī)模式，當(dāng)芯片處于主機(jī)模式時，可直接與從機(jī)模式的芯片相連。當(dāng)芯片處于從機(jī)模式時，則可與手機(jī)藍(lán)牙、電腦藍(lán)牙等帶有藍(lán)牙功能設(shè)備相連，但處于從機(jī)模式的芯片之間不能互聯(lián)。

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(fù)責(zé)發(fā)送特定的北斗指令和對應(yīng)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(shè)接口，具備優(yōu)異的實時性能、杰出的功耗控制和良好外設(shè)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，更重要的是ST公司提供了STM32系列處理器固件庫函數(shù)，降低了該芯片開發(fā)難度，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

STM32F103RBT 芯片將用戶按鍵外部中斷選擇發(fā)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(lán)牙通信模塊傳輸給FDBD3111北斗RDSS射頻基帶模塊調(diào)制放大，最后輸送到北斗天線上發(fā)送出去；同時，該芯片可讀取并解析藍(lán)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(jié)論

本文針對國家推行的北斗衛(wèi)星計劃提出了一種基于手機(jī)終端的北斗衛(wèi)星通信交互系統(tǒng)的研究思路與設(shè)想，主要進(jìn)行了基于手機(jī)Android系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并對其技術(shù)方案的可行性與有效性進(jìn)行了論述，進(jìn)而使得手機(jī)端APP系統(tǒng)可以根據(jù)接收的北斗信息，進(jìn)行分模塊設(shè)備的信息短報文發(fā)送功能。本文還就該通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，以實現(xiàn)節(jié)能，綠色及模式自變換等優(yōu)點(diǎn)。手機(jī)端通過安卓平臺顯示收發(fā)信息，經(jīng)驗證本系統(tǒng)傳輸有效，并能通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)報文收發(fā)功能，，將更方便用戶使用，更可應(yīng)用于各行業(yè)，為野外作業(yè)、搶險救災(zāi)等提供報文通信服務(wù)。

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支持項目：

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：201710453156.

泰山學(xué)院青年教師項目，項目編號：QN_01-201705.