一種用于提高北斗短報文通信成功率的基于數(shù)據(jù)特征提取的數(shù)據(jù)融合算法

王雁來,王 鈺,王傳霸

(1.北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100094； 2.北京華力智飛科技有限公司，北京 100094)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自主研發(fā)的能夠提供衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)的系統(tǒng)。RDSS定位系統(tǒng)通過擴頻調(diào)制，提供北斗短報文通訊。北斗短報文的載荷區(qū)保存用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)在各行各業(yè)包括應(yīng)急管理等特殊領(lǐng)域的導(dǎo)航和通信服務(wù)應(yīng)用。RDSS業(yè)務(wù)通過直接序列擴頻調(diào)制方式實現(xiàn)了鏈路的正常工作，從而完成終端的精確定位。但是，由于RDSS系統(tǒng)采用短突發(fā)方式發(fā)射入站信號，短報文通訊是瞬時發(fā)生的，因此短報文的通信成功率直接影響了RDSS系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)。提高北斗短報文的通信成功率直接決定了實際應(yīng)用系統(tǒng)的運營效果。

針對民航飛行器實現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的追蹤，通過在飛行器上安裝北斗機載終端，配合地面接收機進行基于RNSS的全球定位以及基于RDSS的北斗短報文數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)對飛行器的實時追蹤和飛行健康監(jiān)控以及數(shù)據(jù)管理。基于北斗的飛行器全球定位追蹤系統(tǒng)可以徹底擺脫ACARS飛行器監(jiān)控體系，并能夠借助北斗信號在ACARS盲區(qū)中的覆蓋，從而實現(xiàn)全方位的飛行器跟蹤和監(jiān)視。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

2017年在中國商飛公司在國產(chǎn)大飛機ARJ21-700上安裝了北斗導(dǎo)航機載設(shè)備，完成了相應(yīng)的試飛測試科目。這是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一次在運輸航空領(lǐng)域的測試應(yīng)用，同時也是國產(chǎn)民機第一次使用國產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)。

為了加快推廣國內(nèi)運輸類飛機的北斗追蹤設(shè)備應(yīng)用，中國民航局在2019年發(fā)布了《中國民航北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖》，明確了北斗系統(tǒng)在中國民航應(yīng)用的系統(tǒng)性實施路徑。隨著中國民航在北斗系統(tǒng)的應(yīng)用，北斗辦和中國民航總局都陸續(xù)出臺了相關(guān)規(guī)定和適航標準。

北斗機載終端通過北斗RNSS全球?qū)Ш较到y(tǒng)獲取飛機當(dāng)前的定位信息(經(jīng)度、緯度、高度、速度)，通過機載總線獲取飛機的航電基本數(shù)據(jù)，將內(nèi)容組合為北斗短報文通過RDSS系統(tǒng)發(fā)送到北斗地面指揮機。北斗地面指揮機收到飛機上的北斗機載終端下發(fā)的北斗短報文后，進行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)歸一化以及數(shù)據(jù)分析，完成飛行器的飛行追蹤、飛行器的健康管理以及數(shù)據(jù)管理。

系統(tǒng)實現(xiàn)原理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗RDSS通信架構(gòu)原理圖

根據(jù)圖1所示，北斗衛(wèi)星通過北斗地面站完成北斗短報文的分發(fā)，從而實現(xiàn)了北斗機載終端和北斗地面指揮機之間的通信鏈路，完成北斗短報文的傳輸通信。由于空空鏈路上的各種不確定情況，加上飛行器的高速飛行過程會加劇降低北斗短報文數(shù)據(jù)通信的成功率，因此針對飛行器的RDSS北斗數(shù)據(jù)追蹤需要有很多單獨的優(yōu)化或者處理，從而提高北斗地面指揮機的數(shù)據(jù)通信成功率。具體有信號增強以及數(shù)據(jù)融合等兩個方面。

1.1 抗干擾技術(shù)

由于環(huán)境復(fù)雜，飛機在飛行過程中的空中無線環(huán)境很容易受到各種干擾，包括多徑誤差、大氣層干擾以及地面信號干擾等，甚至在地面由于建筑物等遮擋導(dǎo)致信號衰減以及各種信號干擾等，從而導(dǎo)致北斗衛(wèi)星通信鏈路連續(xù)發(fā)送多條短報文后，報文全部被接收的幾率比較小，并且接收端不發(fā)送回執(zhí)信息，無法確定報文是否被成功接收。如果地面接收的信號質(zhì)量一旦被環(huán)境干擾，必然會進一步降低短報文的通信成功率。

根據(jù)歷屆國際無線電聯(lián)盟頻率分配會議對RDSS的頻段分配，將L頻段1610-1626.5 Mhz分配給地對空上行方向,S頻段2483.5-2 500 Mhz分配給空對地下行方向。但是目前常規(guī)無線Wifi的頻率頻段由IEEE 802.11 b/g/n定義，其工作頻率為2.4 GHz。由于該頻率和北斗短報文的下行頻率非常接近，所以Wifi信號的強烈?guī)怆s波也會干擾到北斗短報文下行的信號質(zhì)量，從而導(dǎo)致北斗短報文的通信成功率降低。

提高北斗短報文的通信成功率的解決方法主要有天線增強技術(shù)和接收信號的抗干擾技術(shù)等兩大類。其中，天線增強技術(shù)根據(jù)當(dāng)前天線所在空間環(huán)境的信號質(zhì)量，選用相匹配的天線類型并改變天線的安裝方式，從而避免信號干擾。在該理論的基礎(chǔ)上，通過增加多個天線實現(xiàn)聯(lián)合抑制信號干擾也是一種比較有效的技術(shù)創(chuàng)新，該方法由M.MAQSOOD等人于2010年提出。隨著技術(shù)的逐漸演進與發(fā)展，JEFF FROLIK于2015年提出了三極化天線分集技術(shù)，該防范能夠有效減輕多徑信道對信號的干擾。此外，提高北斗短報文的通信成功率的第二大類技術(shù)是接收信號的抗干擾技術(shù)。這類技術(shù)主要通過對信號的各種不同方式的濾波來提高信號質(zhì)量，從而提高數(shù)據(jù)通信成功率。最為經(jīng)典和傳統(tǒng)的算法當(dāng)屬基于卡爾曼濾波的動態(tài)濾波抗干擾算法。隨著對濾波研究的深入，自適應(yīng)濾波技術(shù)也有了很大的發(fā)展，其中包括基于自適應(yīng)統(tǒng)計貝葉斯MMSE信道估計的算法研究等。這類技術(shù)也極大的改善了北斗短報文的通信成功率。

盡管目前基于天線技術(shù)和抗干擾算法的技術(shù)研究都有了系統(tǒng)的發(fā)展，但是在實際應(yīng)用場景下，為了提高北斗短報文的通信成功率，除了需要采取抗干擾天線提高地面接收系統(tǒng)的雜波干擾能力，并盡量尋找空中信道質(zhì)量較好的地面環(huán)境之外，還可以利用多信道數(shù)據(jù)融合的方法進一步提高通信成功率。

1.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是對來自多源信息進行綜合處理,通過對不同來源的數(shù)據(jù)進行歸一化、篩選過濾以及合并處理后，得到更為準確、可靠的結(jié)論。信息融合技術(shù)主要通過對多個數(shù)據(jù)來源渠道的數(shù)據(jù)進行處理，通過對大量不同渠道獲得的同類型數(shù)據(jù)在不同維度進行有序組合，從而實現(xiàn)多源多維度的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和內(nèi)容互補，進而獲得更加豐富和細致的信息，為用戶提供更為有效的決策參考。

對于北斗短報文數(shù)據(jù)的融合，主要通過對不同渠道獲取的北斗短報文數(shù)據(jù)，按照時間域進行數(shù)據(jù)排序，并在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)特征提取。根據(jù)提取到的數(shù)據(jù)特征進行多源數(shù)據(jù)合并。

一般來說，數(shù)據(jù)融合主要包括：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合等3個層次。這三類數(shù)據(jù)融合是按照對數(shù)據(jù)的加工處理層次的不同而區(qū)分。第一類是數(shù)據(jù)級融合。這類融合不對原始數(shù)據(jù)進行加工和處理，直接進行關(guān)聯(lián)和融合。該融合可以最大程度保留原始數(shù)據(jù)的特征，并提供足夠的數(shù)據(jù)細節(jié)信息。第二類是特征級融合。這類融合需要先對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗以及數(shù)據(jù)特征提取，然后對所提取到的數(shù)據(jù)特征進行融合。該融合能夠快速尋找數(shù)據(jù)特征之間的關(guān)系，快速去除冗余無效數(shù)據(jù)信息，避免數(shù)據(jù)干擾。第三類是決策級融合，該融合需要在多源原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，直接進行決策和分析，并將多源數(shù)據(jù)的多種決策結(jié)果進行融合，從而獲得總體決策結(jié)果。

目前和數(shù)據(jù)融合相關(guān)的技術(shù)和算法有很多，包括最近鄰法則、最大似然法、最優(yōu)差別、統(tǒng)計關(guān)聯(lián)和聯(lián)合統(tǒng)計關(guān)聯(lián)等。這些算法都對原始多源數(shù)據(jù)進行了多次處理，并在數(shù)據(jù)處理過程中建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型。根據(jù)對原始數(shù)據(jù)處理方式的不同，這些系統(tǒng)模型主要分為功能型系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)型系統(tǒng)模型等兩大類。其中功能型系統(tǒng)模型根據(jù)數(shù)據(jù)處理順序進行構(gòu)建，主要有UK情報環(huán)、Boyd控制回路(OODA環(huán))等。數(shù)據(jù)型系統(tǒng)模型則根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理的不同階段分別進行構(gòu)建，最為著名模型是美國國防部數(shù)據(jù)融合聯(lián)合指揮實驗室所提出的JDL模型。隨著數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的逐漸深入以及在不同階段對數(shù)據(jù)的不同需求，逐漸出現(xiàn)了瀑布模型和Dasarathy模型。其中，Dasarathy模型包括了5個融合級別，其中第二級別的融合為特征選擇和特征提取，即數(shù)據(jù)和特征組合的融合。

特征選擇是從原始數(shù)據(jù)中選擇出可以代表數(shù)據(jù)的特征子集，把原始數(shù)據(jù)從高維空間轉(zhuǎn)換到低維空間中，并將原始特征合并成一些新的特征類型來進行表示。與特征提取相比，特征選擇保留了原始數(shù)據(jù)的物理意義，在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中往往會更加方便。特征選擇的方法是從原始特征數(shù)據(jù)集中選擇出子集，是一種包含的關(guān)系，沒有更改原始的特征空間。

2 北斗短報文兼收系統(tǒng)架構(gòu)

基于RDSS的北斗短報文通信除了常規(guī)的接收方式之外，還有兼收方式。由于每個北斗終端機都有唯一的ID號，并采用單獨的加密方式，短報文通訊經(jīng)過地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)。通訊的具體流程是：(1)短報文發(fā)送方將包含接收方ID號和通訊內(nèi)容的通訊申請報文加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；(2)地面中心站接收到通訊報文后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；(3)接收方接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成一次通訊。

指揮型北斗RDSS 單元能夠兼收下屬用戶的定位和短報文信息，實現(xiàn)用戶信息管理、通播、查詢、調(diào)閱和指揮調(diào)度等功能的RDSS 終端設(shè)備。不同的北斗終端之間建立上下級的從屬關(guān)系，上級用戶可向下屬用戶發(fā)布通播信息，并兼收下屬用戶的定位通信信息。

由于北斗地面指揮機可以設(shè)置多個北斗終端作為管理下屬，因此可以通過兼收方式實現(xiàn)所有歸屬的北斗終端的短報文通信內(nèi)容。系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖2所示。

圖2 北斗RDSS指揮機通信架構(gòu)圖

從圖2可以看到，系統(tǒng)設(shè)置兩級指揮機，分別為1級管理和2級管理。其中2級指揮機直接接收所有被管理的北斗機載終端。北斗機載終端的北斗短報文直接下發(fā)到2級指揮機。1級指揮機負責(zé)管理2級指揮機，并兼收2級指揮機和下屬北斗終端的短報文通信數(shù)據(jù)。在該通信架構(gòu)下，1級指揮機可以通過兼收功能獲取2級指揮機和下屬所有北斗終端之間的短報文通信數(shù)據(jù)。

圖3展示了北斗短報文兼收過程，通信鏈路上的序號表示數(shù)據(jù)發(fā)送順序，其中第4和第5為同時發(fā)生。

圖3 北斗RDSS兼收通信原理圖

3 基于數(shù)據(jù)特征提取的數(shù)據(jù)融合算法

基于Dasarathy模型，可以通過數(shù)據(jù)特征提取進行不同來源數(shù)據(jù)的融合。在北斗短報文數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)特征包括：源ID，目標ID，發(fā)送時間，飛機位置(經(jīng)緯度)和飛行速度等。由于北斗短報文的通信特點，每個終端每分鐘發(fā)送一次當(dāng)前北斗終端的經(jīng)緯度，并有數(shù)據(jù)發(fā)送絕對時間，所以可以根據(jù)北斗指揮機所收到的北斗短報文解析后的報文發(fā)送時間進行排序以及融合。

由于有數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)兼收兩類數(shù)據(jù)通道，因此數(shù)據(jù)融合算法通過使用上述的三類數(shù)據(jù)特征值進行數(shù)據(jù)對比，將缺失的數(shù)據(jù)進行并集操作，從而提高數(shù)據(jù)接收成功率。當(dāng)數(shù)據(jù)接收的通道有短報文丟失或者數(shù)據(jù)有缺失的情況下，使用兼收的短報文數(shù)據(jù)進行補足。

以上介紹的數(shù)據(jù)融合方法涉及到3個核心算法，包括不同源的數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)對齊以及數(shù)據(jù)融合處理。

數(shù)據(jù)對齊：首先數(shù)據(jù)特征中的源卡號SourceID以及發(fā)送時間Time進行數(shù)據(jù)對齊，確保多源數(shù)據(jù)的一致性，從而避免數(shù)據(jù)融合或者沖突處理的準確性。數(shù)據(jù)對齊的計算公式為：

(1)

根據(jù)公式(1)，只有當(dāng)數(shù)據(jù)源ID和發(fā)送時間都相同的才進行數(shù)據(jù)對齊，否則不需要對齊。

數(shù)據(jù)融合處理：對于多源數(shù)據(jù)如果沒有進行數(shù)據(jù)對齊，則說明多源數(shù)據(jù)互為補充，只需要針對源ID相同的數(shù)據(jù)按照發(fā)送時間排序合并即可。對于完成了數(shù)據(jù)對齊的數(shù)據(jù)，說明源卡號和發(fā)送時間完全一樣，需要做兩類融合處理：

對于數(shù)據(jù)特征值完全一樣的情況下，只選擇其中一個來源的數(shù)據(jù)，多源其余相同數(shù)據(jù)拋棄；對于數(shù)據(jù)特征值不完全一致的情況下，對比上一個發(fā)送時間的同源數(shù)據(jù)，選擇差值最小的數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)融合的公式如下：

(2)

公式(2)中

i

代表數(shù)據(jù)發(fā)送時間，通過數(shù)據(jù)融合獲得按照發(fā)送時間的北斗短報文數(shù)據(jù)序列。公式中

j

代表數(shù)據(jù)來源，針對不同來源的數(shù)據(jù)，選擇和上一包數(shù)據(jù)的特征值差值最小的數(shù)據(jù)作為融合后的數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的應(yīng)用場景中由于所有飛機北斗機載終端的短報文都將發(fā)送到2級北斗地面指揮機中，因此數(shù)據(jù)融合的算法將針對1級北斗地面指揮機和2級北斗地面指揮機采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)特征提取后進行融合。

具體算法流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合算法流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗步驟和方法

為了檢驗數(shù)據(jù)融合的效果，系統(tǒng)搭建真實使用場景，通過北斗地面指揮機接收飛機北斗機載終端發(fā)出的北斗短報文。本系統(tǒng)已經(jīng)對某航空公司的20架飛機進行位置追蹤和數(shù)據(jù)管理，日常運營過程中，所有的飛機均按照公司正常業(yè)務(wù)進行航班安排。

為了避免某些飛機固定航線的特定空間信號質(zhì)量干擾本算法，隨機選擇3架飛機的機載北斗終端進行數(shù)據(jù)測試。

首先，針對兩級北斗指揮機的數(shù)據(jù)接收架構(gòu)，單獨列出了數(shù)據(jù)兼收和數(shù)據(jù)接收兩個不同數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)接收情況，并按照飛機日常運營12小時的數(shù)據(jù)進行比較。

然后隨機挑選3個終端進行數(shù)據(jù)融合，并比較數(shù)據(jù)融合前后的短報文通信成功率,從而判定所提出的數(shù)據(jù)融合算法的效果。

4.2 實驗數(shù)據(jù)

按照上述的實驗步驟，選擇3個機載北斗終端進行數(shù)據(jù)接收成功率統(tǒng)計。從0點開始監(jiān)控到下午5點，分別統(tǒng)計接收缺失數(shù)據(jù)以及兼收缺失數(shù)據(jù)。由于時間跨度超過12小時，三架飛機的實際運營空中航線完全不同，因此可以排除由于具體空間信號特定干擾所引起的通信成功率。

對于3個終端的數(shù)據(jù)，按照時間順序顯示數(shù)據(jù)缺失情況，菱形為數(shù)據(jù)接收所缺失的數(shù)據(jù)，方形為數(shù)據(jù)兼收所缺失的數(shù)據(jù)，三角形為兩種數(shù)據(jù)源共同缺失的數(shù)據(jù)。

圖5是終端1的數(shù)據(jù)接收情況，圖6是終端2的數(shù)據(jù)接收情況，圖7是終端3的數(shù)據(jù)接收情況。

圖5 北斗短報文數(shù)據(jù)缺失分布圖(終端1)

圖6 北斗短報文數(shù)據(jù)缺失分布圖(終端2)

圖7 北斗短報文數(shù)據(jù)缺失分布圖(終端3)

由于隨機選取的三架飛機全天的飛行軌跡是不同的，因此3個北斗機載終端在17個小時的跨度下可以有效覆蓋不同空域情況下的數(shù)據(jù)發(fā)送情況。

從上述3個終端的不同來源的數(shù)據(jù)分布可以看到，接收方式和兼收方式缺失的短報文分布不同，如果采用數(shù)據(jù)特征提取的方式進行數(shù)據(jù)融合的話，可以有效提高數(shù)據(jù)通信成功率。

4.3 實驗數(shù)據(jù)分析

采用數(shù)據(jù)接收和兼收的數(shù)據(jù)融合后，通信成功率會大幅提高，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)融合效果比較圖

從測試結(jié)果來看，上圖顯示經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后，長時間的北斗短報文通信成功率能夠超過96%。這一測試結(jié)果不僅符合北斗通信協(xié)議標準要求的96%通信成功率，同時也滿足實際運營飛機的管理用戶對當(dāng)前運營飛機的位置追蹤和數(shù)據(jù)管理的使用要求。

5 結(jié)束語

由于北斗通信空間信號干擾，導(dǎo)致的北斗短報文長時間運行通信成功率下降的問題，提出了一種基于數(shù)據(jù)特征提取的數(shù)據(jù)融合算法，通過北斗地面指揮機的數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)兼收兩種短報文接收方式，進行基于源ID、目標ID、發(fā)送時間以及終端位置和速度等的數(shù)據(jù)特征比較和融合，從而有效提高了北斗短報文的通信成功率，能夠符合飛機追蹤的使用要求。

本算法需要搭建兩級北斗指揮機，在系統(tǒng)架構(gòu)上略顯復(fù)雜，未來可以基于抗干擾天線以及相關(guān)濾波算法進行深度數(shù)據(jù)融合，從而擺脫雙級北斗地面指揮機的系統(tǒng)架構(gòu)，簡化系統(tǒng)使用。