基于天通、北斗雙模衛(wèi)星通信的應(yīng)急車載終端設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李聽聽　劉銘　陳劉偉

【摘要】? ? 我國幅員遼闊，災(zāi)害事故頻發(fā)，對應(yīng)急通訊技術(shù)有很高的要求。本文研制基于天通、北斗衛(wèi)星通信的應(yīng)急車載終端，提出北斗單次通信電文長度利用率可達(dá)到91.72%的多點(diǎn)傳輸協(xié)議，同時是詳細(xì)描述了硬件、軟件設(shè)計思路，擺脫了目前車載終端通訊過度依賴地面無線網(wǎng)絡(luò)的痛點(diǎn)。最后，該終端投入實(shí)際使用，取得良好的社會效益。

【關(guān)鍵詞】? ? 北斗? ? 天通? ? 應(yīng)急車載? ? 多點(diǎn)傳輸

Design and implementation of emergency vehicle terminal based on Tiantong and Beidou dual-mode satellite communication

Li Tingting， Liu Ming， Chen Liuwei

（The 7th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， GuangZhou 510310， China）

Abstract： my country has a vast territory， frequent disasters and accidents， and has high requirements for emergency communication technology. This article develops an emergency vehicle-mounted terminal based on Tiantong and Beidou satellite communications， and proposes a multipoint transmission protocol that can reach 91.72% of the length of Beidou’s single communication message. At the same time， it describes the hardware and software design ideas in detail， and gets rid of the current vehicle-mounted terminal communication. Pain points of over-reliance on terrestrial wireless networks. Finally， the terminal was put into actual use and achieved good social benefits.

Keywords： Beidou; Tiantong; Emergency vehicle; Multipoint transmission

引言：

我國土地遼闊、人口眾多，災(zāi)害事故多發(fā)。近年來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，綜合國力明顯增強(qiáng)，特大城市、中心城市發(fā)展速度明顯加快，影響公共安全的突發(fā)事件逐漸增多，致災(zāi)因素大量增加。特別中西部省份地理環(huán)境復(fù)雜，地域區(qū)域?yàn)?zāi)害特征比較明顯。應(yīng)急救援工作在當(dāng)前的發(fā)展形勢下顯得異常重要。

車輛監(jiān)控系統(tǒng)用來提高車輛的快捷性和安全性受到了廣泛應(yīng)用。目前，安裝在車輛上的車載終端通過GNSS技術(shù)獲取車輛的位置等信息，然后采用2G/3G/4G/5G等地面無線通信網(wǎng)絡(luò)將車輛的位置等信息發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上[1][2]。該類車載終端有一定的局限性，類似四川的汶川和雅安地震造成電力設(shè)備損壞，導(dǎo)致供電一度中斷，2G/3G/4G/5G等無線地面網(wǎng)絡(luò)癱瘓，該類車載終端在災(zāi)后就不能正常使用[3][4]。本文提出一種基于天通、北斗雙模衛(wèi)星通信的應(yīng)急車載終端，可以在不依賴無線地面網(wǎng)絡(luò)情況下，通過北斗衛(wèi)星通信RDSS的方式將車輛位置等信息發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器上，同時依賴天通衛(wèi)星通信保證終端通話、短信、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)功能[5][6]。

一、系統(tǒng)設(shè)計

基于天通、北斗的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、天通1號系統(tǒng)為支撐，對注冊車輛應(yīng)急執(zhí)勤作業(yè)提供全天候監(jiān)控管理[7]。其中，車載終端通過GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取車輛的位置等信息，然后通過北斗短報文將車輛實(shí)時信息回傳到監(jiān)控中心的北斗指揮機(jī)上;車載終端可以提供天通語音通話業(yè)務(wù)，同時還可以收發(fā)天通短信，保證在地面網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下，雙模衛(wèi)星依然能夠提供有效的通信服務(wù)。該系統(tǒng)為車輛監(jiān)管部門建立多層次指揮平臺，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)、指揮操作便捷、功能強(qiáng)大、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示：

二、終端設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

應(yīng)急車載終端是上述監(jiān)控系統(tǒng)的核心。終端硬件基帶處理器選擇基于ARM Cortex-M4內(nèi)核設(shè)計的STM32 MCU。該MCU具有多種不同類型接口、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和較低的待機(jī)功耗。終端集成多個功能模塊，其中包含天通1號衛(wèi)星通信模塊、北斗短報文模塊、GNSS定位模塊、MYP4100模塊、電源模塊等。北斗短報文模塊與MCU使用串口連接;天通衛(wèi)星模塊與MCU使用串口連接，MCU通過AT指令對天通衛(wèi)星模塊進(jìn)行一定的控制;是天通衛(wèi)星模塊的話音業(yè)務(wù)通過PCM音頻接口傳輸?shù)組YP4100模塊，MPY4100模塊最終通過RJ11連接到外部話機(jī)，為終端用戶提供衛(wèi)星電話業(yè)務(wù);MPY4100模塊與MCU使用串口連接，MCU可以通過AT指令對MPY4100模塊進(jìn)行控制操作;話機(jī)通過網(wǎng)口連接MCU，MCU能夠更快的將大量數(shù)據(jù)信息反饋到話機(jī)界面。

除去各個功能模塊，硬件設(shè)計還需要考慮的電源、電平轉(zhuǎn)換、存儲調(diào)試等問題。在當(dāng)前設(shè)計中，采用IIC接口的FM24L256為存儲器件。類比其他類型的EEPROM，F(xiàn)M24L256器件為鐵電存儲，具有存儲容量大、存儲速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)使用JTAG口為軟硬件調(diào)試接口。

硬件設(shè)計中終端各個功能模塊連接，如圖2所示。

2.2軟件設(shè)計

2.2.1 多點(diǎn)傳輸協(xié)議設(shè)計

北斗RDSS單元注冊的授權(quán)信息包含通信等級，不同的通信等級每次發(fā)送的最大電文長度不同，如下表所示。從表中可以看出通信等級越高，能夠發(fā)送的最大電文長度越長，但是最大電文長度最大不超過210個BCD碼[8][9]。

基于北斗RDSS上述通信特點(diǎn)，在有限時間內(nèi)傳輸更多的位置信息，就需要最大化電文長度利用率。本文設(shè)計終端采用通訊等級3，單次電文最大長度不超過157個BCD碼。下述根據(jù)終端要求，設(shè)計一種單次通信電文長度利用大于90%的多位置點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

如上表所示針對每個字段的簡要解釋如下：

1.標(biāo)識符

表明該協(xié)議的版本以及使用終端。

2.數(shù)量

上報的位置數(shù)量（n = 5）。

3.時間

時間表示為自 1970 年 1 月 1 日午夜 （00：00：00） 以來經(jīng)過的秒數(shù)。一般操作系統(tǒng)比如Linux、Windows等提供該秒數(shù)計算的庫函數(shù)。

4.經(jīng)度和緯度

表中經(jīng)度1、緯度1傳輸值是第一個點(diǎn)的經(jīng)緯和緯度放大1000000后的取值。

5.時間偏差值

時間偏差值等于時間2減去時間1。

6.緯度2偏差值和經(jīng)度2偏差值

緯度2偏差值等于緯度2減去緯度1;

經(jīng)度2偏差值等于經(jīng)度2減去經(jīng)度1。

7.速度

單位為公里/小時。

8.緯度半球

1為S，0為N。

9.經(jīng)度半球

1為W，0為E。

位置數(shù)據(jù)依照上述數(shù)據(jù)格式編碼后，再轉(zhuǎn)換16進(jìn)制格式的ASCII字符，這里計算電文傳輸所需要的BCD碼長度。標(biāo)識符長度為1byte，第一個點(diǎn)數(shù)據(jù)位本次傳輸?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)，從表格中可以計算得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)長度為19byte;在第一個點(diǎn)數(shù)據(jù)后面，每追加一個點(diǎn)的數(shù)據(jù)會增加字節(jié)數(shù)據(jù)長度12byte。這樣可以計算傳輸數(shù)量為n，傳輸字節(jié)總長度為N，則有如下公式

N = 1 + 19 + 13 * （n - 1）

當(dāng)n = 5時，N = 72（byte），這時在不使用任何壓縮編碼算法的情況下，轉(zhuǎn)化為電文長度144個BCD碼，小于表格1中通信等級為3時157個BCD碼?？梢杂嬎愠觯看蝹鬏旊娢拈L度利用率為91.72%，滿足終端設(shè)計要求。

2.2.2 應(yīng)用程序設(shè)計

在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。FreeRTOS是一個迷你的實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要[10]。應(yīng)急車載終端的MCU移植后FreeRTOS，應(yīng)用程序完成終端的功能。應(yīng)用程序軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求設(shè)計。首先，主線程啟動后，創(chuàng)建4個子線程來實(shí)現(xiàn)，4個子線程設(shè)計為非搶先方式，MCU按照時間片輪轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行線程切換。主線程檢測是否有按鍵按下，對按鍵值進(jìn)行處理，保證按鍵功能正常響應(yīng)，同時保證指示燈正常顯示工作狀態(tài)。主線程流程圖如圖3所示。

2.2.2.1 GNSS處理線程

GNSS處理線程需要對GNSS模塊進(jìn)行上電，選擇參與定位解算的衛(wèi)星模式[11]。本文選擇的模塊支持北斗、GPS、GLONASS三系統(tǒng)定位，可以任意組合定位。一般還需要對串口輸出語句格式設(shè)置，本文只保留RMC語句輸出。按照NEMA-0183協(xié)議進(jìn)行串口協(xié)議解析，最終得到終端的位置、速度、時間等信息。

2.2.2.2 北斗RDSS線程

北斗RDSS線程主要完成北斗RDSS模塊上電、自檢、終端信息上報等功能。其中終端位置以60s頻度上報后臺北斗指揮機(jī)，上報協(xié)議格式遵守3.3.1中設(shè)計的多點(diǎn)位置傳輸協(xié)議。上報位置點(diǎn)平均分布在60s時間內(nèi)，保證后臺接收的位置軌跡均勻、平滑分布。

2.2.2.3 天通業(yè)務(wù)線程

天通業(yè)務(wù)線程主要完成天通模塊的上電、入網(wǎng)、控制管理。由于車載終端在移動過程中，天通衛(wèi)星信號質(zhì)量會發(fā)生改變，該線程實(shí)現(xiàn)了對天通衛(wèi)星信號質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)控，并保證下發(fā)入網(wǎng)指令。天通通話業(yè)務(wù)處理流程：由話機(jī)發(fā)起撥號命令，該命令轉(zhuǎn)化為AT指令后，首先由MYP4100通過串口發(fā)送給MCU，MCU再將該命令解析、轉(zhuǎn)化發(fā)送給天通模塊，從而實(shí)現(xiàn)通話需求。天通短信業(yè)務(wù)處理流程：由話機(jī)通過網(wǎng)口將短信發(fā)送給MCU，MCU再進(jìn)行AT命令的轉(zhuǎn)換，最終控制天通模塊，完成短信的發(fā)送，并將收、發(fā)短信結(jié)果狀態(tài)上報。

2.2.2.4 MYP4100管理線程

MYP4100管理線程主要完成MYP4100模塊的上電、AT指令控制等。該線程主要配合天通業(yè)務(wù)線程完成天通通話業(yè)務(wù)。

三、結(jié)束語

本文針對當(dāng)前監(jiān)控終端過于依賴地面無線網(wǎng)絡(luò)的痛點(diǎn)，提出基于天通、北斗雙模衛(wèi)星通信的應(yīng)急車載終端，詳細(xì)描述該終端的硬件、軟件設(shè)計方法。目前，該終端在四川省某消防應(yīng)急管理部門投入使用，并取得良好的用戶口碑。下圖為終端樣機(jī)照片，該終端系統(tǒng)未來能夠填補(bǔ)市場空缺，為應(yīng)急救援提供更加可靠的通訊方式。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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作者簡介：

李聽聽（1989-），男，漢族，河南沈丘人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信、移動通信。

劉銘（1987-），男，漢族，陜西藍(lán)田人，工程師，博士，研究方向?yàn)闊o線通信、信號處理。

陳劉偉（1990-），男，漢族，安徽安慶人，工程師，碩士，研究方向?yàn)闊o線通信、衛(wèi)星通信。