基于北斗短报文通信的移动信息监控系统研究

● 文| 北京宇航系统工程研究所 王淑炜 汪文明 黄晨 易航

基于北斗短报文通信的移动信息监控系统研究

● 文| 北京宇航系统工程研究所 王淑炜 汪文明 黄晨 易航

摘 要：在工业自动化、交通运输、应急救灾等行业领域内，需要进行大量的信息监控工作。随着北斗卫星导航系统开放运行，基于北斗的定位、授时以及短报文通信方式得到了极大的推广和应用。本文针对工作环境差、测试工位分散等长时间、远距离、无人值守情况下的监控工作需求，对基于北斗短报文通信方式的移动信息监控系统进行研究，该系统在航空航海运输、地理地质勘探、危机救灾抢险以及高精度地理信息测绘、高精度相对测量、物联网应用等方面都有着巨大的应用需求和良好的应用前景。

关键词:北斗卫星导航系统 短报文 移动测量监控

一、引言

在工业自动化、交通运输、应急救灾等行业领域内，需要进行大量的信息监控工作。这些信息的测量和监控工作需要大量人员长时间监测设备运行状态，常常遇到工作环境差、测试工位分散等情况，而且会造成操作人员疲劳度较高，工作效率较低等问题。此外，仅仅依靠人员的长时间监测，容易引起人为因素的数据漏判，造成严重后果。

2012年12月，北斗卫星导航系统正式开放运行，开始为我国及周边区域全天候全天时提供高精度、高可靠定位、导航、授时及短报文通信服务。作为我国自主研制建设的卫星导航系统，北斗卫星导航系统是国家重大空间和信息化基础设施，是国家经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重要技术支撑和战略威慑基础资源，也是建设和谐社会、服务人民大众、提升生活质量的重要工具。

基于北斗短报文通信方式的移动信息监控系统，通过分布式传感器网络完成前方多处复杂环境下信息采集，由信息收发终端完成信息融合压缩和浅层挖掘，通过北斗系统发送至后方指挥中心或手持移动终端，完成信息可视化显示、深层挖掘与远程操控等功能，从而降低长时间、远距离、无人值守情况下的参数监测工作的成本，提高测量监控水平和效率。

二、系统功能及组成

基于北斗短报文通信方式的移动信息监控系统，通过分布式传感器网络完成前方多处复杂环境下信息采集，由信息收发终端完成信息融合压缩和浅层挖掘，通过北斗导航卫星发送至后方指挥中心或手持移动终端，完成信息可视化显示、深层挖掘与远程操控等功能系统由前方信息收集和后方信息应用两部分组成。前方信息收集部分由有线/无线传感器网络、信息收发终端组成；后方信息应用部分由指挥中心平台、手持接收终端以及后端监测平台构成，系统内各部分组成可依据实际需求进行定制增减。系统组成示意图如图1所示。

图1 系统组成图

基于北斗短报文通信方式的移动测量监控设备原本应用在运载火箭的靶场使用维护、长时间验证测试等应用场合，用于解决由于工作环境差、测试工位分散、连续工作时间长等情况，引起的研制铺设成本高、操作人员人身安全、长期监测数据漏判等一系列问题。在民用工业自动化、交通运输、应急救灾等行业领域内，同样需要进行大量的信息监控工作，特别是偏远临时地区应用，以解决长时间、远距离、无人值守情况下的参数监测工作。北斗移动测量监控设备相较于其他远距离通信设备，例如有线传输、GPRS/3G传输设备，具有传输距离无限制、支持地域范围广、信道稳定且可靠、使用保障高安全、通信内容高保密的一系列优点，同时应用也存在一定局限性：前方处理能力限制、传输频率限制、单次传输数据容量限制。系统应用示意图如图2所示。

图2 基于北斗短报文的移动信息监控系统应用示意图

为有效降低系统应用限制所带来的影响，该移动信息监控系统利用传感器网络构建技术适应环境测点的随机散布并自主配置，以有效降低北斗通信受应用环境周边布局遮挡等影响因素；利用分布式数据挖掘技术处理所采集的海量信息，以同时满足前方嵌入式信息收发终端处理器能力限制和北斗卫星短报文通信带宽能力限制；利用高可靠环境适应技术实现在各种复杂工作环境下完成贮存、工作、待机等实际需求。

三、关键技术设计及实现

1. 传感器网络

随着测量监控的范围和要求的提高，单一化的传感器信息获取方式已不能满足复杂环境和分散测点的环境需求。传感器网络，就是由部署在监测区域内的被随机或特定地部署的几十到上万个具有数据采集、通信和协同合作能力的传感器节点组成，可以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息。传感器能够测量环境中的温度、湿度、大气压力、振动状况等信息；通过开放频段无线通信方式，构建传感器网络，将传感器数据汇总发送到信息发送终端；也可通过CAN总线有线通信方式，构建传感器网络。这种集成化、微型化、智能化、系统化的信息获取方式，不仅可以降低成本、缩小体积，还便于随机布设和自主配置，可以很好的适应复杂环境下多测点的测量监控需求。

图3 传感器网络示意图

2. 信息收发终端设计及实现

信息收发终端对传感器网络采集的测量信息进行汇总和预处理，并将预处理后的传感器数据以自定义帧格式发送到指挥中心、手持移动终端或者后端监测平台。通过智能判断与预挖掘，有效压缩数据包络，缓解北斗通信数据收发压力。除此之外，信息收发终端还具有节能轮休、参数配置、无线通信、CAN总线通信、数据存储以及故障诊断功能。

信息收发终端包含电源供配单元、数据采集单元、控制电路单元、射频传输单元和数据存储单元五部分。电源供配单元为收发终端供电，并具体实现节能轮休功能。数据采集单元接收传感器网络汇聚的测点数据信息，并进行预处理和浅层挖掘。控制电路单元主要负责处理传输内容编解码、外围接口逻辑控制、数据预挖掘、休眠及唤醒控制、定时发送以及修改配置参数等功能。射频收发单元，即北斗收发电路单元，负责结果数据的前后端传递和交互。数据存储单元具备存储功能，将采集和收发数据保存在本机，供数据融合处理，并可随时查看与核对。

信息收发终端有正常工作和参数配置两种工作模式，通过手动开关来进行工作模式切换。支持远程参数修订与参数配置。

3. 分布式数据挖掘

随着传感器网络技术的实现及应用，远距离、长时间监控的测试数据成几何级数增长，大量的测试数据不仅给数据传输带来了巨大压力，也给数据存储及分析带来了一定的困难。数据挖掘可以从海量数据中，使用自动或半自动的方式把隐藏在数据中的有用信息发掘出来。数据挖掘分为离线挖掘和在线挖掘两大块，前者用于从海量的历史数据中准确的挖掘出某些知识或特征，例如包络域和关联参数；后者提供从较小的数据集中实时的进行比较简单的挖掘。

利用分布式的信息收发终端，对测量数据进行预挖掘，并把有效信息发送至后端指挥中心和监测平台，可以提高信息传输效率；在后端数据处理平台对北斗子节点传回的数据进行深度挖掘，有助于监测人员掌握监控物理量变化趋势，对未来发展有所预测，并对之前的异常情况做出判断和分析。

图4 北斗移动信息监控系统应用环境

四、市场应用前景

基于短报文通信方式的移动信息监控系统是典型的北斗通信技术应用产品，该系统可以满足军用和民用众多领域对于长时间、跨地域、无人值守的应用需求，拥有良好的应用前景。

在军工任务研制时，发射场射前值守、产品铁路或海路长途运输、长时间模拟考核验证等场合均需要对环境及设备参数进行监控分析，北斗移动信息监控系统具有降低研制成本、节约人力资源、确保信息安全等多方面优点，目前在役的长征二号火箭、长征三号火箭，以及在研的新一代运载火箭均对本产品提出了实际应用要求。目前该产品已在某单位高压气动实验室进行应用验证。传感器网络分布在增压输送实验室中的压力容器表面，进行温度、湿度以及压力的测试，并通过信息收发终端，将采集信息发往后方移动手持终端进行实时监控，现场应用安装情况如图4所示。该产品相关技术保护要点均以通过知识产权管理部门授理认可。

在民用工业领域中，该系统适用于信息交互和指令下达受通信基站有效覆盖范围限制的工况。可用于航空航海运输中飞机轮船、特殊物品搬运中的位置以及状态监控，地理地质勘探中关键位置点动态信息的远程观测，危急救灾抢险中的恶劣环境进行参数监测、伤病员位置状态标记、并协助救援人员对不易进入的灾区进行必要的信息采集工作。除此之外，在高精度地理信息测绘、高精度相对测量、物联网应用等方面都具有强烈应用需求和良好应用前景。

五、总结

基于北斗短报文通信方式的移动信息监控系统可以解决长时间、远距离、无人值守情况下的设备参数监测问题，短报文通信技术与多传感器数据融合、数据挖掘提取等技术的有机结合，推进空间信息技术创新，拓展了北斗卫星技术的应用领域。

北斗卫星导航系统相关技术不断创新转化，以及北斗卫星导航系统相关产品项目孵化工作的不断推进优化，提升专业技术实力、缩短研制周期成本，不断创造市场价值，实现技术实力转化、创新成果落地、并拓展市场渠道。

中国航天将坚定军民融合发展方向，做好顶层规划，实现北斗产业化的持续发展，通过统一的产品接口标准和应用规范，大力推进北斗导航系统的产品化工作，提高信息对抗能力。坚持自主可控，坚持军民融合，促进北斗工程产业协调发展。加快推进北斗应用，充分挖掘北斗的应用潜能，着力培养北斗应用人才，不断加快北斗产业化进程。

参考文献

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