基于手机终端的北斗卫星通信交互系统研究

王思孝 胡适 刘扬扬

摘 要：目前的卫星通信系统作为一种能在移动网络无法覆盖区域的有效通信手段，已经成为必不可少的通信熊。特别是在移动网无法覆盖的人迹罕至地区，包括航海、航空以及野外工业施工等，在这些都没有移动网覆盖的区域，需要卫星通信作为有效补充手段。本项目计划开发配合北斗卫星通信系统数据回传的手机端北斗接收APP系统，可以配合布置在外的北斗模块使用，特别是没有适合各种没有配置外接显示屏的嵌入式卫星通信终端设备使用。

关键词：北斗卫星；通信；手机终端

我国土地辽阔，人口分布不均，在人烟稀少的地方，移动基站覆盖不到。卫星通信是不受地面基站的影响的，可以覆盖现有通信（ 有线通信、无线通信） 终端无法覆盖的区域，为人们的工作提供更为健全的服务。在我国政府大力推广北斗产业的背景下，服务系统越来越完善，随着军用民用市场的强大需求，北斗终端系统进入飞速发展阶段，北斗应用型用户终端机的需求将以几何级倍增。而在现如今的移动设备中，移动手机设备占据主流，并且其界面清晰，操作便捷，其系统操作适应了时代发展的趋势，所以，把北斗通信终端和手机终端系统相结合，更能发挥北斗产业的优势。从而在自然灾害发生，或者偏远地区地面基站无法使用的情况下，人们就可以通过北斗通信设备及时和外界取得联系。

1系统整体设计

1.1通信交互系统

本项目计划开发一款能兼容目前北斗卫星通信系统的通信收发系统，可以有多种收发形式，根据模块的支持情况可以实现一对多或多对一的通信收发，并能配合北斗终端模块设备的对收集到数据进行分门别类的处理。同时，支持该手机端APP系统可以根据接收的北斗信息，进行分模块设备的信息短报文发送功能。

1.1.1分指令模式发送

根据目前北斗指令的格式情况，可以兼容北斗通信的2.1和4.0指令的格式，2.1格式的指令是具备字符的格式，4.0格式的指令是16进制的ASCII码的形式。因为两种的形式不一样，所以在使用的时候，在用户选择的指令的工作模式下，进行相关格式指令发送。

通过封装北斗的指令形式，将常用的北斗相关指令封装到手机端的APP系统中，因为要支持两种指令格式，相当于作为两种的指令格式封装。

1.1.2 屏蔽具体指令的界面化操作方式

根据选择的指令模式，在发送指令时，同样的指令功能会根据不同的指令模式，选择具体的字符指令形式或者是16进制ASCII码指令形式进行指令发送。

开发的App系统具备指令的模式选择功能，可以根据具体使用的北斗模块（有的北斗模块只支持2.1指令格式，有的北斗模块只支持4.0指令格式，有的北斗模块即支持2.1指令格式也支持4.0指令格式）。

1.2技术路线

1.2.1 开发环境选择

本项目计划以Android系统为基础平台，开发环境选择谷歌的Android Studio软件开发工具，作为谷歌自家的Android软件开发系统，具备良好的开发支持，库函数众多，能方便的完成项目的开发。

手机端开发模式支持较好，因为本项目的开发需要通过良好的界面支持来屏蔽复杂的指令形式，包括发送指令形式以及接收的发送指令反馈的指令信息情况。这都需要通过Android的界面优势来提高用户的使用体验。

1.2.2 北斗指令的程序封装

通过标准的北斗指令方式，基本需要按照如下的步骤形式来形成北斗通信过程：

（1）读卡，获取北斗模块的信息，包括卡号、序列号、等级等信息。

（2）功率检测，检测当前的北斗信号强度，在信号强度允许的情况下进行通信。

（3）进行通信的模式选择，分三种：一是，单纯字符；二是，单纯汉字；三是，字符汉字混发。

（4）解读上面每一步返回的信息情况。

1.2.3 对每条发送指令的解读

在北斗通信的整个过程中，实际上不但是单纯的简单指令发送，而且每条发送的指令，都会对应反馈的发送指令信息。对每种功能发送的指令，都会对应反馈相关北斗模块反馈的信息情况。

通过对指令反馈信息的收取，可以了解指令执行的情况。比如，读卡失败，那么可以再次发送读卡指令，如果一直读卡失败，可以更换指令模式或是可能北斗模块自身问题导致，从而可以实时监控整个通信的过程。

1.3实现功能

1.3.1指令格式识别

本项目研制的APP系统，可实现控制放置在外的设备定位信息自动上传，以及实现发送方与接收方之间的双向数据传输；同时可以提高定位精度、指令格式适应性强，可實现北斗主控和北斗终端设备的通信和定位功能集成，并针对不同环境需求进行指令及传送数据格式调整，实现系统自适应性。

1.3.2模块节能控制

在环境复杂场景下，实际传输采集的格式数据多样，需要在节省带宽，重复利用信道资源的情况下，完成高效的通信。这就需要系统对通信模块进行精准控制，便于传输数据的低资源占用和高效传送，完成低功耗、绿色节能的通信传输。

1.3.3模式自切换

通过对实际北斗设备工作模式的识别，实时监控北斗传输数据情况及工作模式，针对民用北斗通信需要间隔的特性，采用精密控制北斗工作模式的方法来节省电能，在不发送或接收数据时，使模块进入低电量工作模式。

1.3.4多接口通信支持

一般的通信发送接收系统大都只支持一个接口的收发功能。本项目研发的APP系统，数据并发接收，但是受限于民用的北斗模块的发送限制，只能60s发送一次。但是系统考虑了北斗军用接收的强大发送功能，并研制了军用发送不受限制的发送方式。

2.系统实现

2.1北斗短波文传输

北斗系统手机通信网关由北斗终端侦听并接收北斗卫星发送给本终端的报文。然后，由北斗终端所连接的计算机进行短报文的解析，并得到短报文的有效信息。网关对有效信息的短报文数量（单条报文或多条报文）进行判断：若为单条报文信息，则直接解析报文并将其存入数据库：若为多条，则等待接收到所有短报文后再将其存入数据库。之后，对有效信息进行类别判断（文字信息或图片信息）。若为文字信息，网关选择将有效信息封装为手机短信，通过连接在串口上的短信通信设备将手机短信传入手机通信网络。若为图片信息，网关将生成文字提醒信息，将该提醒信息封装为手机短信，发送给用户，提醒用户有图片信息更新，请保持移动应用客户端处于连接（打开）状态；与此同时，网关主动检测与该用户是否连通，若连通，则从数据库中提取出该图片，并通过网络设备将其封装为计算机网络传输报文传入计算机网络。

北斗短报文点对点通信延迟为1～5s；短消息通信传输时延约0.5s，具有较快的信息传输速度，在传输紧急信息时能够快速到达。北斗卫星信息采用S/L波段传输与码分多址扩频技术，具有较强的抗干扰能力；且该系统信息传输阻塞率<10-3，数据误码率<10-5，可靠性高，对于采用短报文通信的用户系统采用一户一密，能够充分保证电网数据的保密性。此外北斗衛星系统覆盖范围大，可以到达其他通信方式不可满足的边远地区。

短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；然后地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。与定位功能相似，短报文通讯的传输时延约0.5秒，通讯的最高频度也是1秒1次。

指挥机端可通过串口获取发送至其的数据，并通过JAVA 等编码程序接收并处理数据，以实现各种应用。串口非同步传送，参数定义如下：（1）传输速率：19200bit/s（默认），可根据用户机具体情况设置其他速率；（2）1 bit 开始位；（3）8 bit 数据位；（4）1 bit 停止位；（5）无校验。

2.1硬件系统构成

2.2.1北斗终端射频信号处理模块

北斗终端射频信号解调接收模块主要负责接收北斗空间工作站发来的北斗射频信息，调理和解调输出。本模块主要是基于FDBD3111北斗RDSS射频基带模块及其应用电路组成，该模块集成了LNA低噪放、射频通道、PA功放和基带处理四个功能模块，可接收/发射北斗射频信号，输出基带信号，输出接口为通用串口接口。利用该模块即可将串口Rx输入的北斗指令信息调制发送出去，又可以将天线接收的北斗信号解调通过串口的Tx 输出。为便于该模块的测试，该模块还加入了基于MAX232芯片的串口电平转换电路，通过串口转USB线可连接PC机，使得通过PC机的串口调试助手初步测试模块电路。

2.2.2 蓝牙通信模块

蓝牙通信模块，该模块带有串口接口，直接接到FDBD3111 北斗RDSS 射频基带模块串口接口，主要负责将北斗基带信息转成蓝牙通信传输。该模块采用CSR公司生产的蓝牙芯片BC417为主控芯片，采用蓝牙V2.0协议标准，工作频率为2.4 GHz.该芯片带有串口、USB等接口，可直接将串口或是USB信息转成蓝牙信息发送出去，也能将蓝牙接收的信息转成串口或是USB输出[4]。通过AT指令，可将该蓝牙芯片设置成主机模式和从机模式，当芯片处于主机模式时，可直接与从机模式的芯片相连。当芯片处于从机模式时，则可与手机蓝牙、电脑蓝牙等带有蓝牙功能设备相连，但处于从机模式的芯片之间不能互联。

2.2.3北斗终端用户信息解析处理模块

北斗终端用户信息解析处理模块，主要负责发送特定的北斗指令和对应的北斗信息。该模块采用基于ARM Cortex-M3 的STM32F103RBT 嵌入式处理器作为主控芯片，该芯片最高可工作在72 MHz频率，工作电压为2.0～3.6 V，拥有GPIO、UART、ADC 等丰富的外设接口，具备优异的实时性能、杰出的功耗控制和良好外设性能等诸多优点，更重要的是ST公司提供了STM32系列处理器固件库函数，降低了该芯片开发难度，大大缩短了产品开发周期。

STM32F103RBT 芯片将用户按键外部中断选择发送的北斗指令，加上北斗通信的报文帧头信息，长度信息和校验信息等，通过蓝牙通信模块传输给FDBD3111北斗RDSS射频基带模块调制放大，最后输送到北斗天线上发送出去；同时，该芯片可读取并解析蓝牙通信模块接收的北斗用户信息，最后显示在TFT液晶屏上，液晶背景图片存储在SD Card中。

3.结论

本文针对国家推行的北斗卫星计划提出了一种基于手机终端的北斗卫星通信交互系统的研究思路与设想，主要进行了基于手机Android系统的研究与开发，并对其技术方案的可行性与有效性进行了论述，进而使得手机端APP系统可以根据接收的北斗信息，进行分模块设备的信息短报文发送功能。本文还就该通信系统进行了优化和创新，以实现节能，绿色及模式自变换等优点。手机端通过安卓平台显示收发信息，经验证本系统传输有效，并能通过北斗卫星实现报文收发功能，，将更方便用户使用，更可应用于各行业，为野外作业、抢险救灾等提供报文通信服务。

参考文献：

[1]沈华飞. 北斗卫星一代短报文通信技术及应用[J]. 信息工程，2014（ 23） ： 106.

[2]王家带，范晓佑. 中国北斗系统正式服务亚太地区化[J]. 地理教学，2013（04）：4-6.

[3]刘基余. 北斗卫星导航系统的现状与发展化[J]. 遥测遥控，2013（03）：1-8.

[4] 戴胜，曹菁菁，方芳. 一种基于北斗短报文的远程终端监控方法[J]. 数字通信世界. 2016（12）.

[5] 康瑞雪. 便携式卫星通信终端的低功耗设计[J]. 电子世界. 2018（09）.

[6] 谢永锋. 基于北斗导航的卫星通信终端的设计与实现[J]. 中小企业管理与科技（下旬刊）. 2012（05）.

[7]张晓兰.移动通信核心网优化研究[J].新技术新工艺，2015（12）：119-121.

[8]杨硕. 北斗系统手机通信网关与移动应用研究[D].大连海事大学，2015.

[9]承轶青，孙凌卿，傅启明. 北斗短报文通信技术在电力系统的应用[J]. 电子世界，2018（19）：170+172.

[10]姬文军，王腾. 基于WiFi多点接入的北斗安卓应用开发[J]. 无线电工程，2018，48（09）：748-751.

[11]雷思磊，贺文宝，李剑青，熊志坚，冯赟. 基于北斗短报文的卫星通信车快速组网方案设计[J]. 全球定位系统，2018，43（04）：53-58.

[12]胡曼青. 一种基于北斗的卫星通信系统[J]. 科技视界，2015（01）：148-150.

[13]陶兴安. 北斗卫星通信蓝牙终端设计[D].南京邮电大学，2017.

[14]龚振宇. 北斗远程通信的设计与实现[D].电子科技大学，2015.

[15]陆倓，裴腾达. 基于安卓平台的北斗卫星报文通信系统设计[J]. 信息技术，2017（03）：141-143+146.

[16]孙方霞. 基于北斗短报文通信的落水报警终端设计[J]. 广东轻工职业技术学院学报，2015，14（04）：12-15+28.

支持项目：

国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：201710453156.

泰山学院青年教师项目，项目编号：QN_01-201705.