北斗系统在警戒雷达中的应用研究*

宋 岩 刘利民

(军械工程学院 石家庄 050003)



北斗系统在警戒雷达中的应用研究*

宋 岩 刘利民

(军械工程学院 石家庄 050003)

目前警戒雷达数据传送主要依靠电台进行传输。在未来的作战环境中,空中必然伴随着多频段、高强度的电磁干扰。为了确保数据能及时有效地传输出去,就必须要寻找一种可靠稳定的传输手段作为应急备用。随着我国北斗卫星系统的逐步完善和发展,卫星网络的功能和能力不断加强。在第二代北斗系统中,已经实现了短报文功能,因此可以充分利用这一功能进行应急情报传送以及雷达组网数据链路的建立。

北斗卫星系统; 应急情报传送; 短报文

Class Number TN957

1 引言

在未来战场中,随着大量高科技装备的运用,战场局势将会越来越瞬息万变。对于未来敌方情报的掌控,就愈发显得重要。其中,警戒雷达作为第一道防线,其重要性不言而喻。与此同时,警戒雷达必将面临多频段高强度的电磁干扰。在现代信息战争中,指挥机构要掌握准确及时可靠的战场情报,并进行快速有效地通信指挥。警戒雷达作为战场中的“千里眼”,其信息必须及时有效地传达到位。

警戒雷达一般采用短波通信方式,该方式受天气影响较大而且容易受到干扰。虽然雷达站可以采用光线有线通信方式,但对于机动雷达站,除非预先铺设好有线通信光缆,否则无法立即开通使用。这就需要一种能随时随地可靠稳定传递情报的手段。不仅如此,固定通信台站以及有线通信网络一旦遭受破坏,修复时间较长,在战场条件下尤其显得困难[2],这就需要一种在应急情况下的情报传递备用手段。

随着我国北斗卫星通信系统的逐步建立和不断完善,尤其是北斗二代实现了短报文通信功能,警戒雷达完全可以利用北斗二代进行预警情报的传递。如果有战事发生,战区当地的居民也需要及时有效的预警信息,警戒雷达的获取的情报可以通过卫星直接传递给持有北斗终端的群众,从而让群众有足够的时间进行隐蔽,切实保障人民群众生命财产安全。

2 北斗系统工作原理和功能

2.1 概述

北斗卫星导航系统又称北斗一号,是中国的第一代卫星导航试验系统,2000年发射了两颗卫星后便能够工作,2003年又发射了一颗备用卫星,试验系统组建完成。在卫星的寿命到期后,系统停止工作。

正式的北斗卫星导航系统也被称为北斗二号,是中国的第二代卫星导航系统,英文简称BDS。计划中,整个系统将由35颗卫星组成,其中5颗是静止轨道卫星,以与使用静止轨道卫星的北斗试验系统兼容。与美国的GPS相比,北斗二号还能完成短报文通信功能[1],因而具有极重要的战略意义。

北斗卫星导航由空间段,地面段,用户段组成。空间段由35颗卫星组成,包括5颗静止轨道卫星,27颗中地球轨道卫星,3颗倾斜同步轨道卫星。系统的地面段由主控站,注入站,监测站组成。用户段即用户的终端,既可以是专用于北斗卫星导航系统的信号接收机,也可以是同时兼容其他卫星导航系统的接收机[8]。

2.2 功能

北斗系统是首个集定位、授时和报文通信为一体的卫星导航系统,比美国的GPS何而罗斯的GLONASS多了一项短报文功能,从而是北斗二号在军用和民用两方面有着巨大的潜力。该系统的基本功能有:

· 快速定位:快速定位用户地理位置,为用户提供导航信息;

· 精确授时:北斗卫星导航系统具有单向和双向两种授时功能,利用定时用户终端,完成与北斗卫星导航系统见时间和频率同步;

· 短报文通信:北斗卫星导航定位系统短报文通信功能具有用户与用户,用户与地面控制中心间双向的数字报文通信能力。短报文不仅可以点对点双向通信,而且其提供的指挥终端机可进行一点对多点的信息传输,为各种平台应用提供了极大便利。

2.3 短报文通信特点

北斗系统短报文通信具有以下特点[3]:

· 响应速度快:点对点通信延迟为1s～5s,短消息通信延迟约为0.5s。

· 抗干扰能力去昂:卫星传输采用S/L波段,雨衰影响小,采用码分多址(CDMA)扩频技术,减少了码间干扰。

· 可靠性高:系统阻塞率<10-3,数据误码率<10-5.

· 用户终端采用一户一密,有着较强的保密性。

· 覆盖范围广:北斗一号系只能覆盖我国全境和周边地区,北斗二号系统则可以实现全球通信和定位。

2.4 用户终端机分类

北斗系统用户终端机按使用功能分为:

· 普通型:可完成系统提供的定位,通信和导航等基本功能。

· 定时型:可完成单向授时和双向定时功能,还可完成系统提供的定位,通信和导航等基本功能。

· 数传型:通过外界传感器等设备,可实现数据和信息等传输。

· 指挥型:除可完成系统提供的定位,通信和导航等基本功能外,还可完成监收和通播等指挥通信功能。

· 救生型:可完成飞行员跳伞后位置报告和常用短语报告功能。

3 警戒雷达数据传输中面临的问题

3.1 警戒面临着电磁干扰日趋复杂的电磁场环境

警戒雷达作为战场上第一道防线,担负着非常重要的警戒预警作用,所争取到的时间可以使作战单位快速进入战备,从而在面临敌人突袭时减少避免损失并且快速反击敌人[7],给敌人以沉重打击,重要性不言而喻。因此,警戒雷达也成为了敌人首先要攻击的目标。最常见的就是电磁干扰,一般情况下雷达通过电缆或电台向预警指挥系统传递信息,而破坏和干扰使得预警雷达的信号传输面临严重的挑战。就算探测到了目标,信息无法传递出去,警戒雷达也就失去了应有的作用。

3.2 警戒雷达地理位置偏远

警戒雷达,顾名思义起到警戒作用,一般都是在边境线上,地理位置一般较为偏远,大型的警戒雷达站可以采用电缆传输,但是成本较高。一些小型雷达,或者一些起到弥补低空扫盲作用的传感器也采用电缆显然成本太高。而采用电台,由于距离较远,很容易受到干扰[5]。

4 北斗在警戒雷达中的运用

4.1 利用北斗系统短报文传送对空警戒情报

1) 对空警戒情报传递手段

空情预警是现代复杂电磁环境下立体作战的首要问题。现有雷达站采用以下三种方式进行对空警戒情报传送:短波无线数据通信;基于综合业务数字网(IS-DN)的调制解调串行通信;基于专用光纤网络的TCP/IP数据传输。短波数据通信受天气和电离层影响较大,且传送速率低;基于ISDN的调制解调串行通信利用电话线路通信快捷方便,但系统带宽低,无法满足大容量传送需求;光纤网络传输具有速度快和带宽大优点,是最好的对空警戒情报传送方式。后两种方式属于固定台站通信,不能满足机动通信需求,而且一旦受到破坏,恢复时间较长,需要应急备用通信手段。从北斗系统短报文和对空警戒情报特点可见,对空警戒情报可以利用北斗系统短报文传送。

2) 可行性分析

从北斗系统短报文和对空警戒情报特点可以知道,对空警戒情报可以利用北斗系统短报文功能进行传送。北斗系统从终端机到终端机传输时延为0.5s。虽然时延较大,但空中预警的对空警戒情报基本可满足使用要求。由于北斗系统短报文通信不能进行连续通信,1台用户机短报文通信最高频次为1次/秒,每小时只能提供数十万次服务[4]。根据这一情况从以下两方面分析其可行性。

由于从雷达站至指挥中心的对空报文一般不超过60B,并且格式相对固定。而1次短报文通信最高可传送240B[10],因此1次通信最多可发送4条对空报文,即1s可传送4条报文。按一般雷达转速为6圈/分钟计算,雷达每转1圈,1台用户机可发送40条对空报文,而1批目标1圈内产生1组报文,故在雷达转速6圈/分钟情况下,1台北斗系统端机最多只能保障40批目标的对空警戒情报传送。在极端情况下,最后一次发送报文时延将达到9.5s。目前雷达情报处理主要进行数据融合,若情报源有超过4s的延迟,融合的精度将受到较大影响。若将时延控制在4s以内,则仅能保障12批对空目标传送,保障能力较低。

为提高保障情报批的数量,也可采取同一雷达站多配北斗用户机的方法,从而能相应成倍增加保障目标批数量。北斗系统每小时最多提供服务数十万次,据此计算,每秒只能同时供百余台用户端机进行通信或定位。如果大量雷达站采用北斗系统短报文通信,则会受到其通信容量限制。因此,采用北斗系统作为对空警戒情报传递手段,目前只能作为少数机动雷达站或雷达站的一种应急备用手段。但是随着北斗系统的逐步完善,通信容量必将随之解决

北斗系统短报文传送数据量有限,因此不适用空情密度较高的地区,也不适用航管雷达,目前适用于空情量少的地理位置偏远的警戒雷达站,但随着北斗系统的逐步完善,这一问题必将得到解决。

3) 传送方案设想

根据北斗系统特点,设计了利用北斗系统传送对空警戒情报的方案如下:用嵌入式北斗指挥机在指挥中心接收警戒雷达站传送情报,警戒雷达站配置两台嵌入式普通用户机,可以备用,也可以相应提高传送对空目标的较多数量[6]。其系统结构如图1所示。

图1 传送方案结构图

该方案由站系统将对空警戒情报通过网络将空情报文发给通信机,通信机按每4条空情报文组成1条短信息报文,依次通过2台嵌入式端机接口将报文通过北斗系统发给北斗机,经北斗系统达到指挥中心。指挥中心通信机收到北斗短报文后,将1条短报文还原成4条对空警戒情报报文,经安全网关发送给指挥中心信息系统,完成对空警戒情报的传送。尤其各指挥中心可以利用现有北斗系统独立完成所属雷达站对空警戒情报传送,还可以通过指挥端机向各雷达站广播或点对点发送信息。雷达站通信机由1台计算机加装嵌入式北斗用户机模块组成。其软件处理主要分为以下两个模块:(1)通过网口接收雷达站系统发送的雷达报文,并根据算法进行筛选和次序处理;(2)负责将4条报文组成1条短报文,通过北斗机的端口发送给北斗系统。由于北斗系统短报文透明传输,空情报文格式固定:将每条报文按原编码,不足60B用空格补足,每4条报文合成1条短报文共计240B发送。指挥中心通信机由1台计算机加装嵌入式北斗指挥机模块组成,该机在北斗端机收到1条短报文后,按每60B1条,去掉尾部空格即可还原成1条空情报文,后将空情报文通过串口发送至安全网关。安全网关防止各种非法报文进入指挥信息系统。网关通过串口接收通信机接收的情报报文,将符合军标格式的报文通过网络发送至指挥信息系统;至于串口接收的格式不规范报文一律丢弃。在不改变雷达站系统的情况下,通过向北斗系统运营管理中心申请,设立一种专用ID,在北斗系统地面控制中心,凡是目的ID号是该专用ID号的短信息报文不再通过卫星转发,而是直接通过地面控制中心的安全网关,接入军用网络系统,分别送至各相应的指挥中心信息系统[9]。系统结构如图2所示。

图2 系统结构

实现其中通信机将北斗短报文还原成空情报文的功能可以减少0.25s时延,利于各雷达站对空警戒情报传送。不过该方案需在北斗系统地面控制中心作相应软件修改,实现难度较大。

4.2 基于北斗的边境地区居民敌情警告系统

1) 警告系统的必要性

我国陆地边境及其辽阔,并且很多地区存在着非常不安定的因素,对人民生命财产安全造成了极大的威胁。2015年3月,缅甸军机炸弹落入中方境内,造成当地居民4死9伤。不仅严重侵犯了我国的主权,更给我国人民带来了巨大的生命财产损失。因此,为保护边境地区人民生命财产安全,让居民尽早收到危险警告,及时采取隐蔽措施,急需要建成边境地区居民敌情警告系统。

2) 敌情警告系统方案

随着我国北斗卫星系统的不断完善,将具备越来越强大的数据传输与通信能力。可以以北斗卫星系统作为纽带,连接预警雷达系统与边境地区北斗手持终端。系统结构如图3所示。

图3 敌情警告系统结构图

当雷达预警监测系统发现敌情,并将情报传送给预警指挥系统时。指挥系统根据敌情,决定是否将警报发送给当地居民[11]。如果需要,则将警报以短报文方式通过北斗卫星系统发送给边境地区持有北斗接收终端的居民,让居民可以尽快躲避到安全地带,从而避免生命财产损失。这一系统具有极其重要的意义。

预警信息是常用短语警告信息,因而在数据传输容量方面并不存在问题。最重要的是,在警戒雷达发现敌情时,将预警信息及时有效地发送给边境地区居民。

5 结语

随着北斗系统的逐步完善,通信容量逐渐增大。在警戒雷达中数据传输将起到越来越重要的作用。这不仅能解决警戒雷达数据传输的问题,也能为雷达组网的建成奠定良好的基础,更能适应未来“扁平网络化”的指挥系统。因此,北斗系统在军事领域的研究具有极其重要的意义。

[1] 许博浩,郝永生.基于北斗通信的文本数据传输[J].计算机与数字工程,2014(6):1050-1053.

[2] 刘佳,徐博,雍少为.北斗系统在炮兵旅中的应用研究[J].舰船电子工程,2010(8):60-63.

[3] 周露,刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用[J].全球定位系统,2004(04):12-16.

[4] 薛瑞.基于北斗预警信息传输关键技术研究[D].天津:河北工业大学,2011:33-37.

[5] 徐慨,陈芸.基于“北斗”卫星定位系统的舰船监控系统[J].声学与电子工程,2004(2):19-21.

[6] 李鉴海.基于WebGIS架构的北斗/GP车辆监控系统设计与实现[D].长沙:国防科技大学,2010:45-49.

[7] 史晓强.基于北斗的机步旅定位报告系统[D].长沙:国防科技大学,2008:30-35.

[8] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):23-26.

[9] 张有志.基于卫星网络的IP组播技术[J].电信快报,2004(01):22-23,27.

[10] 成方林,张翼飞,刘佳佳.给予“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议[J].海洋技术,2008,1(27):26-28.

[11] 黄丽卿,张杏谷,郑佳春.北斗终端数据处理与应用[J].集美大学学报(自然科学版),2009,3(14):256-259.

Application of Beidou System in Warning Radar

SONG Yan LIU Limin

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

The warning radar data transmission relys mainly on radio transmission. In the future operational environment, the air must be accompanied by a multi-band electromagnetic interference, high strength. In order to ensure timely and effective data transfer out, it is necessary to find a reliable and stable transmission means as an emergency backup. With the gradual improvement and development of China’s Beidou satellite system, satellite network functions and capabilities continue to strengthen. In the second generation Beidou system has achieved a short message function, so this feature can be taken for emergency transfer and the establishment of the radar network data link information.

Beidou satellite navigation system, emergency information transfer, short message

2015年6月6日,

2015年7月28日

宋岩,男,硕士,研究方向:信息与信号处理。刘利民,男,博士,教授,研究方向:信息与信号处理。

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.015