北斗預(yù)警信息壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮姣 陳蘇婷 李鵬

摘 ?要： 北斗衛(wèi)星單次短報(bào)文通信數(shù)據(jù)量及服務(wù)頻率限制了長(zhǎng)預(yù)警信息數(shù)據(jù)的傳輸。針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)研究預(yù)警信息數(shù)據(jù)協(xié)議，設(shè)計(jì)預(yù)警信息壓縮傳輸系統(tǒng)。為了提高預(yù)警信息傳輸效率，設(shè)計(jì)一種基于固定位長(zhǎng)和RLE算法的混合壓縮編碼;為了提高預(yù)警信息傳輸成功率，設(shè)計(jì)基于預(yù)警信息壓縮包的傳輸協(xié)議。此外，利用圖形界面語(yǔ)言Qt完成人機(jī)交互界面并實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息壓縮包的解碼。最后，設(shè)計(jì)基于誤報(bào)避免機(jī)制的預(yù)警信息顯示，并給出算法的流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的預(yù)警信息壓縮傳輸系統(tǒng)能夠有效地提高長(zhǎng)預(yù)警信息數(shù)據(jù)傳輸效率和傳輸成功率，而且可在相關(guān)基于北斗衛(wèi)星的預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)中作為參考。

關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星; 預(yù)警信息; 壓縮傳輸系統(tǒng); 壓縮編碼; 傳輸協(xié)議; 誤報(bào)避免機(jī)制

中圖分類號(hào)： TN911.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0118?06

Design and implementation of an early?warning information compressed

transmission system for Beidou satellite

FENG Jiao1， CHEN Suting1，2，3， LI Peng1，2

（1. School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;

2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of Information

Science & Technology， Nanjing 210044， China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，

Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： Since the communication data quantity of the single?time short message and service frequency of the Beidou satellite limit the transmission of the long early?warning information data， an early?warning information compressed transmission system is designed by studying the early?warning information data protocol. A hybrid compressed encoding based on fixed bit length and RLE algorithm is designed to improve the transmission efficiency of early?warning information. The transmission protocol based on the compressed packet of early?warning information is designed to improve the transmission success rate of early?warning information. The human?computer interactive interface is completed and the decoding of the early?warning information compressed packet is realized by means of the Qt graphical interface language. The early?warning information display based on the false alarm avoidance mechanism is designed， and the flow chart of the algorithm is given. The experimental results show that the designed early?warning information compressed transmission system can significantly improve the transmission efficiency and success rate of long early?warning information data， which can be used as a reference in relevant early?warning information release systems of the Beidou satellite.

Keywords： Beidou satellite; early?warning information; compressed transmission system; compressed encoding; transmission protocol; false alarm avoidance mechanism

0 ?引 ?言

及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息可以有效減小可能受災(zāi)害地區(qū)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。基于北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信系統(tǒng)可以有效提高預(yù)警信息發(fā)布的覆蓋范圍和時(shí)效性，是對(duì)傳統(tǒng)預(yù)警信息發(fā)布渠道的重要補(bǔ)充[1?2]。

北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信基于短報(bào)文傳輸機(jī)制，但預(yù)警信息的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于短報(bào)文單次通信數(shù)據(jù)量。由于預(yù)警信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超出北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信系統(tǒng)的單次最大通信量，需要將預(yù)警信息數(shù)據(jù)拆成多個(gè)包進(jìn)行傳輸。預(yù)警信息數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，分包數(shù)越多[3]，成功接收一條完整預(yù)警信息的概率越小。例如：CDT?441型北斗用戶機(jī)民用級(jí)別單次最大通信量為78.5 B，要將數(shù)據(jù)協(xié)議長(zhǎng)度為340 B左右的預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)部門，需將數(shù)據(jù)分5個(gè)包進(jìn)行發(fā)送。而短報(bào)文通信服務(wù)頻度為1 min，所以一條預(yù)警信息最小發(fā)送周期為5 min;同時(shí)，北斗短報(bào)文通信存在丟包率[P]，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失時(shí)[4]，可能會(huì)造成整條預(yù)警信息的信息丟失，則一條被拆分成[n]個(gè)包的預(yù)警信息成功發(fā)送的概率[S=（1-P）n]。由此可知，隨著預(yù)警信息數(shù)據(jù)量增加，拆分的包變多，則成功接收一條完整的預(yù)警信息的概率呈遞減趨勢(shì)。

目前，北斗衛(wèi)星在預(yù)警信息發(fā)布領(lǐng)域提出了聯(lián)合補(bǔ)包傳輸協(xié)議[5]和指揮機(jī)多通播ID并發(fā)[6]的方法減少預(yù)警信息的發(fā)布時(shí)間和發(fā)布次數(shù)，但仍未解決預(yù)警信息數(shù)據(jù)量大，傳輸成本高的問(wèn)題。本文在深入研究了預(yù)警信息數(shù)據(jù)協(xié)議后，設(shè)計(jì)了預(yù)警信息壓縮傳輸系統(tǒng)。為了提高預(yù)警信息傳輸效率，本文提出一種基于固定位長(zhǎng)和RLE （Run?Length Encoding）算法[7]的混合壓縮編碼算法。此外，為了提高了預(yù)警信息的傳輸成功率，本文設(shè)計(jì)了基于預(yù)警信息壓縮包的傳輸協(xié)議，并利用圖形界面語(yǔ)言Qt完成了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息壓縮包的解碼。最后，本文設(shè)計(jì)基于誤報(bào)避免機(jī)制的預(yù)警信息顯示，并給出了算法的流程。

1 ?系統(tǒng)方案

在預(yù)警信息發(fā)布體系中，預(yù)警信息必須由地面控制中心（政府或其授權(quán)的有關(guān)部門或單位）發(fā)布，利用北斗指揮機(jī)通播功能可以保證及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。在這種模式下，系統(tǒng)由發(fā)布主站、地面控制中心和客戶端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)布主站包括發(fā)布服務(wù)器，數(shù)據(jù)壓縮編碼模塊和北斗用戶機(jī);地面控制中心由北斗指揮機(jī)和指揮中心服務(wù)器組成;客戶端包括所在預(yù)警區(qū)域的多臺(tái)預(yù)警終端。

當(dāng)災(zāi)害可能發(fā)生時(shí)，發(fā)布服務(wù)器提供相應(yīng)預(yù)警信息，預(yù)警信息經(jīng)過(guò)壓縮編碼后，通過(guò)發(fā)布主站的北斗用戶機(jī)，將壓縮數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗衛(wèi)星;衛(wèi)星將壓縮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到地面控制中心，控制中心經(jīng)過(guò)解析后，獲得完整的預(yù)警信息;控制中心利用北斗指揮機(jī)將預(yù)警信息壓縮包再次發(fā)送至北斗衛(wèi)星;最終，預(yù)警終端接收相應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)后，獲得完整預(yù)警信息，并做出相應(yīng)防范措施。

圖1 ?預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 預(yù)警信息壓縮編碼設(shè)計(jì)

為了減少預(yù)警信息的數(shù)據(jù)量和傳輸成本，本文提出一種基于固定位長(zhǎng)編碼和RLE編碼的混合壓縮編碼方式?；旌蠅嚎s編碼針對(duì)大量重復(fù)出現(xiàn)的字符，有極強(qiáng)的適應(yīng)性。在使用RLE編碼時(shí)，兼顧考慮了固定位長(zhǎng)編碼的使用條件，保證了兩種無(wú)損壓縮算法的兼容性。

2.1 ?預(yù)警信息數(shù)據(jù)協(xié)議

預(yù)警信息發(fā)布采用中文文本方式，每條預(yù)警信息由4部分組成：起始行、報(bào)頭行、正文行、結(jié)束行，4部分內(nèi)容以換行符為間隔。其中，報(bào)頭行具體分為以下5段：發(fā)布部門及發(fā)布單位、發(fā)布時(shí)間、警報(bào)類型、影響范圍、影響中心及半徑，使用ASCII碼進(jìn)行編碼，5段內(nèi)容以換行符間隔[8]。

預(yù)警信息數(shù)據(jù)協(xié)議如表1所示。

2.2 ?混合壓縮編碼

對(duì)GB2312編碼的無(wú)規(guī)則漢字進(jìn)行壓縮難度較大，壓縮率較低。針對(duì)該問(wèn)題，本文針對(duì)預(yù)警信息的報(bào)頭行提出一種基于固定位長(zhǎng)編碼和RLE編碼的混合壓縮編碼方式。該混合算法對(duì)預(yù)警信息出現(xiàn)的高冗余字符或字符串有較高的壓縮效率，且均為無(wú)損壓縮，保證了壓縮后預(yù)警信息的信息量不會(huì)減少。混合算法數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 ?算法數(shù)據(jù)處理流程

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1） 對(duì)識(shí)別后的數(shù)據(jù)預(yù)處理。整理預(yù)警信息的標(biāo)志位等輔助信息并調(diào)整數(shù)據(jù)格式。

2） 運(yùn)用RLE編碼壓縮報(bào)頭行內(nèi)的重復(fù)字符串。結(jié)合固定位長(zhǎng)算法的特點(diǎn)，預(yù)設(shè)字符選擇為0x3A，0x3B，0x3C，0x3D，0x3E，0x3F，以保證預(yù)設(shè)字符滿足兩種算法的兼容性。

3） 對(duì)新的報(bào)頭行采用固定位長(zhǎng)算法進(jìn)行編碼。數(shù)字的ASCII碼值范圍為0x30～0x39，與預(yù)設(shè)字符的高位相同，可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)壓縮率。

4） 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并添加相應(yīng)的標(biāo)記位。保證預(yù)警信息壓縮包在進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼時(shí)，系統(tǒng)能夠識(shí)別報(bào)頭行內(nèi)各信息要素。

3 ?基于預(yù)警信息壓縮包的傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

為提高預(yù)警信息的衛(wèi)星傳輸成功率，本文設(shè)計(jì)了基于預(yù)警信息壓縮包的預(yù)警信息傳輸協(xié)議，如圖3所示。

圖3描述了預(yù)警信息的編碼過(guò)程，協(xié)議底層是由服務(wù)器發(fā)布原始預(yù)警信息，[K]表示相應(yīng)的區(qū)域碼取值。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮后，得到預(yù)警信息壓縮包;然后，把預(yù)警信息壓縮包當(dāng)作電文內(nèi)容進(jìn)行封裝，上層協(xié)議完全按照短報(bào)文通信格式組織數(shù)據(jù)，接收地址（ID號(hào)）為災(zāi)害發(fā)生區(qū)域?qū)?yīng)北斗聯(lián)絡(luò)設(shè)備的ID號(hào)。

發(fā)送一條被拆分為[N]個(gè)包的預(yù)警信息，北斗短報(bào)文通信理論丟包率為[P]。本協(xié)議與聯(lián)合補(bǔ)包傳輸協(xié)議性能對(duì)比如表2所示。從表中可以看出，在發(fā)送周期相同的情況下，在本文傳輸協(xié)議體系下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，預(yù)警信息發(fā)送理論成功率更高。

圖3 ?預(yù)警信息衛(wèi)星傳輸協(xié)議

4 ?預(yù)警信息發(fā)布與播報(bào)

4.1 預(yù)警信息發(fā)布平臺(tái)

地面控制中心為工作人員提供預(yù)警信息編輯、校對(duì)、發(fā)布的工作界面[9]。為減小預(yù)警信息播報(bào)平臺(tái)搭建的工作量，本文使用可跨平臺(tái)GUI系統(tǒng)Qt作為開發(fā)工具，選擇SQlite3作為數(shù)據(jù)庫(kù)[10?12]，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)保存了預(yù)警信息的政府機(jī)構(gòu)、部門、行業(yè)代碼[13]，以及《中華人民共和國(guó)行政區(qū)劃代碼》[14]等。預(yù)警信息發(fā)布界面如圖4所示。

圖4 ?預(yù)警信息發(fā)布界面

圖5展示了地面控制中心框架圖。預(yù)警信息發(fā)布的具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

1） 接收來(lái)自北斗模塊壓縮數(shù)據(jù)包。通過(guò)北斗指揮機(jī)接收來(lái)自地面控制中心的北斗短報(bào)文，其中包含預(yù)警信息壓縮數(shù)據(jù)包。

2） 壓縮數(shù)據(jù)包預(yù)處理。根據(jù)短報(bào)文通信回執(zhí)協(xié)議，按位提取相應(yīng)壓縮數(shù)據(jù)，并利用QString類函數(shù)QString.split（const QString ?&str）對(duì)預(yù)警信息標(biāo)記位進(jìn)行預(yù)處理。

3） 預(yù)警信息報(bào)頭行數(shù)據(jù)解析。使用QString類函數(shù)QString.replace（const QString ?&str，const QString

&str）按照RLE編碼表進(jìn)行反演，得到完整的報(bào)頭行數(shù)據(jù)。

4） 編輯和校對(duì)預(yù)警信息正文行。通過(guò)查詢法根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)預(yù)警信息的政府機(jī)構(gòu)、部門、行業(yè)代碼， 以及《中華人民共和國(guó)行政區(qū)劃代碼》得到相應(yīng)的發(fā)布部門、發(fā)布單位及影響范圍;接著，按照預(yù)警信息正文行的格式順序，進(jìn)行編輯、校對(duì);最終，顯示并存儲(chǔ)預(yù)警信息壓縮包的解碼結(jié)果。

5） 發(fā)布預(yù)警信息。利用北斗指揮機(jī)通播功能將預(yù)警信息壓縮包發(fā)送至災(zāi)害區(qū)域的北斗用戶機(jī)群。

圖5 ?地面控制中心架構(gòu)圖

4.2 基于誤報(bào)避免機(jī)制的預(yù)警信息播報(bào)

北斗信道存在不穩(wěn)定性，可能會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)等情況。因此，本文采用了一套誤報(bào)避免機(jī)制實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息播報(bào)[15]。誤報(bào)避免機(jī)制流程圖如圖6所示。當(dāng)播報(bào)系統(tǒng)接收到預(yù)警報(bào)文時(shí)，會(huì)將預(yù)警信息的報(bào)頭行的發(fā)送時(shí)間、影響范圍分別與當(dāng)時(shí)時(shí)刻和所在地行政區(qū)代碼進(jìn)行對(duì)比，確保預(yù)警信息的準(zhǔn)確性。當(dāng)確定數(shù)據(jù)接收正確后，對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行解碼，解碼過(guò)程與地面控制中心一致;然后，將解碼后的內(nèi)容與列表中的報(bào)文進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)收到報(bào)文內(nèi)容為陳舊信息，則丟棄。當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警解除時(shí)，預(yù)警界面會(huì)進(jìn)行超時(shí)清理，避免預(yù)警信息影響人們的正常生活和出行。

5 ?系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

本文開發(fā)的原型系統(tǒng)主要完成預(yù)警信息的壓縮編碼、數(shù)據(jù)傳輸和播報(bào)等功能。數(shù)據(jù)壓縮編碼實(shí)現(xiàn)采用MSP430作為主控芯片，配合雙通信串口，分別與發(fā)布服務(wù)器和北斗用戶機(jī)相連。在測(cè)試過(guò)程中將預(yù)警信息區(qū)域碼[K]分別設(shè)置為1，5，9，分別統(tǒng)計(jì)原始預(yù)警信息的數(shù)據(jù)量、壓縮編碼后的數(shù)據(jù)量、發(fā)送短報(bào)文條數(shù)、壓縮率及成功率。壓縮傳輸性能如表3所示。

圖6 ?誤報(bào)避免機(jī)制流程圖

由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，預(yù)警信息的平均壓縮率最小為87.5%，且隨著區(qū)域碼[K]的增加，壓縮率也在遞增;當(dāng)區(qū)域碼[K]最大時(shí)，原本需要拆分為多條短報(bào)文的預(yù)警信息被壓縮為75.5 B，該數(shù)據(jù)量小于北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信系統(tǒng)的單次最大通信量。因此，只需要發(fā)送一個(gè)短報(bào)文就能完整傳輸一條長(zhǎng)預(yù)警信息，從而提高了發(fā)送效率和傳輸成功率。

6 ?結(jié) ?論

本文在分析預(yù)警信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種預(yù)警信息壓縮編碼的設(shè)計(jì)方法。研究表明：

1） 通過(guò)研究預(yù)警信息主要信息元素，對(duì)報(bào)頭行的壓縮，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的高效壓縮，解決了預(yù)警信息單次短報(bào)文通信數(shù)據(jù)受限制的問(wèn)題，提高了預(yù)警信息，特別是長(zhǎng)預(yù)警信息的傳輸效率;

2） 在完成預(yù)警信息壓縮編碼的基礎(chǔ)上，利用預(yù)警信息壓縮包的傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，減小了系統(tǒng)構(gòu)建的成本與復(fù)雜程度，提高了衛(wèi)星通信傳輸?shù)某晒β?

3） 基于誤報(bào)避免機(jī)制完成了預(yù)警信息播報(bào)，保證了預(yù)警信息的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，為公眾提供了良好的預(yù)警服務(wù)。

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