基于北斗的装备保障信息长报文可靠通信研究

王振业　江勋林　李　明

(解放军理工大学野战工程学院　南京　210007)



基于北斗的装备保障信息长报文可靠通信研究

王振业江勋林李明

(解放军理工大学野战工程学院南京210007)

摘要在工程兵执行应急行动时利用北斗设备的短报文通信功能组建装备保障信息网络。针对北斗通信易因遮蔽而导致报文发送失败问题,提出持续遮蔽原则避免在遮蔽条件下发送报文。针对单条北斗报文长度有限,不足于容纳单次装备保障信息传输,提出长报文可靠通信协议,确保装备保障信息的完全传输。最后通过实验验证了所构建通信机制的合理性和有效性。

关键词北斗通信; 长报文; 装备保障信息; 可靠通信

Research on Long Message Reliable Communication for Equipment Support Information

WANG ZhenyeJIANG XunlinLI Ming

(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing210007)

AbstractWhen the engineer corps perform emergency action, the equipment support information network is set up by the short message communication function of the Beidou device. Due to the Beidou communication is easy to be covered so that it leads to the failure of sending message, sustained shadowing principle is proposed in this paper to avoid sending messages under shielding conditions. For that the length of a single Beidou message is limited and it is not enough to accommodate a single equipment support information transmission, the reliable communication protocol of long message is put forward to ensure the complete transmission of the equipment information. Finally, the rationality and effectiveness of the communication mechanism are verified by experiments.

Key WordsBeidou communication, long message, equipment support information, reliable communication

Class NumberTP319

1引言

北斗卫星定位导航系统是我国完全自主研发的卫星导航系统[1~2]。北斗卫星定位导航系统的构建是分两个阶段完成的,分别是2003年以前完成的北斗一代和正在建设的北斗二代(记为BD-2)[3]。相比北斗二代的无源定位方式,北斗一代有源定位虽然有定位精度不高、易受干扰、功耗大等缺点,但是北斗一代可以为用户提供短报文服务功能。该功能可以在通信条件缺乏或者有特殊保密要求时发挥重大作用。比如在抗震救灾中的应用[4~5]、海洋通信中的应用[6]、电网建设中的应用[7]等。

在营区内,装备保障信息可通过网络自由传输。在工程兵部队执行应急行动时多处于野外条件下,如何快速构建装备保障信息网络是一个值得研究的课题。在野外条件下,因为居无定所,建设有线网络成本过高、浪费严重,而通过无线电台传输又受距离和地理条件的影响,也不可行。并且野外驻训或参与应急任务时,大多数情况下通信网络也是不可用的,通过地方网络传输数据也存在泄密的风险。随着北斗系统的不断完善,构建北斗应用系统的成本也在不断下降。采用北斗通信设备构建的通信网络,成本和风险都将大大降低。

但是,北斗卫星导航系统的单次报文长度有一定的限制,通信数据量超过最大报文长度,必须分包发送。此外,利用“北斗”卫星导航系统进行大数据量通信时存在丢包和误码现象[8]。装备保障信息的传输对可靠性要求非常高,任何一次信息的丢失都会严重影响着决策者的决策以及下一步装备保障活动的开展。此外,通过对装备保障信息压缩也不可能达到单次报文传输的长度要求,因此构建可靠的装备保障信息长报文通信协议是完全必要的。

本文将首先从设备在装备保障活动中的应用背景出发,探讨北斗通信报文丢包的原因,分析其应对措施,在软件层面上做出改进,最大限度地提高了北斗通信的可靠性。然后针对装备保障信息数据数量长和可靠通信的要求,构建长报文通信协议。最后对实测实验数据进行分析,检验通信可靠性。

2通信环境的不确定性

北斗短报文通信是长距离弱功率通信,因此其对通信环境有极高的要求。在北斗应用过程中也可以发现,北斗通信对通信环境的要求非常苛刻。通信环境的要求主要包括三个方面:

1) 无遮蔽,包括金属及非金属物体置于设备对星方向而形成对北斗天线的遮蔽,树木、建筑物等高大物体的遮蔽,也包括厚云层、大气尘埃以及雾霾等的遮蔽影响;

2) 对星方位准确,虽然北斗设备天线对方向没有太严格的要求,但因对星方位不正确而导致接收功率不高,也会增加北斗短报文的丢包率;

3) 无电磁干扰,因为北斗通信是长距离卫星通信,而且北斗设备是靠锂电池低压弱电流工作,功率也相对较低,因此其抗电磁干扰能力也相对较弱。

为了测试常规条件下不同环境对北斗通信的影响,进行了固定地点不同天气条件下的通信测验,以及相同天气不同环境下移动通信测验。表1为北斗通信设备在不同环境下测试的丢包率。

为了提高北斗短报文的可靠性,可以从以下两个方面来改进:一是稳定通信地点,调整最佳方位并减少遮蔽;二是感知遮蔽存在,并避免在遮蔽情况下通信。以下将根据这两个方面在通信机制上改进,提高通信可靠性。

表1　北斗通信测试

2.1系统自检

在通信软件中加入通信测试和系统自检功能,供用户参考,确定良好通信环境和准确方位角。

1) 接收功率自检。北斗一代通信有六个信道,软件每0.5s检测一下当前模块的接收功率。北斗模块返回六个0~4的数值,其中0表示无接收功率,4表示接收功率最强。测试过程中发现,北斗通信可靠性与最强接收功率正相关,与高接收功率个数(4或3)正相关。但是接收功率好并不一定通信成功,通信成功率的高低还与设备自身电池功率等因素有关。

2) 通信测试。由于接收功率好坏并不能决定其通信可靠性。因此为了判别当前通信环境是否良好通信环境,需要在当前环境下多次通信,以其丢包率或成功接收率作为其可靠性差别依据。因为自通信方式在报文接收时会有自身电磁干扰的因素,所以采用自通信方式测试更能体现通信的可靠性。

3) 系统自检。短时间的通信并不能代表通信可靠度,必须在相对较长的时间内测试的统计结果才更加可信。设备软件中加入系统自检的功能,测试半小时设备的通信成功率,以供用户参考,判别当前环境是否适宜通信。

2.2防遮蔽机制

在北斗设备的使用过程中,可以发现遮蔽对通信成功率的影响是很严重的。所以设备在使用过程中,要求用户必须保证设备对星方向准确,北斗天线无遮蔽,尽管这样遮蔽也是不可避免的。为了尽可能地减少遮蔽,将遮蔽分为以下两种情况:

1) 人为遮蔽。设备使用人员不注意,导致在北斗天线前有物体,阻挡了北斗的通信。这种情况的不确定因素较高,在软件程序中的不适合考虑处理,而且可以在用户多加注意情况下避免的。

2) 障碍物遮蔽。包括厚云层、空气污染物等自然因素,设备工作时遇上这些自然障碍时产生遮蔽;也包括高楼、大树等高大物体遮蔽,携带设备工作时必须经过高大物体旁时产生遮蔽。这些遮蔽虽然是很难避免,但是都有个特点:就是一旦产生遮蔽,将在之后连续一段时间都会产生遮蔽。

在以上两种情况的分析后可以得知在软件程序上不能对第一种情况做处理,而第二种情况有连续遮蔽的特点,故可以通过判断在过去一段时间内是否有遮蔽情况,来预测下一个时间点的遮蔽情况。

这里假设在两种场景下工作:一是在城市街道中运动,遮蔽物主要是高楼。此时设备随装备运动,装备运动速度为80km/h,约22m/s。假设高楼的宽度为50m~100m,有高楼的概率为0.3。二是在野外环境中运动,主要遮蔽物是大树、山体。假设此时装备的行进速度为60km/s,约17m/s。假设大树遮蔽距离为5m~10m,存在大树的概率为0.1,山体遮蔽的距离为20m~200m,存在山体遮蔽的概率为0.01。仿真综合结果如表2所示。

表2　设备实际工作仿真情况表

由表2可知,在城市街道上进行仿真时,遮蔽率为26.1%,在野外环境下,遮蔽率为9.9%。遮蔽率越高,通信失败率也越高,这里通过连续遮蔽性质加以优化。

利用连续遮蔽性质的首要条件是北斗设备要能自行判断是否存在遮蔽。由于在遮蔽条件下,设备接收北斗信号的功率会下降,因此通过接收功率自检来检查目前是否存在遮蔽情况。

用u(ti)表示ti时刻的遮蔽情况,无遮蔽时u(ti)=1,否则u(ti)=0。假设当前时刻为tn,已知u(ti),(i=…,n-4,n-3,n-2,n-1,n),判断在tn时刻存在遮蔽的情况u(tn+1)。记⊕表示逻辑运算“并且”,有1⊕0=0⊕1=0,0⊕0=0,1⊕1=1。根据连续遮蔽的原则,有:

u(tn+1)=u(tn-k)⊕u(tn-k+1)⊕…⊕u(tn-1)⊕u(tn)

(1)

即在历史上连续k+1个时间点无遮蔽,则可认为下一个时间点也无遮蔽。为了保证设备通信成功,在判别下一个时间点可能存在遮蔽,则在下一个时间点令设备处于等待通信状态。

这里假设在两种场景下工作:一是在城市街道中运动,遮蔽物主要是高楼。此时设备随装备运动,装备运动速度为80km/h,约22m/s。假设高楼的宽度为50m~100m,有高楼的概率为0.3。二是在野外环境中运动,主要遮蔽物是大树、山体。假设此时装备的行进速度为60km/s,约17m/s。假设大树遮蔽距离为5m~10m,存在大树的概率为0.1,山体遮蔽的距离为20m~200m,存在山体遮蔽的概率为0.01。为描述方便,用符号P表示判别为无遮蔽而实际存在遮蔽的概率。为了得到合理的k值,对以上两场景进行仿真,得到结果如表3所示。

表3　连续遮蔽优化仿真结果

注意到,在无判别情况下,认为在任何时间点都是无遮蔽的,故此时P的值与仿真的遮蔽率相同。从表中的结果可以发现,在有判别的情况下,设备在有遮蔽的情况下发送报文的可靠性将大大下降。但是采用连续判别方法,随着判别依据点数量的增加,其判别准确率并不会增加很多。考虑到报文实时性的要求,软件中取k=4,即设备通过前5s接收功率来判别下一个时间点是否存在遮蔽。

3长报文可靠通信协议

装备保障信息包括装备动用、装备保养、装备抢修、器材供应等大量的信息。在应急行动过程中,装备保障要素可以精简,保障信息可以进一步压缩,但是仍然很难通过单条短报文来进行传输。如果保障信息的数据量超过了最大报文长度,必须分包进行发送。此外,北斗短报文还存在数据丢包和错码的现象。如果信息数据量比较小,可以采用重复多次发送的方式来保证通信的可靠性,但是对于数据量较大的装备保障信息则不太合适。为了保证装备保障信息传输的可靠性,制定一个基于北斗短报文的长报文通信协议是非常必要的。

文献[8]借鉴因特网的TCP/IP协议的网络数据传输控制思想,以及卫星TCP/IP数据传输技术中对数据控制的方法,保证北斗长报文通信的可靠性。但是采用该方法,若最后一条咨询报文连续发送三次失败,则整条长报文认为失败,之前发送的其它报文将会失效。

在长报文装备保障信息发送时,首先将装备保障信息长报文拆分成短报文并将其加入到报文队列中。消息发送线程定时从报文队列中读取报文,转换成相应格式后发送出去。消息解析线程读取并解析消息。报文接收端在接收到报文后及时对接收到的报文进行反馈,对同一长报文的已发送子报文多次反馈,提高可靠性。

3.1生成及解析短报文

由于北斗短报文长度短、容量有限,需要对等待传输的装备保障信息进行压缩。于龙洋等根据定位数据相关性大、冗余度高的特点,设计差分编码方法进行数据压缩[9],而本文装备保障信息的数据压缩主要有以下两种方式:

1) 数据字典压缩[10]。比如单位名称一般较长,但是单位数量相对较少,可以对各单位进行编号,传输时只需要传输单位代号即可。又如器材类别,只需传输器材代码即可,可以通过在器材代码表中查找得到器材名称、规格型号等信息。

2) 数据编码压缩。计算机编码时,一个英文符占一个字节,一个汉字占两个字节,所以在编码时采用混合编码。对数字的编码采用二进制编码将更大地节省数据容量。

在数据压缩的基础上,对数据报文进行拆分,并加入报文头形成可发送的短报文。在数据接收端逆向将数据解压还原,并上传至管理信息系统。报文头主要包括报文序号、长报文拆分成短报文的数量、子报文序号等。生成短报文及解析短报文的流程如图1所示。

图1　生成及解析短报文流程

3.2报文队列

3.3接收短报文

设备与北斗通信模块是通过串口连接的,从串口接收到的数据可以区分为两种,一种是报文数据,另一种是功能数据。功能数据又包括功率检测信息、定位信息、本机反馈信息等。

设备接收报文的流程如图3所示。北斗报文的传输过程中也有可能会产生误码,因此需要在解析报文前进行CRC校验。若接收报文为反馈消息报文,则将其作一定处理后加入反馈消息队列,否则为业务数据报文。图中解析报文信息子流程即为前文讲到的解析报文流程。

图2　报文队列

图3　接收报文流程

图4　发送报文流程

3.4发送短报文

发送报文线程启动后不断检测等待发送报文队列。报文队列中报文按照先进先出的原则排序,若报文不是反馈消息报文,在报文发送完毕后再次将报文放置在等待发送队列尾部。发送报文的流程如图4所示。

4试验分析

为了检验长报文可靠通信机制的合理性,进行了通信实验的验证。实验过程采用两台性能相近的设备,设备采用的北斗卡的服务频度为1/60Hz。这两台设备在高楼阳台自通信测试的结果如表4所示。其中测试发送的报文总数都为60条,天气良好,测试时未加入文中讨论可靠通信机制。

表4　测试设备通信成功率

在进行以下实验时,两台设备处于相同的环境,并且同时工作。共进行两个实验,一个是移动过程中通信实验。由于在应急行动过程中环境对通信的影响与城市街道一致,故实验时只在城市街道实验。实验时设备的平均移动速度约为14m/s。以1小时为单位,一台设备加入持续遮蔽判别机制,另一台设备未加入判别机制,两台设备进行自通信测试(即每台设备过60s向自己发送一条报文)。另一个是长报文通信实验。实验时两台设备分别向另外两台设备(北斗编号分别为135701和135702)发送长报文。长报文内容为一次器材申请(拆分为10条短报文)和一次器材调拨(拆分为10条短报文),实验时将设备固定在地面草坪。

第一个实验共进行了5次,记下每次两个设备发送报文及成功接收报文的数量,得到结果如表5所示。从表中结果可以得知,通过加入遮蔽判别机制后,设备在被遮蔽的情况下发送报文失败概率将大大降低,最终成功接收的报文数将增多。

表5　移动过程通信实验

第二个实验也进行了5次,实验过程中天气良好,无偶然遮蔽,实验结果如表6所示。经过解析的装备保障信息短报文总数为20条,设备1在发生丢包的情况下不补包,而设备2在发生丢包情况下会自动补包,所以设备2发送的报文总数大于或等于20条。实验中设备1在5次实验中,只有1次两条信息传输成功,而设备2所有实验都将两条信息传输成功。

表6　长报文通信实验

5结语

基于北斗的装备保障信息长报文通信研究已经应用到工程兵部队应急行动装备保障信息管理系统中。由作者所在团队自主研发的北斗设备组成的临时装备保障网络成功取代营区内有线网络,为野外条件下装备保障提供可靠的信息传输途径,开启野外装备保障信息化的新路子。实际应用表明,基于北斗的长报文通信能够保障应急行动装备保障正常的信息传输要求。

参 考 文 献

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中图分类号TP319

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.01.022

作者简介:王振业,男,硕士研究生,研究方向:装备管理与运用。江勋林,男,博士研究生,研究方向:机电一体化。李明,男,硕士研究生,研究方向:机电一体化。

收稿日期:2015年7月8日,修回日期:2015年8月27日