摘 要： 基于北斗衛星導航系統數據傳輸功能，設計了機動衛星通信地球站遠端技術支援系統。簡要介紹了北斗導航衛星系統報文通信功能，闡述了系統整體結構及其流程，詳細介紹了主要硬件組成和軟件設計。測試結果表明，該系統符合設計要求。該設計解決了機動衛星通信地球站遠端技術支援問題，增強了設備可用性和可維護性，提高了任務保障能力。
關鍵詞： 北斗衛星導航系統；機動衛星通信地球站；遠端技術支援；串口服務器
0 引言
截至2012年11月，我國自主研制的北斗衛星導航系統共有14顆衛星在軌運行，中國絕大部分地區的北斗可見波束在３個以上，可以無縫覆蓋我國全部國土和周邊海域，標稱覆蓋范圍為東經70°～145°，北緯5°～55°[1]。系統由空間衛星、地面中心站、用戶終端和標校站組成，具有快速定位、雙向通信和精密授時三大基本功能，已在公路交通、鐵路運輸、海洋作業、氣象信息等方面得到了廣泛應用，產生了良好的經濟和社會效益[2]。
進入21世紀以來，在社會需求牽引和技術推動下，衛星通信由于具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、通信質量高等特有技術優勢，在軍事、經濟、政治和文化領域發揮了重大作用[3]。其中，機動衛星通信地球站由于具備機動性強、開通快速等特點，在軍事行動、武器裝備建設、搶險救災中很受用戶青睞，成為了這些領域的主力軍[4]。在衛星通信保障任務中，由于從業人員衛星通信理論和設備操作水平參差不齊，加之多數機動衛星通信站保障所在地無其他有效通信手段可以依托，常會發生衛星通信裝備因參數設置錯誤等軟硬件故障問題導致通信中斷或無法開通業務的現象。此時，建設一套遠端技術支援系統就顯得非常必要。本文利用北斗衛星導航系統全天候、全地域覆蓋的特點，使用其數據傳輸技術，設計了機動衛星通信地球站技術支援系統，該系統具有本端網絡管理、遠端技術支援和交流通信等功能，具備良好的環境適應能力。系統的實現提高了衛星通信任務的保障能力，為實現遠端技術支援提出了新方法，具有一定的推廣應用價值。
1 北斗導航衛星系統報文通信功能簡介
北斗衛星的簡短通信功能可以實現用戶與地面控制中心、用戶與用戶之間的雙向數據傳輸[5]。使用北斗衛星的簡短通信過程如下：在每個用戶終端都有屬于自己的唯一識別碼，用戶終端隨機響應某一時刻經過衛星轉發的詢問信號，在響應信號和詢問信號的幀結構中都包含通信信息段。當用戶終端需要與其他終端通信時，會將對方地址碼和通信電文隨著響應信號通過衛星發送至地面控制中心；當地面控制中心收到用戶終端發送的響應信號后，通過譯碼找出目的終端地址和通信電文，然后將通信電文加載到目的用戶終端可以識別的通信碼信息中，再隨著詢問信號一同發射出去。這樣，對應的用戶終端就可以得到用戶發送的通信信息，而非目的終端則解不出通信段內容。
用戶終端通信工作在L/S波段，入站傳輸速率最高可以達到16.625 kb/s，出站信道可至31.25 kb/s，并且具有多個業務并發執行的能力，可以在3 s內將用戶（監測站）的數據發送到用戶數據中心站。目前北斗衛星單民用IC卡的最快通信頻率為每30 s發送一次數據，在數據接收頻率上無限制，短報文長度支持120個漢字（約240 B）。要保持流暢通信，不發生丟包現象，報文長度最好控制在100 B以內[6]。
2 系統整體架構
整個系統可分為本地數據采集分系統和主站遠端技術支援分系統兩個部分[7]。本地數據采集分系統由串口通信服務器、前端數據采集服務器和用戶監控終端三部分組成，在需要技術支援時，系統通過北斗衛星手持機使用語音或短消息功能向遠端主站發出技術支援請求，主站人員根據請求內容，通過遠端技術支援分系統查詢設備參數，以進一步確定故障原因并間接指導小站人員或直接遠端控制設備實現故障的排除。系統整體架構如圖1所示。
圖1中，串口通信服務器與具有RS-232、RS-422或RS-485遠端控制接口的衛星通信設備相連，完成TCP/IP協議與標準串行協議（RS-232/422/485）的相互轉化。數據采集服務器通過以太網實現對各串口通信設備（包括高功放、上下變頻器、低噪放大器、天線控制單元、中頻單元、各類調制解調器、數傳設備、圖像編解碼器、畫面分割器和視頻矩陣等設備）的狀態參數進行采集，采集到的數據保存在數據庫中并實時進行更新。監控客戶端及遠端技術支援分系統通過讀取數據以實現設備狀態的查詢。而對設備的控制則由用戶監控終端或遠端技術支援分系統直接通過串口通信服務器發出控制命令來實現。
3 核心硬件設計
3.1 串口通信服務器
考慮到車載站設備小型化、工作穩定等要求，系統使用的串口服務器選用北京康海公司NC916－16M串口通信服務器，該型串口聯網服務器為16端口RS-232/422/485三合一智能型串口通信服務器，通過軟件選擇串口類型，是連接RS-232/422/485串口設備的IP-Based網絡的理想選擇[8]。
NC916-16M串口通信服務器選用Socket工作模式。在Socket模式下，串口通信服務器作為Socket通信的TCP Server，加電后一直在某個端口監聽，運行在主處理機上的應用軟件作為Socket通信的TCP Client，主動與串口通信服務器握手進行TCP/IP的Socket連接，建立連接后，應用軟件按照Socket包的形式來發送各種控制命令，控制命令的內容和格式與串口通信相同，只是通信載體由串口通信變成網絡通信。
3.2 北斗數據傳輸設備
目前市場上北斗數據傳輸設備主要分為兩類：一類是單用戶卡傳輸設備[9]，經與北斗業務中心申請后最大可以在30 s內傳輸120個漢字，所有北斗生產商都有這樣的產品推出；另一類是多用戶卡傳輸設備，也稱集群分組傳輸設備[10]，它可以實現不間斷傳輸用戶數據，隨著用戶卡數量的增加，其傳輸速率也不斷提高，同時時間限制基本可忽略不計。考慮到支援系統使用頻率和設備性價比問題，系統選用北斗集成通信機作為北斗終端收發數據。該集成通信機可容納20張北斗SIM卡，單張卡的數據傳輸能力為78.5 B/min，即628 bit/min。本應用中傳輸的數據主要為設備參數信息，由于整車發生故障的概率極小，而單臺設備發生故障的概率極大，往往在技術支援中僅需查詢和控制一臺設備即可，即使要查詢多臺設備，也可采用逐步深入、漸次查詢的方式，故每次數據傳輸量最大值由參數最多的設備確定。據統計，需要傳輸數據最多的是衛星通信調制解調器，共需傳輸60個參數，查詢應用中每個參數設定2 B用于表示名稱，8 B用于表示參數值，那么共需傳輸60×10＝600 B。而控制數據假定為10個參數，則需要100 B。單張卡傳輸的數據有2 B用于報頭，那么單張卡可以使用76.5 B用于數據傳輸，考慮到數據傳輸的流暢性，共設定10張卡用于查詢數據傳輸，而使用2張卡用于控制數據傳輸。
4 軟件設計
4.1 采集服務器軟件
數據采集服務器軟件是集中監控系統的核心，完成與被監控設備和客戶端的通信，實現所管車載設備工作狀態、設備參數和設備配置信息的實時查詢和采集，并及時獲取設備告警信息，通過對設備狀態參數進行分析，將重要參數值和告警信息存儲到數據庫中；通過與客戶端網絡數據通信，實現對客戶端進行數據庫授權和設備采集功能的開放與關閉。軟件流程如圖2所示。
程序初始化子模塊負責數據采集程序的初始化工作，根據數據源配置文件讀寫數據庫；初始化系統變量；讀取監控設備類型配置表，獲得系統配置信息，如被管車載站名編碼、監控客戶端數量、監控客戶端IP地址等；根據系統配置信息檢索數據庫，創建歷史參數表、當前參數表及告警事件表。
考慮到衛星通信設備大同小異，為方便軟件后續滿足多個衛星通信車載站監控要求，便于軟件擴展和調整，將所有設備按照設備類型設計成獨立的采集線程模塊。每個車載站根據配置設備類型調用相應的采集模塊即可完成該站所有設備的采集功能，從而提高軟件的擴展性。
4.2 用戶監控終端
監控客戶端輪巡讀取數據采集服務器數據庫中所有通信設備的狀態參數，將讀取的狀態參數進行分析統計，以流程圖、LED狀態指示圖或參數列表的形式顯示在屏幕上。當監控客戶端需要對某設備進行控制時，其流程如下（以高功率放大器為例）：
（1）監控客戶端采用Socket模式通知數據采集服務器暫停數據采集；
（2）監控客戶端通過IP地址鎖定串口服務器，建立TCP/IP連接，監控客戶端采用Socket模式將控制命令發送到串口服務器；
（3）串口服務器收到指令后通過內部協議將網絡數據轉換為串口的數據指令送給高功放，高功放接收到指令后按照要求執行相應的動作，同時反饋命令到監控客戶端，表示收到指令并已執行；
（4）監控客戶端采用Socket模式通知數據采集服務器恢復數據采集更新數據庫。
4.3 遠端支援系統軟件
遠端支援系統可以看作是本地網管終端的一個復制和延伸。考慮到北斗數據終端傳輸速率的限制，在建立數據庫時，要設定好清零機制，以保證數據的實時有效。同時，因為要分析和判斷所發生的問題，數據傳輸的準確性就變得非常重要。為此，設計數據傳輸流程如下：遠端用戶根據故障情況可以選擇要傳遞的數據，為節省有限帶寬，數據傳輸系統先將數據進行壓縮，然后向遠端接收系統提出發送請求并等待回復，如果提出3次通信請求均未得到回復，則轉入提醒子程序，提示檢查數據連接情況并退出發送流程；若得到肯定答復，則進入數據分包程序，將數據按100 B進行打包并逐包傳送，傳輸完成后，如果得到補發續傳文件命令，則需要重復上面的過程進行補包傳輸；若無，則提出結束文件傳輸請求，得到結束文件傳輸命令后則退出發送進程。數據傳輸流程圖如圖3所示。
5 結論
本文利用北斗導航衛星的數據傳輸功能，設計并實現了機動衛星通信車的遠端技術支援系統，改善了衛星通信系統的可用性和可維護性，提高了機動車載站的任務保障能力。系統研制成功后，在某型國產KU波段衛星通信車上進行了多次模擬測試，能夠滿足設計需求。但因受限于目前多用戶卡北斗數據傳輸設備傳輸速率的限制，在技術支援的時效性上還有待進一步提高。相信隨著北斗導航系統應用規模的不斷擴大，傳輸速率更高、性價比更好的多用戶卡數據傳輸設備將會大量涌現，系統在采用這樣的設備后，時效性將會得到極大提高。
參考文獻
[1] 中國衛星導航系統管理辦公室.“北斗”衛星導航系統發展報告[J].國際太空，2014（4）：10-14.
[2] 冉承其.北斗衛星導航系統發展計劃的實施[J].數字通信世界，2011（6）：17-19.
[3] 本書編寫組.衛星通信設備操作維護手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.
[4] 郭慶，王振永，顧學邁.衛星通信系統[M].北京：電子工業出版社，2010.
[5] 王煙青，袁仕繼，張英杰，等.北斗系統在遠距離通信保障任務中的應用[J].四川兵工學報，2013（12）：8-9.
[6] 金金，張文飛，周婷.基于北斗衛星系統集抄數據傳輸技術的應用[J].青海電力，2013，32（4）：65-66.
[7] 張維杰，薛利.基于Web的集中式通信設備監控系統的體系結構研究[J].現代電子技術，2005（18）：64-67.
[8] 康海時代公司.NC900安裝手冊[EB/OL].（2011-11-19）[2014-10-01].http：//www.khtimes.net.cn/a/fuwuyuzhichi/chanpinjishushouce/20121 119/111.html.
[9] 何嗣隆，葉方舟，王遠飛.北斗RDSS在海洋工程數據傳輸中的應用[J].華東師范大學學報（自然科學版），2014（4）：173－179.
[10] 胡穩才，黃麗卿，張杏谷，等.北斗終端數據處理與應用[J].集美大學學報（自然科學版），2009，14（3）：24-27．