基于北斗短報文的水下試驗數據海上快速回傳技術應用

李姿佳 李偉 鄧鵬

1.中國人民解放軍海軍潛艇學院；2.中國人民解放軍91033 部隊

為提高水中兵器的實際使用性能，一般通過水下試驗來測試分析。水中兵器一般體積和內部空間較小，且受水下通信技術的局限，較難實現試驗數據的實時監測。測試數據通常在試驗結束后，將兵器打撈并運回技術陣地通過專用設備讀取內測數據來分析得到，因此獲得的數據時效性較差。

水中兵器試驗常常在遠離近岸的海域開展，考慮到水下通信時海水對電磁波的吸收和衰減效應，且受傳輸距離和通信速率的限制，為提高系統的普遍使用性，主要依靠水上無線通信方式傳輸數據。結合實時監測系統對無線通信中數據傳輸速率、傳輸距離、通信鏈路穩定性等方面的要求，對比分析了衛星通信、短波通信、水聲通信和北斗短報文等四種通信方式。

1 海上數據傳輸中遠距離通信手段

1.1 衛星通信

衛星通信主要利用軍內、國內和國際通信衛星來實現信息傳遞，是遠海大容量信息傳輸的主用手段，可以實現文電、數據、語音、圖片、視頻的傳輸。其特點是覆蓋面廣，易于多址組網通信，容量大，質量高且通信速率較高，信號傳輸穩定，特別適合海上艦船的數據傳輸。但在實際操作中，因衛星通信設備占地大，造價高，靶船甚少加裝，加上軍事衛星資源相對較少，使用衛星通信還需申請通信信道，加裝保密設備，給海上數據傳輸試驗帶來一定困難。

1.2 短波通信

短波通信可以支持話音、文電、數據等，其發射波通常是經過一次或者多次電離層的反射到達接收設備，該傳遞方式通信距離較遠，是遠程通信的主要手段。

與衛星通信相比，短波通信利用天然中繼—電離層對天波的反射作用來實現信號傳播，其特點是設備簡單、運行成本低、使用靈活、可靠性較強。由于帶寬的限制和電波時變衰減的影響，加上短波頻段資源較少，即使采用多種自適應技術改善其數據傳輸性能，也很難提高數據傳輸速率。在靶船上使用短波通信，需要安裝短波天線，安裝難度較大，而且在遠海使用，由于電磁波傳播特性，通信質量難以保障。

1.3 水聲通信

聲波是當前已知的在水中傳輸衰減最小的波動形式，穩定性與可靠性較高，因而在水下信息傳輸、水下探測等領域得到了廣泛應用。

水聲通信按照聲波頻率不同一般可分為高頻、中頻和低頻。高頻水聲通信具有頻率高、頻帶寬、傳輸速率高等特點，其通信距離一般在數公里以內；中頻水聲通信頻率相對較高，頻帶較寬，傳輸速率較高，其通信距離一般在數十公里；低頻水聲通信的頻率低、頻帶窄，且提高傳輸速率技術難度較大，但通信距離遠，最遠可達數百甚至上千公里，是實現水聲遠程信息傳輸的主用頻段。采用水聲通信進行數據傳輸，可以不受海水深度的限制，但因其是多徑傳輸信道，特性參數又隨著時-空-頻的變化而隨機變化，使得其傳輸速率低、傳輸誤碼率較高。

1.4 北斗短報文通信

北斗短報文作為一種特殊的通信手段，是北斗衛星導航系統中的一項應用功能。該功能可允許用戶與用戶、用戶與地面控制中心進行雙向通信。從北斗系統通信的主要技術指標可以看出，北斗系統短報文通信功能覆蓋范圍廣，服務區域大，不受地形、氣候等因素影響，信號采用擴頻調制方式，抗干擾能力強，保密性高，數據傳輸速率高，時效性強，適應大航區、超視距、遠距離、實時性數據信息傳輸。

北斗終端設備具有體積小功耗低、安裝方便等特點，該設備采用模塊化、集成化設計，可滿足全天候的工作需求，信號可無縫覆蓋我國全部國土、周邊海域和地區，受惡劣天氣影響的信號衰減效應比較小。該系統具有良好的加密功能，可保證用戶數據通信安全。但是，由于北斗系統的民用報文服務具有通信頻度和報文長度受限、丟包等問題，難以滿足高傳輸速率的要求，很大程度地限制了其應用范圍。

另外，也可考慮用中繼通信方式回傳數據。試驗有時會部署直升機在靶船上空實時回傳拍攝的海上畫面，可以利用直升機的回傳設備回傳監測數據。其技術難度在于一是直升機和中繼設備協調難度大，且單個中繼通信距離有限，試驗驗證難以組織；二是直升機相對靶船位置不能提前確定，需要在靶船上安裝全向天線。

分析以上通信技術手段，考慮到設備成本、研制周期和試驗難度等因素，本文以北斗短報文通信作為原理性驗證，后續研究和實際應用可考慮中繼通信或衛星通信方式。

2 基于北斗短報文的數據傳輸系統

基于北斗短報文的水下試驗數據傳輸系統是由安裝在靶船上的傳感器敏感水中兵器位置的變化，所獲得的數據由北斗短報文通信系統海上發送端傳送至地面接收端，以此來實現水下試驗數據的快速回傳（如圖1 所示）。

圖1 北斗傳送數據及落地示意圖Fig.1 Beidou transmission and landing diagram

本文提出基于北斗短報文的通信系統，構建了Lab-Windows/CVI 的上位機北斗短報文通信軟件，軟件與系統硬件的傳輸由串口通信調用USB 轉RS232 接口驅動程序完成，根據系統傳輸能力可以每間隔60s 進行一次數據發送與接收。

2.1 系統設計

北斗短報文通信系統主要由上位機軟件、下位機軟件和RDSS DTU101 數據傳輸終端硬件部分組成。上位機、下位機軟件主要采用模塊化設計，利用主函數，串口通信等框架把主要實現的功能和程序的基本實現過程進行搭建（如圖2 所示）。

圖2 北斗短報文通信系統數據傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagram of data transmission in Beidou short-message communication system

上位機軟件包括北斗終端配置模塊、串口通信模塊、定時發送模塊，數據讀取模塊；下位機軟件包括北斗終端配置模塊、串口通信模塊、定時接收模塊，數據生成模塊（如圖3 所示）。

圖3 北斗短報文通信系統組成Fig.3 Composition of Beidou short-message communication system

北斗短報文通信模塊是基于RDSS DTU(DataTransfer Uint,全稱數據傳輸單元)101 數據傳輸終端，采用GPS/北斗收發天線、模塊、核心主板一體化設計，集成了RDSS天線、射頻收發電路、功放電路、基帶電路等，產品集成度高、功耗低，采用磁吸式安裝，安裝使用極為方便，防水系列等級達到IP67。

短報文最大字節數由用戶卡類型所決定，單次發送的數據字節數不能超過用戶卡所規定的字節數，否則多余的字節數將會被丟失；該設備默認支持北斗三級民用智能卡；發送頻度為60s/次，單次發送有效字節為76 個字節。

2.2 需求分析

水下試驗的數據是根據靶船上實時監測系統中各個傳感器實時測量數據計算生成，最終獲取的動態位置信息經分析轉換成時間、經度、緯度在內的坐標序列。水下試驗測得的位置變化可通過對坐標序列的擬合分析來實現。

其輸出格式（如表1所示）一般是：時間為HH∶MM∶SS(8 字節)，經度為ddd.mmmm(8 字節)，緯度為dd.mmmm(7 字節)。每個位置坐標信息總數為23 個字節。為方便記錄，1 次報文輸入時每個坐標序列前增加編碼，占1 字節，每個序號前用空隔隔開，占1 字節，一次報文共占74 字節。

表1 北斗短報文數據傳輸格式Tab.1 Data transfer format of Beidou short-message

以600 字節為例，在有效時限內，可傳輸約24 個坐標序列約8min 左右可以滿足對水中兵器分析需要。傳輸的坐標序列越多，測繪位置變化的精確度越高，同時意味著傳輸時間會越長。

2.3 功能實現

上位機、下位機軟件和北斗終端通過USB 轉RS232串口總線連接實現數據轉換，總線串口軟件通過編寫的串口通信函數動態庫與RS232 通信，利用RDSS 配置工具讀取北斗終端設備信息，對串口波特率、數據位、停止位、校驗位、工作方式、目的地址、本機地址等進行配置。設置結束后可進行數據測試，檢查通信是否連，配置結束后退出配置模式。

試驗數據經上位機處理后，由數據讀取模塊將數據讀入，定時發送模塊按76 字節/60 秒將數據分包發送，其發送流程如圖4 所示。數據接收模塊接收到數據后，由數據生成模塊生成結果文檔。

圖4 上位機軟件發送數據流程圖Fig.4 Flow chart of the data sent by the host computer software

在數據透傳模式下，北斗發射終端需要預先設定接收終端的卡號。于正常工作情況時，由上位機處理后的數據會通過發射終端自動發送給目標卡號的北斗接收終端，發送終端和接收終端通過北斗衛星實現兩端之間原始數據的互相傳輸。

為方便數據發送，該模式下通信系統內部有數據緩存區，可支持自動分包和自動發送。同時，配有圖形配置軟件，可輕松配置目的地址并自動上傳定位周期時間、串口配置等信息。為了便于調試使用，串口部分將北斗終端RS232 接口輸出轉為USB 接口與上位機連接。

3 軟件測試與分析

測試系統搭建上位機數據發送端與下位機接收端，試驗所要傳輸24 個坐標共約600 字節為水下試驗數據。按照單次報文傳輸格式要求，1 次坐標數據為24 個字節，1 次報文可傳輸3 個坐標值，每個坐標用空隔隔開，共74 個字節，系統設定分8 次自動發送和自動接收，共進行10 次測試來驗證其可靠性和傳輸效率，其測試結果如表2、表3 所示：

表2 基于北斗短報文的數據可靠性測試結果Tab.2 Data reliability test results based on Beidou short-message

表3 北斗短報文傳輸效率測試結果Tab.3 Beidou short-messagetransmission efficiency test results

通過測試結果分析，試驗所需坐標序列數據傳輸10次，每次分8 次傳輸時，分別在第6 次和第9 次測試中，有1 次傳輸失敗，其整個測試成功率達到97.5%。傳輸時效測試結果平均用時8′16″。測試結果表明，運用本文所述北斗短報文通信系統可在有效時限內（10min）傳輸試驗所需數據。

以上測試是基于北斗二號短報文通信系統的數據傳輸驗證，隨著北斗三號全球衛星導航系統的應用，其短報文服務能力可升級為單次報文最長1000 漢字/60 秒，則傳輸24 個坐標點可在1min 內完成。實際按北斗三號短報文通信服力的能力，單次可傳輸約500 個坐標位置信息，其最終測繪的水中兵器位置的精度可成倍提高。

4 結語

本文對比了可用于海上遠程數據傳輸的通信方式，針對北斗短報文服務的特點，提出了基于 LabWindows/CVI的上位機北斗短報文通信軟件，結合搭建無線通信模塊實現水中兵器試驗數據的快速回傳，并通過測試驗證了其可行性。該數據回傳方式可以改變只依靠內測數據作為評估水中兵器實際使用性能的單一局面，提高了訓練效果的評估效率，有助于武器裝備研制試驗能力的改進，具有良好的應用價值和推廣前景。

引用

[1] 徐潤東.談海上深水試驗數據的衛星實時傳輸[J].科技創新與生產力,2014(2):85-86+88.

[2] 孔穎,張月.軍用短波通信的發展現狀及趨勢[J].電子世界,2016 (14):28.

[3] 閆冰程.基于OFDM編碼的水聲通信技術研究[D].成都:電子科技大學,2018.

[4] 李鵬.現代水聲通信技術發展探討[J].科技創新與應用,2018 (22):144-145+147.

[5] 唐金元,周洪霞,王思臣.北斗衛星導航系統應用特性分析[J].中國設備工程,2017(8):161-163.

[6] 張曉荷,蘇新彥,姚金杰.基于LabWindows/CVI 的北斗短報文上位機設計[J].計算機測量與控制,2019,27(3):271-274+278.