摘 要： 基于北斗卫星导航系统数据传输功能，设计了机动卫星通信地球站远端技术支援系统。简要介绍了北斗导航卫星系统报文通信功能，阐述了系统整体结构及其流程，详细介绍了主要硬件组成和软件设计。测试结果表明，该系统符合设计要求。该设计解决了机动卫星通信地球站远端技术支援问题，增强了设备可用性和可维护性，提高了任务保障能力。
关键词： 北斗卫星导航系统；机动卫星通信地球站；远端技术支援；串口服务器
0 引言
截至2012年11月，我国自主研制的北斗卫星导航系统共有14颗卫星在轨运行，中国绝大部分地区的北斗可见波束在３个以上，可以无缝覆盖我国全部国土和周边海域，标称覆盖范围为东经70°～145°，北纬5°～55°[1]。系统由空间卫星、地面中心站、用户终端和标校站组成，具有快速定位、双向通信和精密授时三大基本功能，已在公路交通、铁路运输、海洋作业、气象信息等方面得到了广泛应用，产生了良好的经济和社会效益[2]。
进入21世纪以来，在社会需求牵引和技术推动下，卫星通信由于具有覆盖范围广、通信距离远、通信质量高等特有技术优势，在军事、经济、政治和文化领域发挥了重大作用[3]。其中，机动卫星通信地球站由于具备机动性强、开通快速等特点，在军事行动、武器装备建设、抢险救灾中很受用户青睐，成为了这些领域的主力军[4]。在卫星通信保障任务中，由于从业人员卫星通信理论和设备操作水平参差不齐，加之多数机动卫星通信站保障所在地无其他有效通信手段可以依托，常会发生卫星通信装备因参数设置错误等软硬件故障问题导致通信中断或无法开通业务的现象。此时，建设一套远端技术支援系统就显得非常必要。本文利用北斗卫星导航系统全天候、全地域覆盖的特点，使用其数据传输技术，设计了机动卫星通信地球站技术支援系统，该系统具有本端网络管理、远端技术支援和交流通信等功能，具备良好的环境适应能力。系统的实现提高了卫星通信任务的保障能力，为实现远端技术支援提出了新方法，具有一定的推广应用价值。
1 北斗导航卫星系统报文通信功能简介
北斗卫星的简短通信功能可以实现用户与地面控制中心、用户与用户之间的双向数据传输[5]。使用北斗卫星的简短通信过程如下：在每个用户终端都有属于自己的唯一识别码，用户终端随机响应某一时刻经过卫星转发的询问信号，在响应信号和询问信号的帧结构中都包含通信信息段。当用户终端需要与其他终端通信时，会将对方地址码和通信电文随着响应信号通过卫星发送至地面控制中心；当地面控制中心收到用户终端发送的响应信号后，通过译码找出目的终端地址和通信电文，然后将通信电文加载到目的用户终端可以识别的通信码信息中，再随着询问信号一同发射出去。这样，对应的用户终端就可以得到用户发送的通信信息，而非目的终端则解不出通信段内容。
用户终端通信工作在L/S波段，入站传输速率最高可以达到16.625 kb/s，出站信道可至31.25 kb/s，并且具有多个业务并发执行的能力，可以在3 s内将用户（监测站）的数据发送到用户数据中心站。目前北斗卫星单民用IC卡的最快通信频率为每30 s发送一次数据，在数据接收频率上无限制，短报文长度支持120个汉字（约240 B）。要保持流畅通信，不发生丢包现象，报文长度最好控制在100 B以内[6]。
2 系统整体架构
整个系统可分为本地数据采集分系统和主站远端技术支援分系统两个部分[7]。本地数据采集分系统由串口通信服务器、前端数据采集服务器和用户监控终端三部分组成，在需要技术支援时，系统通过北斗卫星手持机使用语音或短消息功能向远端主站发出技术支援请求，主站人员根据请求内容，通过远端技术支援分系统查询设备参数，以进一步确定故障原因并间接指导小站人员或直接远端控制设备实现故障的排除。系统整体架构如图1所示。
图1中，串口通信服务器与具有RS-232、RS-422或RS-485远端控制接口的卫星通信设备相连，完成TCP/IP协议与标准串行协议（RS-232/422/485）的相互转化。数据采集服务器通过以太网实现对各串口通信设备（包括高功放、上下变频器、低噪放大器、天线控制单元、中频单元、各类调制解调器、数传设备、图像编解码器、画面分割器和视频矩阵等设备）的状态参数进行采集，采集到的数据保存在数据库中并实时进行更新。监控客户端及远端技术支援分系统通过读取数据以实现设备状态的查询。而对设备的控制则由用户监控终端或远端技术支援分系统直接通过串口通信服务器发出控制命令来实现。
3 核心硬件设计
3.1 串口通信服务器
考虑到车载站设备小型化、工作稳定等要求，系统使用的串口服务器选用北京康海公司NC916－16M串口通信服务器，该型串口联网服务器为16端口RS-232/422/485三合一智能型串口通信服务器，通过软件选择串口类型，是连接RS-232/422/485串口设备的IP-Based网络的理想选择[8]。
NC916-16M串口通信服务器选用Socket工作模式。在Socket模式下，串口通信服务器作为Socket通信的TCP Server，加电后一直在某个端口监听，运行在主处理机上的应用软件作为Socket通信的TCP Client，主动与串口通信服务器握手进行TCP/IP的Socket连接，建立连接后，应用软件按照Socket包的形式来发送各种控制命令，控制命令的内容和格式与串口通信相同，只是通信载体由串口通信变成网络通信。
3.2 北斗数据传输设备
目前市场上北斗数据传输设备主要分为两类：一类是单用户卡传输设备[9]，经与北斗业务中心申请后最大可以在30 s内传输120个汉字，所有北斗生产商都有这样的产品推出；另一类是多用户卡传输设备，也称集群分组传输设备[10]，它可以实现不间断传输用户数据，随着用户卡数量的增加，其传输速率也不断提高，同时时间限制基本可忽略不计。考虑到支援系统使用频率和设备性价比问题，系统选用北斗集成通信机作为北斗终端收发数据。该集成通信机可容纳20张北斗SIM卡，单张卡的数据传输能力为78.5 B/min，即628 bit/min。本应用中传输的数据主要为设备参数信息，由于整车发生故障的概率极小，而单台设备发生故障的概率极大，往往在技术支援中仅需查询和控制一台设备即可，即使要查询多台设备，也可采用逐步深入、渐次查询的方式，故每次数据传输量最大值由参数最多的设备确定。据统计，需要传输数据最多的是卫星通信调制解调器，共需传输60个参数，查询应用中每个参数设定2 B用于表示名称，8 B用于表示参数值，那么共需传输60×10＝600 B。而控制数据假定为10个参数，则需要100 B。单张卡传输的数据有2 B用于报头，那么单张卡可以使用76.5 B用于数据传输，考虑到数据传输的流畅性，共设定10张卡用于查询数据传输，而使用2张卡用于控制数据传输。
4 软件设计
4.1 采集服务器软件
数据采集服务器软件是集中监控系统的核心，完成与被监控设备和客户端的通信，实现所管车载设备工作状态、设备参数和设备配置信息的实时查询和采集，并及时获取设备告警信息，通过对设备状态参数进行分析，将重要参数值和告警信息存储到数据库中；通过与客户端网络数据通信，实现对客户端进行数据库授权和设备采集功能的开放与关闭。软件流程如图2所示。
程序初始化子模块负责数据采集程序的初始化工作，根据数据源配置文件读写数据库；初始化系统变量；读取监控设备类型配置表，获得系统配置信息，如被管车载站名编码、监控客户端数量、监控客户端IP地址等；根据系统配置信息检索数据库，创建历史参数表、当前参数表及告警事件表。
考虑到卫星通信设备大同小异，为方便软件后续满足多个卫星通信车载站监控要求，便于软件扩展和调整，将所有设备按照设备类型设计成独立的采集线程模块。每个车载站根据配置设备类型调用相应的采集模块即可完成该站所有设备的采集功能，从而提高软件的扩展性。
4.2 用户监控终端
监控客户端轮巡读取数据采集服务器数据库中所有通信设备的状态参数，将读取的状态参数进行分析统计，以流程图、LED状态指示图或参数列表的形式显示在屏幕上。当监控客户端需要对某设备进行控制时，其流程如下（以高功率放大器为例）：
（1）监控客户端采用Socket模式通知数据采集服务器暂停数据采集；
（2）监控客户端通过IP地址锁定串口服务器，建立TCP/IP连接，监控客户端采用Socket模式将控制命令发送到串口服务器；
（3）串口服务器收到指令后通过内部协议将网络数据转换为串口的数据指令送给高功放，高功放接收到指令后按照要求执行相应的动作，同时反馈命令到监控客户端，表示收到指令并已执行；
（4）监控客户端采用Socket模式通知数据采集服务器恢复数据采集更新数据库。
4.3 远端支援系统软件
远端支援系统可以看作是本地网管终端的一个复制和延伸。考虑到北斗数据终端传输速率的限制，在建立数据库时，要设定好清零机制，以保证数据的实时有效。同时，因为要分析和判断所发生的问题，数据传输的准确性就变得非常重要。为此，设计数据传输流程如下：远端用户根据故障情况可以选择要传递的数据，为节省有限带宽，数据传输系统先将数据进行压缩，然后向远端接收系统提出发送请求并等待回复，如果提出3次通信请求均未得到回复，则转入提醒子程序，提示检查数据连接情况并退出发送流程；若得到肯定答复，则进入数据分包程序，将数据按100 B进行打包并逐包传送，传输完成后，如果得到补发续传文件命令，则需要重复上面的过程进行补包传输；若无，则提出结束文件传输请求，得到结束文件传输命令后则退出发送进程。数据传输流程图如图3所示。
5 结论
本文利用北斗导航卫星的数据传输功能，设计并实现了机动卫星通信车的远端技术支援系统，改善了卫星通信系统的可用性和可维护性，提高了机动车载站的任务保障能力。系统研制成功后，在某型国产KU波段卫星通信车上进行了多次模拟测试，能够满足设计需求。但因受限于目前多用户卡北斗数据传输设备传输速率的限制，在技术支援的时效性上还有待进一步提高。相信随着北斗导航系统应用规模的不断扩大，传输速率更高、性价比更好的多用户卡数据传输设备将会大量涌现，系统在采用这样的设备后，时效性将会得到极大提高。
参考文献
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