宋 巖 劉利民

(軍械工程學院 石家莊 050003)

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北斗系統(tǒng)在警戒雷達中的應(yīng)用研究*

宋 巖 劉利民

(軍械工程學院 石家莊 050003)

目前警戒雷達數(shù)據(jù)傳送主要依靠電臺進行傳輸。在未來的作戰(zhàn)環(huán)境中,空中必然伴隨著多頻段、高強度的電磁干擾。為了確保數(shù)據(jù)能及時有效地傳輸出去,就必須要尋找一種可靠穩(wěn)定的傳輸手段作為應(yīng)急備用。隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步完善和發(fā)展,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的功能和能力不斷加強。在第二代北斗系統(tǒng)中,已經(jīng)實現(xiàn)了短報文功能,因此可以充分利用這一功能進行應(yīng)急情報傳送以及雷達組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路的建立。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng); 應(yīng)急情報傳送; 短報文

Class Number TN957

1 引言

在未來戰(zhàn)場中,隨著大量高科技裝備的運用,戰(zhàn)場局勢將會越來越瞬息萬變。對于未來敵方情報的掌控,就愈發(fā)顯得重要。其中,警戒雷達作為第一道防線,其重要性不言而喻。與此同時,警戒雷達必將面臨多頻段高強度的電磁干擾。在現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭中,指揮機構(gòu)要掌握準確及時可靠的戰(zhàn)場情報,并進行快速有效地通信指揮。警戒雷達作為戰(zhàn)場中的“千里眼”,其信息必須及時有效地傳達到位。

警戒雷達一般采用短波通信方式,該方式受天氣影響較大而且容易受到干擾。雖然雷達站可以采用光線有線通信方式,但對于機動雷達站,除非預(yù)先鋪設(shè)好有線通信光纜,否則無法立即開通使用。這就需要一種能隨時隨地可靠穩(wěn)定傳遞情報的手段。不僅如此,固定通信臺站以及有線通信網(wǎng)絡(luò)一旦遭受破壞,修復(fù)時間較長,在戰(zhàn)場條件下尤其顯得困難[2],這就需要一種在應(yīng)急情況下的情報傳遞備用手段。

隨著我國北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的逐步建立和不斷完善,尤其是北斗二代實現(xiàn)了短報文通信功能,警戒雷達完全可以利用北斗二代進行預(yù)警情報的傳遞。如果有戰(zhàn)事發(fā)生,戰(zhàn)區(qū)當?shù)氐木用褚残枰皶r有效的預(yù)警信息,警戒雷達的獲取的情報可以通過衛(wèi)星直接傳遞給持有北斗終端的群眾,從而讓群眾有足夠的時間進行隱蔽,切實保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

2 北斗系統(tǒng)工作原理和功能

2.1 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)又稱北斗一號,是中國的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng),2000年發(fā)射了兩顆衛(wèi)星后便能夠工作,2003年又發(fā)射了一顆備用衛(wèi)星,試驗系統(tǒng)組建完成。在衛(wèi)星的壽命到期后,系統(tǒng)停止工作。

正式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也被稱為北斗二號,是中國的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),英文簡稱BDS。計劃中,整個系統(tǒng)將由35顆衛(wèi)星組成,其中5顆是靜止軌道衛(wèi)星,以與使用靜止軌道衛(wèi)星的北斗試驗系統(tǒng)兼容。與美國的GPS相比,北斗二號還能完成短報文通信功能[1],因而具有極重要的戰(zhàn)略意義。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航由空間段,地面段,用戶段組成?？臻g段由35顆衛(wèi)星組成,包括5顆靜止軌道衛(wèi)星,27顆中地球軌道衛(wèi)星,3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。系統(tǒng)的地面段由主控站,注入站,監(jiān)測站組成。用戶段即用戶的終端,既可以是專用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號接收機,也可以是同時兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機[8]。

2.2 功能

北斗系統(tǒng)是首個集定位、授時和報文通信為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),比美國的GPS何而羅斯的GLONASS多了一項短報文功能,從而是北斗二號在軍用和民用兩方面有著巨大的潛力。該系統(tǒng)的基本功能有:

· 快速定位:快速定位用戶地理位置,為用戶提供導(dǎo)航信息;

· 精確授時:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向兩種授時功能,利用定時用戶終端,完成與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)見時間和頻率同步;

· 短報文通信:北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)短報文通信功能具有用戶與用戶,用戶與地面控制中心間雙向的數(shù)字報文通信能力。短報文不僅可以點對點雙向通信,而且其提供的指揮終端機可進行一點對多點的信息傳輸,為各種平臺應(yīng)用提供了極大便利。

2.3 短報文通信特點

北斗系統(tǒng)短報文通信具有以下特點[3]:

· 響應(yīng)速度快:點對點通信延遲為1s～5s,短消息通信延遲約為0.5s。

· 抗干擾能力去昂:衛(wèi)星傳輸采用S/L波段,雨衰影響小,采用碼分多址(CDMA)擴頻技術(shù),減少了碼間干擾。

· 可靠性高:系統(tǒng)阻塞率<10-3,數(shù)據(jù)誤碼率<10-5.

· 用戶終端采用一戶一密,有著較強的保密性。

· 覆蓋范圍廣:北斗一號系只能覆蓋我國全境和周邊地區(qū),北斗二號系統(tǒng)則可以實現(xiàn)全球通信和定位。

2.4 用戶終端機分類

北斗系統(tǒng)用戶終端機按使用功能分為:

· 普通型:可完成系統(tǒng)提供的定位,通信和導(dǎo)航等基本功能。

· 定時型:可完成單向授時和雙向定時功能,還可完成系統(tǒng)提供的定位,通信和導(dǎo)航等基本功能。

· 數(shù)傳型:通過外界傳感器等設(shè)備,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息等傳輸。

· 指揮型:除可完成系統(tǒng)提供的定位,通信和導(dǎo)航等基本功能外,還可完成監(jiān)收和通播等指揮通信功能。

· 救生型:可完成飛行員跳傘后位置報告和常用短語報告功能。

3 警戒雷達數(shù)據(jù)傳輸中面臨的問題

3.1 警戒面臨著電磁干擾日趨復(fù)雜的電磁場環(huán)境

警戒雷達作為戰(zhàn)場上第一道防線,擔負著非常重要的警戒預(yù)警作用,所爭取到的時間可以使作戰(zhàn)單位快速進入戰(zhàn)備,從而在面臨敵人突襲時減少避免損失并且快速反擊敵人[7],給敵人以沉重打擊,重要性不言而喻。因此,警戒雷達也成為了敵人首先要攻擊的目標。最常見的就是電磁干擾,一般情況下雷達通過電纜或電臺向預(yù)警指揮系統(tǒng)傳遞信息,而破壞和干擾使得預(yù)警雷達的信號傳輸面臨嚴重的挑戰(zhàn)。就算探測到了目標,信息無法傳遞出去,警戒雷達也就失去了應(yīng)有的作用。

3.2 警戒雷達地理位置偏遠

警戒雷達,顧名思義起到警戒作用,一般都是在邊境線上,地理位置一般較為偏遠,大型的警戒雷達站可以采用電纜傳輸,但是成本較高。一些小型雷達,或者一些起到彌補低空掃盲作用的傳感器也采用電纜顯然成本太高。而采用電臺,由于距離較遠,很容易受到干擾[5]。

4 北斗在警戒雷達中的運用

4.1 利用北斗系統(tǒng)短報文傳送對空警戒情報

1) 對空警戒情報傳遞手段

空情預(yù)警是現(xiàn)代復(fù)雜電磁環(huán)境下立體作戰(zhàn)的首要問題?，F(xiàn)有雷達站采用以下三種方式進行對空警戒情報傳送:短波無線數(shù)據(jù)通信;基于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(IS-DN)的調(diào)制解調(diào)串行通信;基于專用光纖網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸。短波數(shù)據(jù)通信受天氣和電離層影響較大,且傳送速率低;基于ISDN的調(diào)制解調(diào)串行通信利用電話線路通信快捷方便,但系統(tǒng)帶寬低,無法滿足大容量傳送需求;光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸具有速度快和帶寬大優(yōu)點,是最好的對空警戒情報傳送方式。后兩種方式屬于固定臺站通信,不能滿足機動通信需求,而且一旦受到破壞,恢復(fù)時間較長,需要應(yīng)急備用通信手段。從北斗系統(tǒng)短報文和對空警戒情報特點可見,對空警戒情報可以利用北斗系統(tǒng)短報文傳送。

2) 可行性分析

從北斗系統(tǒng)短報文和對空警戒情報特點可以知道,對空警戒情報可以利用北斗系統(tǒng)短報文功能進行傳送。北斗系統(tǒng)從終端機到終端機傳輸時延為0.5s。雖然時延較大,但空中預(yù)警的對空警戒情報基本可滿足使用要求。由于北斗系統(tǒng)短報文通信不能進行連續(xù)通信,1臺用戶機短報文通信最高頻次為1次/秒,每小時只能提供數(shù)十萬次服務(wù)[4]。根據(jù)這一情況從以下兩方面分析其可行性。

由于從雷達站至指揮中心的對空報文一般不超過60B,并且格式相對固定。而1次短報文通信最高可傳送240B[10],因此1次通信最多可發(fā)送4條對空報文,即1s可傳送4條報文。按一般雷達轉(zhuǎn)速為6圈/分鐘計算,雷達每轉(zhuǎn)1圈,1臺用戶機可發(fā)送40條對空報文,而1批目標1圈內(nèi)產(chǎn)生1組報文,故在雷達轉(zhuǎn)速6圈/分鐘情況下,1臺北斗系統(tǒng)端機最多只能保障40批目標的對空警戒情報傳送。在極端情況下,最后一次發(fā)送報文時延將達到9.5s。目前雷達情報處理主要進行數(shù)據(jù)融合,若情報源有超過4s的延遲,融合的精度將受到較大影響。若將時延控制在4s以內(nèi),則僅能保障12批對空目標傳送,保障能力較低。

為提高保障情報批的數(shù)量,也可采取同一雷達站多配北斗用戶機的方法,從而能相應(yīng)成倍增加保障目標批數(shù)量。北斗系統(tǒng)每小時最多提供服務(wù)數(shù)十萬次,據(jù)此計算,每秒只能同時供百余臺用戶端機進行通信或定位。如果大量雷達站采用北斗系統(tǒng)短報文通信,則會受到其通信容量限制。因此,采用北斗系統(tǒng)作為對空警戒情報傳遞手段,目前只能作為少數(shù)機動雷達站或雷達站的一種應(yīng)急備用手段。但是隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善,通信容量必將隨之解決

北斗系統(tǒng)短報文傳送數(shù)據(jù)量有限,因此不適用空情密度較高的地區(qū),也不適用航管雷達,目前適用于空情量少的地理位置偏遠的警戒雷達站,但隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善,這一問題必將得到解決。

3) 傳送方案設(shè)想

根據(jù)北斗系統(tǒng)特點,設(shè)計了利用北斗系統(tǒng)傳送對空警戒情報的方案如下:用嵌入式北斗指揮機在指揮中心接收警戒雷達站傳送情報,警戒雷達站配置兩臺嵌入式普通用戶機,可以備用,也可以相應(yīng)提高傳送對空目標的較多數(shù)量[6]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳送方案結(jié)構(gòu)圖

該方案由站系統(tǒng)將對空警戒情報通過網(wǎng)絡(luò)將空情報文發(fā)給通信機,通信機按每4條空情報文組成1條短信息報文,依次通過2臺嵌入式端機接口將報文通過北斗系統(tǒng)發(fā)給北斗機,經(jīng)北斗系統(tǒng)達到指揮中心。指揮中心通信機收到北斗短報文后,將1條短報文還原成4條對空警戒情報報文,經(jīng)安全網(wǎng)關(guān)發(fā)送給指揮中心信息系統(tǒng),完成對空警戒情報的傳送。尤其各指揮中心可以利用現(xiàn)有北斗系統(tǒng)獨立完成所屬雷達站對空警戒情報傳送,還可以通過指揮端機向各雷達站廣播或點對點發(fā)送信息。雷達站通信機由1臺計算機加裝嵌入式北斗用戶機模塊組成。其軟件處理主要分為以下兩個模塊:(1)通過網(wǎng)口接收雷達站系統(tǒng)發(fā)送的雷達報文,并根據(jù)算法進行篩選和次序處理;(2)負責將4條報文組成1條短報文,通過北斗機的端口發(fā)送給北斗系統(tǒng)。由于北斗系統(tǒng)短報文透明傳輸,空情報文格式固定:將每條報文按原編碼,不足60B用空格補足,每4條報文合成1條短報文共計240B發(fā)送。指揮中心通信機由1臺計算機加裝嵌入式北斗指揮機模塊組成,該機在北斗端機收到1條短報文后,按每60B1條,去掉尾部空格即可還原成1條空情報文,后將空情報文通過串口發(fā)送至安全網(wǎng)關(guān)。安全網(wǎng)關(guān)防止各種非法報文進入指揮信息系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)通過串口接收通信機接收的情報報文,將符合軍標格式的報文通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至指揮信息系統(tǒng);至于串口接收的格式不規(guī)范報文一律丟棄。在不改變雷達站系統(tǒng)的情況下,通過向北斗系統(tǒng)運營管理中心申請,設(shè)立一種專用ID,在北斗系統(tǒng)地面控制中心,凡是目的ID號是該專用ID號的短信息報文不再通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā),而是直接通過地面控制中心的安全網(wǎng)關(guān),接入軍用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),分別送至各相應(yīng)的指揮中心信息系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)其中通信機將北斗短報文還原成空情報文的功能可以減少0.25s時延,利于各雷達站對空警戒情報傳送。不過該方案需在北斗系統(tǒng)地面控制中心作相應(yīng)軟件修改,實現(xiàn)難度較大。

4.2 基于北斗的邊境地區(qū)居民敵情警告系統(tǒng)

1) 警告系統(tǒng)的必要性

我國陸地邊境及其遼闊,并且很多地區(qū)存在著非常不安定的因素,對人民生命財產(chǎn)安全造成了極大的威脅。2015年3月,緬甸軍機炸彈落入中方境內(nèi),造成當?shù)鼐用?死9傷。不僅嚴重侵犯了我國的主權(quán),更給我國人民帶來了巨大的生命財產(chǎn)損失。因此,為保護邊境地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全,讓居民盡早收到危險警告,及時采取隱蔽措施,急需要建成邊境地區(qū)居民敵情警告系統(tǒng)。

2) 敵情警告系統(tǒng)方案

隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷完善,將具備越來越強大的數(shù)據(jù)傳輸與通信能力。可以以北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為紐帶,連接預(yù)警雷達系統(tǒng)與邊境地區(qū)北斗手持終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 敵情警告系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當雷達預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)敵情,并將情報傳送給預(yù)警指揮系統(tǒng)時。指揮系統(tǒng)根據(jù)敵情,決定是否將警報發(fā)送給當?shù)鼐用馵11]。如果需要,則將警報以短報文方式通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送給邊境地區(qū)持有北斗接收終端的居民,讓居民可以盡快躲避到安全地帶,從而避免生命財產(chǎn)損失。這一系統(tǒng)具有極其重要的意義。

預(yù)警信息是常用短語警告信息,因而在數(shù)據(jù)傳輸容量方面并不存在問題。最重要的是,在警戒雷達發(fā)現(xiàn)敵情時,將預(yù)警信息及時有效地發(fā)送給邊境地區(qū)居民。

5 結(jié)語

隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善,通信容量逐漸增大。在警戒雷達中數(shù)據(jù)傳輸將起到越來越重要的作用。這不僅能解決警戒雷達數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},也能為雷達組網(wǎng)的建成奠定良好的基礎(chǔ),更能適應(yīng)未來“扁平網(wǎng)絡(luò)化”的指揮系統(tǒng)。因此,北斗系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的研究具有極其重要的意義。

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Application of Beidou System in Warning Radar

SONG Yan LIU Limin

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003)

The warning radar data transmission relys mainly on radio transmission. In the future operational environment, the air must be accompanied by a multi-band electromagnetic interference, high strength. In order to ensure timely and effective data transfer out, it is necessary to find a reliable and stable transmission means as an emergency backup. With the gradual improvement and development of China’s Beidou satellite system, satellite network functions and capabilities continue to strengthen. In the second generation Beidou system has achieved a short message function, so this feature can be taken for emergency transfer and the establishment of the radar network data link information.

Beidou satellite navigation system, emergency information transfer, short message

2015年6月6日,

2015年7月28日

宋巖,男,碩士,研究方向:信息與信號處理。劉利民,男,博士,教授,研究方向:信息與信號處理。

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.015