利用BDS实现野外机动保障的方法

崔国恒，王 宇，赵金超，任 涛，李京书

(海军工程大学，武汉 430033)

利用BDS实现野外机动保障的方法

崔国恒，王 宇，赵金超，任 涛，李京书

(海军工程大学，武汉 430033)

针对当前装备保障指挥中机动指挥手段缺乏、岸海信息交互不及时、保障全局难掌控的问题，利用BDS具有信号覆盖范围广、可实现定位通信一体化、拥有自主知识产权、技术成熟等优势，研制出了体积小、携带方便、可靠性高的保障装备。研究基于BDS组网、定位与通信等功能构建野外机动保障指挥网络的架构形式、通信协议和通信方案，实现了野外机动保障指挥中的保障态势显控、保障指挥调控、保障力量调度、维修需求采集、保障技术支援等功能，为装备机关和保障部(分)队开展装备保障训练提供掌控保障全局的指挥调控手段和信息交互渠道。

BDS；装备保障指挥；机动保障；指挥网络

0 引言

在装备保障战备演练与实战化保障组织实施中，由于制式指挥通信装备的缺乏，舰船装备保障指挥机构开设、部署展开、需求掌控、任务下达及保障力量的调控使用等方面，存在信息传递上的诸多瓶颈，主要表现为：一是岸海难通，Ku波段卫星通信信息资源保障困难，无法实现远海作战指挥装备的保障；二是需求滞后，舰艇部队保障需求信息抵达装备部门环节多、时间滞后；三是综合保障态势不明，舰装、保障中心、保障点及各建制保障机构掌控岸海需求、各项任务调配与进度、各保障力量行动等缺乏专用手段。

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)作为我国自主研制、独立运行的卫星导航系统，短报文功能实现导航通信一体化一直是BDS的优势所在，基于BDS的短报文服务功能可实现装备保障信息实时同步设备，其具有以下几方面的优势：

1)设备终端多种多样，技术成熟度高，研制风险小。BDS装备保障信息实时同步设备依托成熟定型的BDS设备进行研发，不仅研制风险小，而且终端设备体积小、移动携带方便，可用于现场和野外作业维修信息采集及调控信息反馈，适用于多场合的远程维修支援及态势集中显示需求，具有传统装备保障系统无法相比的优势。

2)设备覆盖范围广，全域全时满足装备保障需求。BDS定位通信现已发射23颗卫星，已覆盖亚太地区，计划将在2020年实现全球覆盖。因此，依托BDS研制装备保障信息实时同步设备能够全域全时满足设备保障需求。

3)设备具有较强的保密性和抗干扰性。BDS B3频点为军方专用频段，设备自身加装有小型保密模块，在数据编码、信号调制等方面从原理上具有较强的保密性，接收信号时通过窄带滤波、陷波等信号处理技术以及配带抗干扰天线等方式使得系统具有较强的抗干扰能力，同时申请配发的军卡还可以在通信过程中达到机密级以上的保密效果。

4)定位通信功能。BDS同时具有定位和通信双重功能，系统集成度高，便于携带，适合在远程维修支援管控、远程维修活动管理、装备技术保障组织指挥等过程中使用。同时，BDS指挥机除本身具有定位通信功能外，还能监收下属用户机的定位和通信信息，并可向其发送通播信息，这就为保障机关指挥岸基保障力量、远海保障力量、远海活动舰艇提供了较好的指挥平台。

因此，研究基于BDS的野外机动保障指挥网络的架构形式、通信协议和通信方案，实现野外机动保障指挥中的保障态势显控、保障指挥调控、保障力量调度、维修需求采集、保障技术支援等功能，为舰船装备保障指挥员提供高效便捷的指挥调控手段具有非常重要的意义。

1 BDS简介

BDS是我国自行研制、独立运行的卫星导航系统，包括“北斗一号”和“北斗二号”两代系统。“北斗一号”是已使用的区域卫星导航系统；“北斗二号”则是正在建设中的全球卫星导航系统，2012年已提供覆盖亚太地区的导航、授时和通信服务能力，预计2020年左右覆盖全球。

“北斗一号”卫星导航系统由空间卫星、地面中心站、用户终端3部分组成，具备定位、通信和授时3大功能[1]。空间卫星为3颗地球同步轨道卫星(2颗工作，1颗备用)；服务区域为5°N～55°N，70°E～145°E；定位精度为水平20 m，垂直10 m；具备“点对点”“点对多”短报文通信功能，单次最大传输240 个字节；能定时播发授时信息，具备单向和双向授时功能，并提供时延修正值，授时精度单向100 ns，双向20 ns。

“北斗二号”卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成，具备定位、导航、通信和授时4大功能[2]。系统提供2种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10 m，授时精度为50 ns，测速精度0.2 m/s；授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。“北斗二号”系统服务区覆盖范围和指标如表1所示。

表1 “北斗二号”系统服务区覆盖范围和指标

表1中：RNSS是指卫星无线电导航服务(radio navigation satellite service)；RDSS是指卫星无线电测定服务(radio detection satellite system)。

2 指挥网络架构

2.1 BDS设备

BDS设备型号众多，大致可分为3类，即BDS指挥机、BDS车载/舰载用户机和BDS手持用户机[3]。本文研究所用设备实物如图1～图3所示。

2.2 网络架构形式

在装备保障战备演练与实战化保障组织实施中，通常采用如图4所示的网络架构形式实现通信指挥。

该架构形式具有如下特点：

1)指挥机为指挥级，用户机为下属级；

2)指挥级和下属级可以双向“点对点”通信指挥；

3)下属级相互之间可以双向“点对点”通信；

4)指挥级可对下属级进行单向“点对多”通播指挥；

5)指挥级可以实时监控下属级之间的通信。

在实际应用中，往往有些特殊情况需要实现多级指挥，此时采用的网络架构形式如图5所示。

该架构形式具有如下特点：

1)指挥机为一级指挥，车载用户机为二级指挥，BDS用户机为下属级；

2)一级指挥和二级指挥、二级指挥和下属级之间可以双向“点对点”通信，实现按级指挥功能，特殊情况下，一级指挥与下属级之间也能双向“点对点”通信，实现越级指挥功能；

3)下属级和下属级之间可以实现双向“点对点”通信；

4)一级指挥可对二级指挥和下属级进行单向“点对多”通播指挥，二级指挥通过一级指挥的通播转发，实现对下属级的单向“点对多”通播指挥；

5)一级指挥可以实时监控二级指挥和下属级之间、下属级相互之间的通信。

3 通信协议设计

3.1 信息交互类型

在装备保障指挥实际应用中，各类保障指挥信息的交互需要分类处理。本文在标准BDS协议的基础上，结合装备保障部队实施指挥的实际和保障部(分)队的业务流程，采用自定义协议形式规范了信息交互协议的二次设计，实现了指挥中心指令下达和终端信息上报等功能。信息交互类型设计如表2所示。

表2 信息交互类型

3.2 协议规范及原则

指挥端和用户终端之间的数据通信通过软件编程实现，指挥端基于Windows系统开发，通过Winsock 控件进行双向传输，建立客户/服务器模式，其中指挥端为服务器，用户终端为客户端。由于BDS卫星通信传输的局限性和特殊性，协议不具备数据有效性控制功能，数据出现差错则意味着当次数据链路出现错误。与传统TCP/IP的最大不同之处是数据传输的延迟性和数据的传输长度，因此协议的制订需遵循以下几条原则[4]：

1)健壮性：要考虑到网络连接的不稳定性，在容易出错时保证运行的可靠性；

2)解码算法的简单性：接收到的数据要进行多项处理，在时间上有较高的要求，解码要求简单，但同时单帧长度也不宜过长；

3)可扩展性：能在不影响原有协议整体结构的基础上，添加新的功能或修改原有功能。

3.3 数据帧结构

BDS短报文通信功能单次传输的数据量不能超过120个汉字，限制了BDS系统在保障指挥中的应用，如舰艇关联故障信息的传输、维修技术支援等，通信数据量往往超过最大报文长度，必须分包进行发送。报文数据帧结构的制定思路是对大的数据包进行拆包并加相应的包头，接收端对接收的数据包拆除包头，然后合并数据[5]。

每一个数据包的内容由指挥端或用户终端组包然后发出，接收到数据帧以后，解包完成相应的功能。数据包的格式如下所示：

数据包头数据包头内容校验和

数据包头所包含的内容如下所示：

数据类型回执请求状态数据包序号数据包长度

其中：数据类型用来确定数据的格式和内容，完成所接收数据的分发和显示，主要分为13类；回执请求根据使用者需要进行勾选，确认该条信息是否被对方接收；数据包序号和长度主要确定该条信息在整个帧长中的位置，为信息补发或重发提供标识，数据包序号从0开始，记录所发数据的序号，达到上限后从0 开始循环，数据包长度用来表示整个帧长。

数据包内容如表2所示。值得注意的是：由于BDS报文传输容量的限制，部分传输内容建立了数据库并进行了编码，如故障位置、故障现象、维修器材和常用文本内容等，以编码代替文本内容传输，大大降低了通信传输的字段开销，以满足BDS系统的通信要求。

4 通信方案设计

4.1 方案设计思路

BDS系统进行长信息通信时可能存在数据丢包现象，为了保证长信息传输数据通信的可靠性，可以依据包头快速确定丢包的数据，通过反馈及时进行补发，直到所有的数据接收完毕为止。此外，还必须采取超时控制等措施，保证数据通信效率并降低频度占用率。这样设计的目的一方面是考虑到信息可能丢失的现实，另一方面又可避免陷入死循环，不致因为某一个环节出现了问题而使通信链接长时间无法进行。

4.2 发送端工作流程

一个完整的长报文发送过程包括长报文发送、查询响应信息分析和补包3部分[6]。查询响应信息是指发送端发送查询信息后接收端的回应信息。如果数据一次性发送成功，就不需要数据补包。长报文发送完毕后发出的查询命令的作用是通知接收端本次发送的数据包总数量，接收端根据报文总数量检查接收数据有无丢包，如果有丢包，则统计丢失的包号并反馈到发送端进行重新发送。补包结束后发送的查询命令的作用是通知接收端补包完毕，查询数据是否已经完整[7]。图6为数据发送端的工作流程。

对一些查询信息如果没有收到响应则等待一定时间后重新发送，但对重发次数进行限制(本协议中默认为2次，可以设置)。此外，如果1次补包不成功的话，可以进行第2次补包；超过2次仍不成功，则放弃补包，本次发送失败。

4.3 接收端工作流程

接收端接收到数据后先对数据包头进行分析。如果是长报文数据包，则将数据保存到数据缓冲区；如果是补包数据，则将数据补充到数据缓冲区；如果是查询命令，则根据命令检查有无数据丢包，如果有丢包，则通过命令查询响应信息反馈到发送端。同样，如果响应信息得不到发送端的回应，则重复发送；超过2次后停止发送，本次通信失败。图7为数据接收端的工作流程。

5 结束语

基于本文所设计的网络架构形式、通信协议和通信方案，以成熟定型的BDS指挥机及终端设备为基础，开发了BDS指挥端应用软件和终端应用软件，构建了BDS野外机动保障指挥网络，实现了野外机动保障指挥中的保障态势显控、保障指挥调控、保障力量调度、维修需求采集、保障技术支援等功能，达到了布置灵活、携行方便、无线组网、广域分级指挥的野外机动指挥要求，并在装备保障指挥实际训练中获得了良好的应用效果，为装备机关和保障部(分)队开展装备保障训练提供了掌控保障全局的指挥调控手段和信息交互渠道。

“北斗一代”用于通信，“北斗二代”用于定位。由于一代系统初衷用于定位，因此带宽较窄。稀疏重构理论是近年来的热点研究内容，能够利用较少的采样率最理想地还原出整条信息；因此下一步将研究通过稀疏重构来实现对图像信息或者长数据信息的处理，以满足机动保障系统更高的通信要求。

[1] 郑超波，褚建新，沈爱弟，等.一种用于船舶监控的卫星通信网络协议[J].舰船电子工程，2006，26(5)：81-83.

[2] 王昊，孙思远.浅析北斗卫星导航系统在军事领域的应用[J].通信导航与指挥自动化，2015，18(2)：70-71.

[3] 徐峰.空军部队整建制远程机动综合立体投送能力建设研究[J].军事交通学院学报，2014，16(3)：6-10.

[4] 康望东，覃远超，唐静.基于北斗系统的对空情报传送方式[J].指挥信息系统与技术，2012，3(6)：68-71.

[5] 何凯涛，李志忠，汪大明.基于遥感卫星和北斗卫星的野外地质调查服务与管理系统设计综述[J].地质力学学报，2012，18(3)：204-206.

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

[7] 王烟青，袁仕继，张英杰，等.北斗系统在远距离通信保障任务中的应用[J].四川兵工学报，2013，34(12)：8-10.

Mobility support methods of remote field based on BDS

CUIGuoheng，WANGYu，ZHAOJinchao，RENTao，LIJingshu

(University of Navy Engineering，Wuhan 430033，China)

Aiming at the problem of current equipment command that mobile commanding measures are absent，interactive shore-sea information is not in-time and overall support is difficult to control，the paper studied to establish the architectural form，communication protocols and communication scheme for the field mobility support command network based on the networking，positioning and communication ability of BeiDou system，in order to realize the functions of supporting posture display control，the security command control，power dispatch，maintenance requirements gathering，safeguard technical support，etc.by using the advantage of BDS that it is possible to develop the small size，portable and reliable supporting equipment because the signal covering range is wide，positioning and communication could be integrated，and it is with independent intellectual property rights and mature technology of BDS.The studied result could help support the command，control and information interaction of overall safeguard for the equipment support training provided by the governmental equipment groups(points).

BDS；equipment support command；mobility support；commanding network

2016-09-01

国家自然科学基金项目(41404002)；湖北省自然科学基金项目(2015CFC866)。

崔国恒(1981—)，男，湖北荆州人，博士，讲师，研究方向为卫星导航和软件测试。

李京书(1985—)，男，山东菏泽人，博士，讲师，研究方向为卫星导航和软件测试。

崔国恒，王宇，赵金超，等.利用BDS实现野外机动保障的方法[J].导航定位学报，2017，5(3)：57-61.(CUI Guoheng，WANG Yu，ZHAO Jinchao，et al.Mobility support methods of remote field based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(3)：57-61.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170312.

P228

A

2095-4999(2017)03-0057-05