北斗定位导航技术在卫星通信网络管理中的应用研究

曹菁菁，方 芳，戴 胜

（南京莱斯信息技术股份有限公司，南京 210014）

北斗定位导航技术在卫星通信网络管理中的应用研究

曹菁菁，方 芳，戴 胜

（南京莱斯信息技术股份有限公司，南京 210014）

北斗卫星定位导航系统具有授时、导航、卫星通信服务功能，本文研究利用北斗系统扩展宽带卫星通信网络的管理要素，建立了网络离线式管理机制，为健全体系化的卫星通信网络管理提供了手段和方法。

北斗导航；卫星通信；网络管理

1 引言

卫星通信的开放式信道非常脆弱，极易受到外界干扰和欺骗从而导致通信中断。目前的抗干扰技术和手段主要应用于军事对抗和固定业务网络，大部分民用卫星通信网不具备可靠的抗扰和自愈技术，一旦受到信道干扰远端站点即刻失联，整体网络健壮性不足。本文研究利用北斗定位导航系统的定位、授时及短报文通信等功能，扩展宽带卫星通信网络的管理要素，讨论建立卫星网络离线式管理机制，从而构建一套体系健全的新型卫星通信网络管理系统。

2 卫星通信网络管理

2.1 概述

卫星通信网络管理是通过规划、配置、监视、分析、扩充和控制卫星通信系统来保证通信服务的有效实现。

卫星通信网络管理系统控制所在的卫星通信网使其具有最高的通信效率和生产力。网管系统的重点任务即：采集网中各站点设备及系统的通信参数、运行状态信息；处理采集到的各类信息数据，并以可视化的、友好的人机界面呈现给网络管理人员；接收网管人员的指令或根据上述信息处理结果向网管代理或直接向通信设备发出控制指令，执行网络控制功能，同时监视指令执行结果；保障管理范围内的系统和设备按照要求运行。

2.2 卫星通信网络管理功能域

根据ISO定义的内容，一般网络管理的五个基本功能FCAPS[1]：故障（Fault）管理、配置（Configuration）管理、计费（Account）管理、性能（Performance）管理、安全（Security）管理。

2.2.1 故障管理

故障管理是对卫星网内出现的通信问题或故障进行定位的过程，包含三个步骤：发现问题；分离问题，找出故障原因；如有可能修复问题。故障管理的最主要作用是：通过提供网管人员快速检查问题并启动恢复过程的工具，使得网络可靠性得到增强。

2.2.2 配置管理

配置管理功能允许网管人员对网络组件以及OSI模型的各层实体进行配置和控制。在卫星通信网络管理中，网管人员通过对通信参数的适当配置，减轻网内数据拥塞、远程遥弊故障/非法站点或满足其他业务通信需求。配置管理的实现包括：采集和传送网内通信资源占用状态、各站本地发生的或因不可预计事件引发的变化，通过标准化的协议告知管理工具，设置并修改与网络组件和OSI各层软件有关的参数，启动和关闭管理对象等。

2.2.3 计费管理

计费管理实现网络的有偿使用和维护建设。包括：通信时间报告及用户账单，允许对被管资源的使用设置计费限制，可实现各种费用的综合。计费管理还有一附带作用——增加网络管理人员对用户使用资源情况的掌握，有助于创建一个更具实用性和生产力的通信网络。

2.2.4 性能管理

性能管理的目的是保证在使用最少通信资源和具有最小的传输时延的前提下，网络仍能提供连续、可靠的通信，并使信道资源利用率达到最优值。性能管理的具体内容包括：从被管对象收集与网络性能有关的数据，分析和统计历史数据；建立性能分析模型；预测网络性能的长期趋势，并根据分析预测结果对网络拓扑和通信配置进行调整，逐步达到最优。

2.2.5 安全管理

安全管理是控制卫星通信网中的站点通信过程和数据访问过程。包括：授权访问控制、加密及密钥管理、身份认证、安全日志记录等。

2.3 管理模型

一般典型的网络管理系统主要包括管理者、被管理者（网管代理）、管理信息库和管理协议4大要素，而在大部分卫星通信网中也沿用了这一模型，如图1所示。

管理者完成相应的管理工作，通常为一台运行网络管理系统（管理进程）的普通服务器或计算机，通常称为网管服务器或网管工作站。管理者可自动或按定义的频率轮询被管设备相关参数信息，或向其发送管理指令以达到监控目的。

被管理者可为通信相关的任何设备或网管代理设备，响应数据采集轮询并执行管理操作指令，并可根据预设变量阈值在被管理者出现故障问题时产生陷阱（trap），向管理者发出告警。

网络中每个被管理对象均有一个或多个变量参数来描述其状态，这些变量存放在管理信息库MIB（Management Information Base）的数据结构中。

管理协议定义数据记录格式，并通过约定的通信标准实现各个对象间的通信。

图1 网络管理基本模型

综上，卫星通信网络管理应按基本模型建立并具备以上五项基本功能。但在一般卫星通信网中，对网内站点的管理控制命令传输是基于自身卫星通信链路建立的IP数据通信。一旦卫星空间链路遭到干扰或设备故障造成通信中断，此时与远端站点又无备份联络手段，远程站点即形成脱网状态，只能被动等待通信恢复或人工前往现场修复系统。由此看来，通用型的卫星通信网络管理体系中并不具备健全的管理控制功能。

3 北斗定位导航系统

我国自主研制的北斗卫星导航定位一代系统（简称北斗-1）自2004年开始向民用用户提供服务，系统由空间卫星、地面控制中心与标校站、用户终端设备三大部分组成，结构如图2所示。

图2 北斗定位导航系统示意图

定位、时间同步和通信是北斗-1的三项主要服务。北斗-1公布的通信能力为120个汉字以内的加密短信息通信能力。通常应用为将北斗-1或其他方式获取的位置数据，附以相关信息属性后，发送到指挥信息平台或控制中心，实现相应管理。本文将就以上三大功能讨论北斗系统在卫星通信网络管理中的具体应用。

4 扩展管理要素应用

一般卫星通信网络管理的管理对象即为卫星信道传输设备，即卫星通信调制解调器，设备管理与控制也必须依赖已建立的卫星通信链路。网管系统对于移动式的车载卫星通信站或可搬移卫星便携站的管控接入点，在系统整体运行阶段十分滞后，如图3所示。

管理者必须等待天线开设、天线对星、微调校准、功率放大器发射开启、射频链路建立、IP层互通的整个通信过程建立完毕，方可将该站点纳入统一管理。卫星网管中心对远端移动站点或未建立IP数据通信的站点存在大段管理空白时间，系统及设备状态信息、管理数据缺失严重。

图3 管理时间轴示意图

为应对这一管理漏洞，利用已在各大指挥信息系统中部署的北斗定位导航系统作为补充手段，扩展管理要素，增加备份管理信道，提高卫星通信网络管理可靠性。

4.1 定位信息

北斗系统基于二球交会原理进行定位，即以2颗卫星的已知位置坐标为圆心，各以测定的本星至用户机的距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。地面控制中心存储的电子高程地图库（DEM）提供一个以地心为球心，以球心至用户机的距离为半径的球面。求解圆弧线与该球面的交点，并根据用户在赤道平面北侧的实际情况，即可获得用户的二维位置坐标[2]。另外，用户也可通过气压测量等方法提供高程信息。

图4 定位方法

图4显示了北斗-1系统定位的方法的几何概念。用简单数学模型表示，其观测方程为

式中、，N为卯酉圈曲率半径；为椭球高；是用户在直角坐标系下的坐标；为用户位置的维度。

目前，在大部分国内卫星通信系统中，天线对星过程依赖的位置信息来源为GPS系统。该系统是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统，虽为免费系统，但定位服务及信息来源不受控。而通过我国自行研制的北斗导航定位系统直接获取站点当前二维位置坐标和高程值，同样能够替代GPS或其他定位系统在宽带卫星通信中的功能作用，并且自主可控的定位服务提高了系统和网络整体运行的可靠性。

4.1.1 计算天线方位、俯仰和极化角

一般的宽带卫星通信使用的卫星资源大多为对地静止卫星，即静止轨道上的卫星在地球上看是静止的。因此，处于该卫星覆盖区域的站点只需将天线对准卫星即可通信。根据站点所配备的北斗定位导航系统给出的本站经度、纬度和所用卫星经度即可预估当前天线方位角A、仰角E和极化角ξ。

4.1.1.1 方位角的定义和计算

如图5所示，方位角A定义为当地水平面TMP和平面TSO的交线（即 线）与真北线TN的交角。平面TSO是通过地球站、卫星和地心的平面。

图5 卫星与地球站的几何关系示意图

如假定地球是一理想圆球，半径，则有

按照地球站与星下点相对位置的不同，方位角A应当应用下列方式计算：

北半球地球站：卫星在南偏东，卫星在南偏西，

南半球地球站：卫星在北偏东，；卫星在北偏西，

实际调整方位角时，还需考虑罗盘所测得当地磁偏角修正问题。

4.1.1.2 仰角的定义和计算

仰角E定义为TP线与地球站—卫星连线TS之间的交角，有

式中，r是静止卫星轨道半径，等于42164.2km；Re等于6378.155km。

4.1.1.3 极化角的定义和计算

极化角是讨论卫星上所发线性极化波方向与地球站接收天线的线性极化波方向是否重合的问题。经数学推算，极化角计算方式如下：

若卫星在地球站南偏东，极化角顺时针旋转；若卫星在地球站南偏西，极化角逆时针旋转。

综上，卫星通信网络管理系统可通过北斗定位导航系统获取所有网内远端站点的当前位置信息，并根据公式（3）（4）（5）（6）计算得出各站点目前天线系统的方位角、仰角和极化角，结合已掌握的地理环境信息情报，有效指导各个站点开设时系统布放位置，避开卫星天线指向路径上的遮挡物，实现故障预先处理和高效的配置管理。

4.1.2 计算RTT值

RTT值，Round-Trip Time，即往返时延。在卫星通信中，电磁波以光速约300000km/s的速度传播，但由于空间距离远远大于一般地面通信线路，地球站到卫星的最大往返时延如进行双向通信，则往返时延还需加倍，最大双向往返时延约为0.54s。这样的延迟对时分多址系统或话音通信等实时业务为主的卫星通信网影响十分明显。因此大部分此类卫星通信网络管理均需校对每个站点的通信RTT值，并不断采取某些补偿手段予以校正，确保全网时间同步。

同样，管理者可根据从北斗系统获取的当前站点位置信息，计算站点通信传输时延，直接在网络预先配置过程中完成RTT值预置，确保各个站点按照指定的通信计划准确执行。

4.2 授时信息

北斗系统具有单向和双向2种授时功能，根据不同的精度要求，定时传送最新授时信息给用户端，供用户完成与北斗卫星导航定位系统之间时间差的修正。

在卫星通信网络管理中，可直接将北斗系统的授时信息赋予被管理设备和管理软件工具，统一全网工作时间，便于完成预设网络重启时间或通信配置升级约定等配置管理工作；同时，在全网计费管理方面，统一的时间基准也利于使用者和管理者的通信记录保持一致，避免时间混淆计费不明。

4.3 短报文通信

在链路中断、IP数据无法连通的情况下，卫星网络管理可利用北斗短报文功能传输简短指令代码，远端网管代理设备将按代码约定动作指挥远程设备完成相应操作，如重新启动或启用某一通信预案，修复因链路干扰而中断的通信，提高系统故障处置率。对照表表1所示。

表1 代码与管理控制动作对照表

5 结束语

通过结合北斗定位导航系统的主要功能，在卫星通信网络管理中引入了空间信息、时间信息等多维管理数据，丰富了管理的外延，提高故障处理及时率。目前国内外各类软件开发平台和开发工具技术成熟先进，北斗设备和信息交互等关键技术具备，功能实现手段齐全，以上研究的管理要素可应用于各类体制的卫星通信网络管理系统，补充管理空白，提升网络管理效率。

[1] 杨家海，任宪坤，王沛瑜．网络管理原理与实现技术[M]． 北京：清华大学出版社，2000

[2] 唐金元，于潞，王思臣． 北斗卫星导航定位系统应用现状分析[J]．全球定位系统， 2008, 33(2):26-30

Research on the Application of BDS in the Management of Satellite Communication Network

Cao Jingjing, Fang Fang, Dai Sheng
(Nanjing LES Information Technology Co., Ltd., Nanjing, 210014)

The BeiDou Navigation Satellite System, BDS has the functions of time service, navigation and short message communication. In this paper, the BDS is used to expand the management elements of the broadband satellite communication network and to establish the off-line management mechanism. It provides a means and method for the systematized management of the satellite communication network.

BDS; Satellite Communication; Network Management

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.12.002

TN96文献标示码：A

1672-7274（2017）12-0006-05

曹菁菁，女，1984年生，工程师，研究方向为卫星通信系统原理和网络设计等。

方 芳，女，1964年生，高级工程师，研究方向为卫星通信网络管理和信息系统总体设计等。

戴 胜，男，1983年生，工程师，研究方向为信息系统架构设计和软件平台开发等。