摘要：作为中国自主知识产权的北斗卫星系统，不仅在军事应用领域具有重要意义，在民用领域也应用前景广阔。北斗卫星系统可广泛应用于车船定位、监控、调度、报警以及水文测报、管道监测、森林草原防火、气象监测、环保监测等各种行业。然而目前北斗系统在实际应用中也暴露出一些问题，最突出就是北斗系统用于远程设备监控的安全可靠性。本文以北斗卫星系统为基础，在现有北斗民用网管硬件平台的基础上，对北斗系统民用(特别是用于远程设备监控)时通讯可靠性进行理论分析，验证北斗卫星双向数据通讯的完整性、唯一性、实时性、经济性和方便性。
1.北斗卫星导航系统的结构
北斗卫星导航是我国自主研发的卫星导航系统，是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是：
(1)定位，快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。
(2)通讯，用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。
(3)授时，中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。
北斗卫星系统可以全天候时提供卫星导航信息，标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。
北斗卫星卫星导航系统结构如图1所示，在定位时，由用户终端向北斗卫星发出定位请求，北斗卫星地面中心站接收到定位请求后，解算出用户的坐标，通过北斗卫星发向用户终端。当用户终端需要向另一个用户终端发送消息时，首先用户终端将消息发向北斗卫星，北斗卫星地面中心站接收到消息后，再通过北斗卫星发向另一个用户终端。因此北斗卫星作为中继使用，北斗卫星地面中心站完成消息的转发和坐标解算以及其他处理功能。
图1 北斗卫星导航系统结构
2.北斗远程设备监控的通讯特点
目前阶段北斗卫星导航系统民用的大量应用是基于RDSS(Radio Determination Satellite Service，即无线测定卫星业务)的应用，是针对各种远程设备(如各种车辆、火车、油气井、水文监测设备、管线监控设备等)进行远程监控，这就要求北斗卫星导航系统的通信具有完整性、唯一性、实时性、可靠性、经济性。远程设备监控的通信特点和要求如下：
1)绝大多数数据是从远程设备发向监控中心对于远程设备监控系统，大量的数据是从远程设备发向监控中心，也就是说，大量数据是入站数据。北斗卫星的入站通讯的能力大于出站能力，因此远程设备监控适合北斗卫星通讯。少量数据是出站数据，由监控中心发向远程设备。
2)通讯量
根据远程设备的不同，其数据通讯量也不同，一般来讲，监控数据的通讯频度不高。例如大量的监控设备，平时只需要每天通讯几次，当发生故障报警时才要求立即通讯报警。按照北斗卫星系统的技术要求，每次通讯的字节数应小于220字节，北斗通讯的一次传输可以满足要求。
3)数据通讯主要是二进制数据
远程设备监控要传输的主要是二进制数据，一般不传输字符串数据。北斗通讯可以传输字符或二进制数据。
4)远程监控设备类型
远程监控设备与北斗终端相连，远程监控设备属于工业监控，主要设备是各种可编程控制器(PLC)、单片机系统等，较少采用PDA或PC个人计算机，本地通讯要求满足工业监控的通讯协议。
5)误码检查和确认重发机制
监控数据的通讯要求具有误码检查和确认重发机制。发送方能够确认通讯是否正确到达接收方，如果发生通讯丢失和误码，要进行重发。现有的北斗卫星通讯只有CRC误码检查机制，没有确认和重发机制。
6)整个通讯过程要可靠
监控数据的整个通讯都要保证可靠性。目前的北斗卫星导航系统RDSS通讯不能完全满足可靠性需要。
3.北斗可靠远程监控通信系统结构
为了满足北斗卫星导航系统民用可靠远程监控通信的需要， 2在北斗卫星导航系统结构的基础上，建设如图2所示的北斗卫星民用运营系统结构，并在国内多个行业开展了基于北斗系统的应用系统开发工作。
图 2 北斗卫星民用运营系统结构
图2是目前民用的北斗卫星民用运营系统结构，由北斗空间卫星、北斗卫星地面中心站、民用运营中心、用户终端、集团用户监控中心组成。
1)三颗北斗卫星
北斗卫星由3颗地球同步卫星组成，负责执行地面中心站与用户终端之间的双向无线电信号中继任务。每颗卫星的主要载荷是变频转发器，以及覆盖定位通信区域点的全球波束或区域波束天线。一般情况下，双星定位系统要保证系统正常工作至少需要两颗卫星，两颗卫星弧距要大于30度，在60度左右最好，第三颗卫星为备份星，一是为事故卫星做备份，二是太阳位于黄赤交点附近热噪声过大时,作替代精度过分降低的工作卫星。
2)北斗卫星地面中心站
地面中心站主要由无线电信号发射和接收，整个工作系统的监控和管理，数据存储、交换、传输和处理，时频和电源等各功能部件组成。地面中心站连续地产生和发射无线电测距信号，接受并快速捕获用户终端转发来的响应信号，完成全部用户定位数据的处理工作和通信数据的交换工作。一切计算和处理集中在地面中心站。
3)北斗民用运营中心
北斗民用运营中心作为北斗卫星导航系统地面中心站的延伸部分，负责民用用户的注册、管理和运营。北斗地面中心站把计算机得到的用户位置和经过交换的通信内容，通过北斗运营中心，实时转发给有关用户。
4)用户终端
用户终端能够接收地面中心站经卫星转发的测距信号，并向两颗卫星发射应答信号，此信号经卫星转发到中心站进行数据处理。根据执行的任务不同用户终端分为定位通信终端、卫星测轨终端、差分定位标准站终端、气压测高标准站终端、校时终端、集团用户管理站终端等。一般情况用户终端与外部设备相连，形成远程的设备监控系统。
5)集团用户监控中心
集团用户监控中心通过地面有线或无线通讯网与北斗民用运营中心，接收远程监控设备的信息，或者向远程监控设备发送信息。
图 3是利用北斗民用运营中心进行数据通讯过程的传输过程，这是一个双向数据传输的过程，北斗民用运营中心数据的可靠性由涉及的各个通讯阶段来保证，每个通讯阶段都要保证其可靠性。
图3 北斗民用运营数据通讯过程
(1)“外部设备”与“北斗用户终端”通讯。当“外部设备”需要传输数据时，将数据发送到“北斗用户终端”，在该阶段通讯中，需要保证终端与外部设备的通讯的完整性、唯一性、可靠性、实时性。
(2)“北斗用户终端”与“北斗民用运营中心”通讯。“北斗用户终端”通过L波段将数据发送到“北斗卫星”，“北斗卫星”完成L波段到C波段的转换，并用C波段将数据发送到“北斗卫星地面中心站”。该阶段的通讯由目前的北斗军用系统完成，只完成数据的转发和错误校验，目前的北斗军用系统没有确认机制和重发机制，也就是说，终端不知道要发送的数据是否到达北斗卫星地面中心站。
“北斗卫星地面中心站”接收到数据后，直接通过光纤将数据转发到“北斗民用运营中心”。该阶段的通讯需要保证“北斗用户终端”和“北斗民用运营中心”通讯的完整性、唯一性、可靠性、实时性。
(3)“北斗民用运营中心”与“集团用户监控中心”通讯。“北斗民用运营中心”接收到数据后，通过地面的有线或无线通讯网络传输到“集团用户监控中心”。在该阶段通讯中，需要“北斗民用运营中心”到“集团用户监控中心”保证通讯的完整性、可靠性、实时性、唯一性。
4.北斗可靠远程监控通信协议技术
为了充分利用北斗卫星导航系统的优势，完善北斗卫星导航系统的远程监控通信的可靠性，需要解决“北斗运营中心与终端的通讯协议”和“北斗运营中心和集团用户之间的通信协议”
4.1北斗运营中心与终端的通讯协议
为解决北斗运营中心和北斗终端之间的可靠通信，在
基于北斗卫星导航系统通信协议的基础上，主要增加以下内容：
1)消息增加序列号
原有的北斗协议没有消息序列号，要对通讯进行重发控制，每条消息必须有一个唯一的消息序列号，以便发送方和接收方识别不同的消息。对于入站消息，由“北斗终端”对要发送的消息进行编号，消息编号和终端的ID号组合起来形成唯一的消息序列号。对于出站消息，由“北斗民用运营中心”对每条消息增加序列号。消息增加序列号后占用了消息的有效通讯长度，北斗卫星的有效通讯长度为255个字节左右，消息序列号占用3个字节左右可满足需要。
2)增加入站消息的确认和重发机制
原有的北斗协议对入站消息采用CRC校验，地面中心站可以校验入站消息是否有误码，但是没有重发机制。新的民用协议入站消息的确认和重发机制如4所示。
当北斗用户终端发出入站消息后，等待北斗民用运营中心发出确认消息。如果北斗用户终端收到北斗民用运营中心发出确认消息，并且确认的消息序列号就是发出的消息序列号，终端认为发送成功。如果在一定时间内北斗用户终端没有收到北斗民用运营中心发出的确认消息，认为消息发送失败(消息可能丢失或者有误码)，北斗用户终端重发该消息，一直等待确认消息。
图4 可靠的入站消息的确认和重发机制
新的民用协议入站消息的确认和重发机制有以下问题需要进一步研究：
(1)确认消息增加了卫星通讯的负担，占用了出站传输通道。
(2)重发机制可能造成民用网管接收到多个同一条消息，增加了卫星通讯的负担。
(3)每发送一个消息需要等待确认，降低了用户终端发送消息的实时性。
3)出站消息的确认和重发机制
原有的北斗协议对出站消息采用CRC校验，北斗用户终端可以校验入站消息是否有误码，但是没有重发机制。新的民用协议出站消息的确认和重发机制如5所示。
当北斗民用运营中心发出出站消息后，等待北斗用户终端发出确认消息。如果北斗民用运营中心收到北斗用户终端发出确认消息，并且确认的消息序列号就是发出的消息序列号，北斗民用运营中心认为发送成功。如果在一定时间内北斗民用运营中心没有收到北斗用户终端发出的确认消息，认为消息发送失败(消息可能丢失或者有误码)，北斗民用运营中心重发该消息，一直等待确认消息。
可靠的协议出站消息的确认和重发机制有以下问题需要进一步研究：
(1)确认消息增加了卫星通讯的负担，占用了入站传输通道。
(2)重发机制可能造成北斗用户终端接收到多个同一条消息，增加了卫星通讯的负担。
4)终端响应波束变化的通知机制
每个北斗卫星有两个波束，3个北斗卫星共有6个波束。对于一台北斗用户终端同时只能锁定和接收一个波束的信息，该波束称为该终端的响应波束。地面中心站向终端发出出站消息时必须指定一个波束进行广播，如果地面中心站指定的波束不是一个北斗用户终端的响应波束，则终端无法接收到出站信息。由于终端基本上不受地面中心站的控制，终端可以随意改变响应波束，而地面中心站不可能实时获得每个终端的响应波束，只有当终端向地面中心站发出入站信号时，才告诉地面中心站该终端的当前响应波束。因此必须将终端当前的响应波束变换情况及时通知地面中心站，才能保证出站信号的正确接收。终端响应波束变化的通知机制需要研究以下问题：
(1)要优化终端响应波束变化的机制，终端尽量不要频繁更换响应波束。
(2)当终端响应波束变化后及时通知地面中心站，但是要减少通讯量。
(3)根据不同的应用情况(如终端固定通讯、终端移动通讯)设计不同的响应波变化和通知机制。
4.2民用网管与集团用户的通讯协议
北斗民用运营中心与集团用户的通讯是基于有线网络通讯的消息传递，因此可以采用现有的消息传输软件(如IBM的MQ软件)，并制定北斗民用运营中心与集团用户的应用通讯协议。北斗民用运营中心与集团用户的通讯协议可以采用以下通讯：
(1)地面数据通讯网，如DDN通讯、X.25通讯
(2)互联网，互联网以其廉价性和方便性成为地面通讯的首选。
(3)各种无线通讯，如卫星通讯、GPRS、CDMA1x等。
北斗民用运营中心与集团用户的通讯协议需要采用各种软件技术提高系统可靠性。在通信软件的设计中，要综合采用各种软件通讯技术，如采用面向对象的开发方法，并采用分层的设计模型，以减小模块间的耦合度，提高模块功能的聚合度，增强模块的独立性、重用性和易测试性。另外，通信软件的设计也运用了一些容错技术，如设计专门的异常处理层处理各种可能发生的异常等。通信软件的层次结构模型如6所示。
图 6 通信软件层次结构模型
北斗民用运营中心与集团用户之间的可靠通讯主要包括：
(1)网络通信层
通信软件使用消息中间件构筑集团用户与北斗民用运营中心之间的通信架构，消息中间件的主要功能是在不同的网络协议、不同的操作系统和不同的应用程序之间提供可靠的消息传送，并且保证数据既不会丢失又不会被复制。
(2)网管通信逻辑层
按照网管通信协议处理北斗民用运营中心与集团用户之间的上下行报文。该层报文分为四类主要报文：集团用户到终端的通信报文、终端到集团用户的通信报文、定位指令、集团用户向卫星地面站网管中心发送的查询报文。该层通过回执机制保证了双方通信的可靠性。
(3)业务逻辑层
该层处理集团用户和远程设备的应答报文等。
(4)数据接口层
数据接口层处理通信软件与调度中心数据库之间的数据查询与存储操作。为了降低通信软件与调度所业务应用软件、车载系统远程控制软件之间交换数据的复杂性，本系统采用调度中心数据库实现程序之间实时数据的相互交换。
(5)用户界面层
用户界面层响应用户的操作，如启动通信、终止通信，以及各种参数的设置功能，并显示必要的通信状态信息。
(6)异常处理层
通信软件使用一个独立的模块对程序可能发生的各种异常进行分类处理， 如对通信过程发生的异常在重试同一连接失败的情况下，可以启用备用通信链路;在数据库操作发生异常时，将重试操作，并通知用户检查数据库连接的正确性。通信软件将发生异常的详细信息写入日志文件，已备日后分析处理。
5.结论
本文在研究了北斗卫星导航系统的运营服务的基础上，提出了基于北斗民用运营中心，构建安全可靠的北斗远程设备监控的通信技术和方法。通过增加北斗运营中心与终端的通讯协议和北斗民用运营中心与集团用户直接的可靠通信协议，来实现安全可靠的北斗远程设备监控技术，通过这样的系统技术改造，扩大了北斗卫星导航系统的应用范围，提高了北斗卫星导航系统应用于远程设备监控和数据采集的可考性。
