基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的通信導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張聰 張偉 鐘洋 李琦 張永清

（中電科蓉威電子技術(shù)有限公司 四川省成都市 610031）

我國幅員遼闊，在發(fā)生如地震、塌方等自然災(zāi)害的特殊情況下，地面公共通信網(wǎng)絡(luò)可能癱瘓無法正常使用；同時在一些通信盲區(qū)如深山、地下及部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)可能失靈。此時，需要借助衛(wèi)星移動通信構(gòu)建緊急通信鏈路。近年來，我國的衛(wèi)星移動通信都依賴國外的衛(wèi)星系統(tǒng)，無法保障信息安全，也很難滿足我國大陸地區(qū)衛(wèi)星信號的實際需求，存在諸如對星難、資費高、使用效率低下等問題，這對于我國向各行業(yè)推廣衛(wèi)星移動通信是一個艱巨的挑戰(zhàn)。隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星的發(fā)射，它們?yōu)槲覈撾x對國外衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的依賴提供了有力支撐，同時系統(tǒng)提供了民用支持，為提高各行業(yè)實際落地應(yīng)用提供了可能性。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信服務(wù)系統(tǒng)一般僅提供用戶接入通路服務(wù)，難以形成行業(yè)針對性應(yīng)用。此問題在窄帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域凸顯更加明顯，應(yīng)用形式單一、可用性不高。需在設(shè)備前端通過異步收發(fā)機(jī)制，集成多種通信鏈路，采集定位、文字等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)量、優(yōu)先級、用戶自定義規(guī)則等方式進(jìn)行通信鏈路自適應(yīng)選擇和融合，保證通信鏈路使用的充分性、高效性和實用性。

本文提出了一種基于北斗衛(wèi)星的巡護(hù)通信導(dǎo)航系統(tǒng)，其核心是一款便攜式通信導(dǎo)航中繼設(shè)備，該設(shè)備融合了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和短報文通信技術(shù)，通過Wi-Fi 熱點與用戶端智能手機(jī)連接，并在用戶安裝手機(jī)配套APP。以此方式，用戶便可使用北斗導(dǎo)航定位、北斗短報文通信等功能服務(wù)。該設(shè)備不受地域限制，在森林、邊境、沙漠、海洋等移動信號盲區(qū)實現(xiàn)實時通信和定位，可廣泛應(yīng)用于林草防護(hù)、邊防巡邏、地質(zhì)勘探、戶外旅游等多領(lǐng)域，具有極強(qiáng)的便攜性和易用性。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計

本系統(tǒng)提供以下幾個方面的能力來解決無移動運營商信號時用戶無法與指揮中心進(jìn)行交互及上報自身位置的問題。全域?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Γ合到y(tǒng)利用北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航定位的手段對搭載本產(chǎn)品的人員位置進(jìn)行定位，實現(xiàn)對全球范圍內(nèi)的人員目標(biāo)位置探測、感知；全域通信能力：系統(tǒng)利用北斗短報文通信技術(shù)，實現(xiàn)用戶間無公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)交互，交互包括數(shù)據(jù)和文字消息；系統(tǒng)可將各類如位置信息、傳感信息、告警信息等傳送至其他同類產(chǎn)品或指揮中心。熱點連接能力：設(shè)備利用Wi-Fi 發(fā)布熱點，用戶普通智能手機(jī)使用配套APP 并連接熱點即可享受導(dǎo)航和通信服務(wù)，提高用戶使用便捷型，節(jié)約成本，提升產(chǎn)品使用方式靈活性。指揮平臺對接能力：提供自動或手動的方式向指揮中心平臺發(fā)送人員位置、消息，指揮平臺可實時掌握其軌跡并下發(fā)指令。

系統(tǒng)在組成上采用分離式設(shè)計，將核心處理單元（便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點）、顯控單元（三防顯控終端）和后臺指揮單元（地面指揮平臺）分離，各自發(fā)揮作用，如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)原理框圖

便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、Wi-Fi 通信熱點的主體功能。將此單元與顯控單元分離進(jìn)行獨立設(shè)計主要從使用便捷性考慮，可將該終端以更靈活、方便的方式佩戴于人員身上，形成僅提供處理功能的核心單元，將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至智能手機(jī)終端和指揮平臺系統(tǒng)做進(jìn)一步業(yè)務(wù)級處理。外出工作人員可以單獨使用此單元，后臺指揮系統(tǒng)即可對人員的管控和告警，簡單快捷。

三防顯控終端是配備了APP 的智能手機(jī)，可以通過Wi-Fi 熱點的方式連接至衛(wèi)星通導(dǎo)一體終端，從而完成各類衛(wèi)星導(dǎo)航、通信數(shù)據(jù)的收發(fā)，并提供各類如北斗短報文、衛(wèi)星實時定位、衛(wèi)星通話、SOS 告警報平安、軌跡上報等功能。

同時，終端的位置和消息結(jié)構(gòu)化信息可通過北斗短報文傳輸至地面指揮平臺進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。可建立數(shù)據(jù)處理服務(wù)器實現(xiàn)對人員行為分析、態(tài)勢統(tǒng)計、電子圍欄、警示告警等方面的能力。

2 系統(tǒng)核心硬件設(shè)計

系統(tǒng)中核心設(shè)備便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點設(shè)備采用便攜式設(shè)計，集成北斗RDSS 短報文、北斗RNSS 定位功能，顯控終端與通過Wi-Fi 建立連接并完成終端的操控顯示，如圖2所示。主機(jī)由北斗RD 模塊、北斗RN 模塊、主處理模塊、Wi-Fi 通信模塊及配套的天線及用于人機(jī)交互的按鍵和指示燈等組成。

圖2：便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點硬件設(shè)計圖

本設(shè)備需解析北斗導(dǎo)航、短報文通信等多種設(shè)備數(shù)據(jù)，同時需提供TCP、HTTP 等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并控制整機(jī)狀態(tài)和指示，程序并行任務(wù)多，需增強(qiáng)調(diào)度維護(hù)適應(yīng)性。中心處理器選擇iMX6ULL 處理器，運行Linux 操作系統(tǒng)，提供良好的開發(fā)和維護(hù)環(huán)境，搭建基于Wi-Fi 的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可同時服務(wù)于部署和調(diào)試環(huán)境。同時本設(shè)備采用高集成度的北斗RDSS 模塊實現(xiàn)短報文通信功能，有效利于控制整機(jī)體積和功耗，提升設(shè)備便攜性和持續(xù)工作時間。模塊集成RDSS 收發(fā)射頻芯片、基帶芯片、PA 電路(5W)及LNA 電路，可通過外接 SIM 卡及無源天線即可實現(xiàn)北斗RDSS 短報文通信功能和有源定位功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)核心軟件采用異步收發(fā)機(jī)制，同時接入北斗短報文鏈路數(shù)據(jù)，并與導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)有機(jī)融合，以鏈路自適應(yīng)的傳輸方式，將帶有導(dǎo)航信息的通信數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一接口發(fā)布為基于TCP+HTTP的綜合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。設(shè)備現(xiàn)場端可利用Wi-Fi 鏈路就地發(fā)布TCP 服務(wù)，用戶通過APP 軟件即可使用衛(wèi)星一體化消息、導(dǎo)航定位等功能；也可通過接口協(xié)議與設(shè)備交互，開發(fā)定制化應(yīng)用。設(shè)備信息同時會通過北斗短報文鏈路上傳至北斗協(xié)議解析與處理軟件，用戶的指揮平臺端可通過HTTP 服務(wù)與設(shè)備建立交互關(guān)系，實時收發(fā)位置和文字消息，或查詢歷史信息。

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要部署在便攜式衛(wèi)星通導(dǎo)熱點、三防顯控終端以及各類服務(wù)器中，如圖3所示。具體部署情況見表1。

圖3：系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計圖

表1：軟件部署情況

3.2 軟件交互設(shè)計

軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流如圖4所示，其中數(shù)據(jù)流含義具體描述如下：

圖4：系統(tǒng)軟件交互設(shè)計圖

（1）衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件交互衛(wèi)星導(dǎo)航和通信的基本數(shù)據(jù)信息和控制指令；

（2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件與北斗協(xié)議解析與處理軟件交互北斗短報文協(xié)議封裝的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息；

（3）衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與應(yīng)用APP 后臺軟件收發(fā)APP 設(shè)置和更新的相關(guān)數(shù)據(jù)；

（4）北斗協(xié)議解析與處理軟件與業(yè)務(wù)處理軟件交互解析后符合系統(tǒng)內(nèi)部自定格式的各類原始位置、告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)；

（5）業(yè)務(wù)處理軟件與數(shù)據(jù)庫通過SQL 方式存取各類原始位置信息、處理后的告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；

（6）數(shù)據(jù)庫與Web 服務(wù)軟件（后臺）通過SQL 方式各類原始位置信息、處理后的告警、狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息；

（7）應(yīng)用Web 服務(wù)軟件（后臺）通過向應(yīng)用Web 服務(wù)軟件（前端）發(fā)布服務(wù)完成交互；

（8）Web 服務(wù)軟件（后臺）向GIS 服務(wù)軟件索取各類GIS 地圖服務(wù)，輔助Web 網(wǎng)頁的發(fā)布。

其中衛(wèi)星通導(dǎo)終端應(yīng)用APP 軟件與衛(wèi)星數(shù)據(jù)聚合與發(fā)布軟件TCP 通信協(xié)議幀舉例：

字段值字節(jié)數(shù)說明包頭0XA71byte包長度4byte北斗RN 使能1byte1：開啟，0：禁止北斗RN 入網(wǎng)1byte1：已開啟，0：未開啟北斗RD 使能1byte1：開啟，0：禁止北斗RD 入網(wǎng)1byte1：已開啟，0：未開啟位置自動上報1byte1：已開啟，0：未開啟電池電量1byte百分比：0～100校驗碼1byte

北斗協(xié)議解析與處理軟件與業(yè)務(wù)處理軟件HTTP 通信協(xié)議幀舉例：

4 應(yīng)用場景搭建與測試

結(jié)合系統(tǒng)功能和特點，選取了一種野外無人區(qū)日常巡護(hù)典型應(yīng)用場景為測試環(huán)境。在日常巡護(hù)過程中，巡護(hù)人員多處于無地面公網(wǎng)覆蓋區(qū)域，在發(fā)現(xiàn)險情時無法第一時間進(jìn)行上報。巡護(hù)人員可通過本系統(tǒng)，利用北斗短報文技術(shù)實現(xiàn)巡護(hù)員間、巡護(hù)員與指揮中心的語音、消息、位置等信息實時互聯(lián)互通，實現(xiàn)全域無死角巡護(hù)，提升巡護(hù)險情預(yù)警時效性。

（1）利用終端間互通能力，巡護(hù)員在巡護(hù)過程中可與其他人員通過北斗短報文實現(xiàn)位置信息共享，并在手機(jī)APP 直觀顯示自己與其他人員的相對位置及距離方位等信息，實現(xiàn)人員間的最后一公里通信。

（2）還可利用終端與指揮平臺互通能力，人員在巡護(hù)過程中可與指揮中心建立聯(lián)系，通過北斗短報文上報自身位置，在平臺顯示人員行動軌跡和態(tài)勢，加強(qiáng)日常監(jiān)管力度，并在發(fā)現(xiàn)問題時實時通過北斗短報文消息的形式向指揮中心報告情況，提升險情預(yù)警時效性。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5：終端互通測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于北斗衛(wèi)星技術(shù)的通信導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有衛(wèi)星移動信號盲區(qū)覆蓋、多衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)融合、終端便攜靈活、高續(xù)航支持、靈活接入指揮平臺等優(yōu)勢，可采集位置、文字信息、語音等數(shù)據(jù)，并通過北斗短報文通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，最終在現(xiàn)場端手機(jī)和后端指揮平臺系統(tǒng)進(jìn)行交互展示。通過定制SOS 搜救、離線地圖支持、指揮導(dǎo)航、終端脫機(jī)控制等功能，更好的服務(wù)于各類行業(yè)用戶。同時針對系統(tǒng)特點，設(shè)計了針對性野外無人區(qū)巡護(hù)應(yīng)用場景，并完成了外場測試實驗，效果良好，還可適用于邊防巡邏、地質(zhì)勘探、戶外旅游等長期工作于無移動信號覆蓋的領(lǐng)域。通過借鑒本產(chǎn)品的成功設(shè)計經(jīng)驗，并針對具體需求還擴(kuò)展添加各類傳感器，廣泛應(yīng)用于其他特殊需求行業(yè)設(shè)備，具有較高的推廣價值。