适用于野外的独立无线通信网络设计策略

陈亮

（广东省电信规划设计院有限公司 广东省广州市 510630）

在新型科技不断诞生背景下，为野外作业提供了更加强大的通信设备，适用于地理勘测、追捕缉查、电力维护等场景中，因该项工作具有人员流动性大、工作地点分散、涉及范围广等特点，且盲区较多、调度管理难度较大，以往野外作业者多通过公网与远程监管平台进行通信，但受野外环境影响，公网信号常常不佳，覆盖面积有限，一旦失去信号野外人员将很难传递现场信息。对此，可在北斗卫星技术基础上，研制出适用于野外独立无线通信网络系统，使从业者的位置能够24h共享，充分保障了作业安全与效率。

1 野外作业通信网络系统总体设计

为了解决在失去公网信号支持下，对野外作业者的定位、调度管理等问题，根据远程监管平台的需求进行系统总体设计。野外通信网络系统具有综合性，由卫星通信、微电子技术、计算机技术等构成。整体系统包括三个方面：

（1）手持终端，作用在于接收卫星定位信号、传递定位信息；

（2）收发信息传输通道，通过“北斗盒子”与手机APP传递信息，与北斗设备进行报文双向传输，通过创建信息传输通道，实现与远程管控平台间的通信；

（3）远程监管平台，用于信息接收和保存，便于掌控野外人员位置、派发任务等。

系统的主要流程为现场操作人员使用手持定位终端采集北斗卫星信号，经过终端处理获得地理位置，连接手机APP控制，终端信息发送和接收设备，该设备负责创建远程控制平台，将信息发送到平台，借助地理信息系统，实现对野外作业的有效监督。如果现场人员遇到异常情况，必须以文字形式进行说明，可以向远程监控平台发送短消息，并对实际情况做出回应。如若管理者需要与野外人员进行交流，可通过远程平台向野外人员的手持终端传递报文信息的方式实现，该平台会对收发信息进行存储，便于后续数据查询与管理。

2 野外无线通信网络系统的设计方法

2.1 手持终端

经过调研分析，选择“北斗盒子”二代产品作为该系统的前端信息采集设备，适用于野外无公网信号的情况，采用北斗/GPS双模定位模块，通过蓝牙与手机交互，利用APP进行功能拓展。该产品能够符合野外无线网络传输需求，且具备定位、短报文通信等功能，主体结构如图1所示。

图1：“北斗盒子”主体结构

2.1.1 系统定位原理

该系统技术原理是先测量已知位置的卫星与接收机间的距离，然后结合多个卫星数据，得到目标接收机的实际位置。定位数据以导航信息的形式显示，即连续二进制伪随机码封装，重复周期为1ms，频率为1.023MHz，码间距为1μs。在三维环境下，两个曲面相交得到一条曲线，第三个平面给出两个点。如果信号接收器能接收到三颗卫星的信号，则该卫星为圆心，由接收器距离的半径得到三个球体。球体上有两个交点，其中一个交点不在地球表面，其余的交点为接收端位置。可见，需要采集卫星和接收端间的距离，才可精准定位。二者间的距离可用以下公式计算：

式中，R代表的是卫星和接收端间的距离；c代表的是光速；t代表的是接收端的信号录入时间；t代表的是卫星信号的发射时间；（X,Y,Z）代表的是卫星空间坐标，i代表的是卫星数量；（X,Y,Z）代表的是手持端空间坐标。在采集三颗卫星后，对坐标值进行计算，便可明确接收端的定位坐标。但是，在实际应用中因接收时间存在误差，需要将数据代入到时间误差方程内进行计算，如下：

式中，d代表的是时间误差；R代表的是卫星和接收端间的距离；c代表的是光速；t代表的是接收信号处理时间；t代表的是信号传送时间；（X,Y,Z）代表的是卫星空间坐标，i代表的是卫星数量；（X,Y,Z）代表的是手持端空间坐标。因d属于未知数，需要再加入一个卫星定位，通过四组方程得出更加准确的接收端坐标。

2.1.2 短报文通信

该项功能属于系统特色所在，以往GPS卫星导航系统只支持单向传输，但北斗系统中的文字传输可双向开展。野外人员在无公网的状态下，通过卫星信号可将信息传递到外界，但因信道主要用于导航业务，导致报文传输信道狭窄，对文字信息量有所限定，一次发送文字不能超过120字，且不支持多媒体信号传递。短报文的通信延迟在1-5s之间，传输频率为每秒1次，传递速度较快；阻塞率低于10、精度为20m量级、可靠性较强，通过CDMA扩频技术的应用，可使抗干扰性得到极大提升。通信流程如下：文字发送端将报文内容与接收端地质加密后传递给卫星，经过卫星传递到地面中心站。在站内接到信号后进行解密、二次加密后传递给广播电文，再经过卫星传递给接收端，由接收人员进行电文解密，实现通信目标，如图2所示。

图2：短报文通信流程

2.1.3 传输模式

因数据通信期间的传输路径有所区别，可根据实际情况选择相应的传输模式，分为中继传输、直接传输两种。本系统采用中继传输法，主要利用信号传输，可延长传输距离，灵活躲避障碍物，在应用期间因后续传输设备所需传输的信息量较多，使节点数量增加，进而使整体传输容量需求增加。

2.2 信息收发端socket通信设计

该系统以手机为服务器端、以PC端为客户端，对Socket连接请求进行监听，对PC端传递的指令进行接收，经过处理后将通信信息上传给PC端，并对客户端上传信息进行同步接收。PC端请求创建Socket连接，将指令传递到服务器，对定位信息和通信内容进行接收，还可将通信信息传递给服务器端。

2.2.1 客户端

PC端只有在手机服务器开启监听模式后，才会发送连接请求。与此同时，对服务器端绑定端口号，将手机系统IP设置为127.0.0.1，形成新的进程，将CMD程序调整到后台，便于ADB指令的灵活设置。将CMD程序中录入“adb forward tcp:12580 tcp:10086”，将PC端口设置为12580，录入“adb broadcast-a Notify Service Start”后，将广播传递到手机端。通过connect()函数进行连接申请，申请成功后，便可将信息传递到客户端。在客户端接收到信息后，利用send（）函数将套接字发送出去，在服务器收到指令后，客户端利用recv（）便可成立信息缓冲区，对服务器传递的信息进行接收。依照指令对通信数据进行妥善处理，再依靠send（）函数将套接字传递出去，如若传递给服务器，经过处理后，便可以同样的方式传递到其他端口，在接收后进行密封处理。

2.2.2 服务器端

以手机端为服务器，将野外人员位置和通信内容传递到PC端中，并对PC端传递的信息进行接收。因服务器端为安卓系统，采用JAVA语言进行编辑。客户端经过ADB将服务器端的监听广播进行发送，具体措施如下：

（1）创建一个套接监听系统，添加一个广播接收类，接收客户端发送的广播，结合通信数据，对监听状态进行调整。在监听状态下，将端口与IP地址绑定；

（2）创建一个服务类进行监听，依靠线程类对客户端传递的连接申请进行处理，在顺利创建线程后与客户端进行通信，并将通信协议加入到该类内；

（3）按照客户端指令开展相应工作，当客户端即将传递数据时，需要对数据接收进行准备，并传递出准备妥当的信号。

2.2.3 通信协议

该系统对不同数据类型进行定义，即定位数据、短报文数据。对于定位数据来说，“北斗盒子”中的格式为BDRMC，如表1所示。

表1：“北斗盒子”定位数据

经纬度格式用dddmm.mm表示，d代表的是“读”，m代表的是“分”，将其变换成WGS84坐标系的转换公式如下：

式中，Lon代表的是数据块；d代表的是“读”，m代表的是“分”。根据实际需求，对网络通信进行高效利用，只需对收发双方的IP、经纬度、时间等指标进行明确表示，便可使定位信息得到确定，如表2所示。

表2：定位信息

在手机端对“北斗盒子”中的通信内容进行接收，报文以BDTXR形式展示出来，需要对收发双方的ID、通信内容和时间进行确定。野外人员在无公网的状态下，通过卫星信号可将信息传递到外界，但因信道主要用于导航业务，导致报文传输信道狭窄，对文字信息量有所限定，一次发送文字不能超过120字，且不支持多媒体信号传递。在ASCⅡ编码内，英文字符一个按一个字节计算，汉字一个按两个字节计算，数字一个按一个字节计算，短报文通常只能传输36个以内的汉字，数据长度最大为100字节，数据长度与类型均为4字节，整个数据报文约为100字节，缓冲区的最小值是5千字节，从传输的数据开始，均可一次性读取。

2.3 远程监控管理平台

因野外作业地点较为分散，涉及范围较广，需要结合实际情况设置远程管控平台的各项功能模块，将野外人员的位置信息、行动轨迹均在地图中展现出来，并将信息存储在数据库内以备后用。在运动轨迹监控方面，对以下模块进行设计。

2.3.1 百度地图APP的应用

（1）网页开发。该平台在地图APP基础上进行研发，JAVA作为网页加入交互性脚本语言，属于原型语言，现已成为当前应用最为广泛的客户端脚本语言。在API中利用JAVA语言进行程序编写，开发人员在网页内创建与自身要求相符的地图应用，为野外人员位置确定、轨迹生成等提供技术支持。在实际开发中，采用APIV2.0版本，在官网中注册开发账号，得到服务秘钥，再采用JAVA语言将地图APP调取出来，利用浏览器控件，再利用API叠加层进行技术革新，在地图内加入比例尺、卫星地图等控件。

（2）地图加载。为了更加全面监控野外人员的作业情况，先要在APP中注册账号才能拥有开发权限，进行秘钥申请，将JAVA的部分代码加入秘钥，便可进行地图加载。结合网页编程特点可以看出，地图应在网页内展现出来，可利用HTML对象为容器，创建带有DIV属性的对象，并对尺寸进行确定。在地图对象创建完毕后，便可对其进行初始化处理，再加入添加件后便可满足基本设计目标。该API具有地图缩放、拖拽等功能，对API接口进行调节，利用map.sdd（）法加入控件，可结合各类需求进行参数优化，使上述功能得以顺利达成，实现用户和地图间的交互。结合野外工作具体情况，还应将百度地图、卫星地图联合起来，才可使监控更加一目了然。

（3）坐标转换。利用“盒子”对经纬信息进行采集，并将其转换成WGS84系统内的经纬坐标。WGS84坐标难以在百度地图内展示出来，即便展示出来，也会与实际值有所误差。对此，应将其变成百度地图能够识别的坐标系，即BD09，转变方式如下：在定位坐标接收后，利用地图API中的坐标转换函数，将坐标传入地图内，便可自动生成可识别的坐标，完成转换工作。

2.3.2 人员定位

该平台的运行需要大量数据的支持，手持移动终端将位置信息传递给平台，在平台接收后可将信息在大屏幕中显示出来，流程如下。先将野外人员手持终端采集的位置信息传递到系统后台，利用VS和JAVA网页交互，使位置信息被传递到JAVA网页内，经过转换后确定最终位置，利用API在程序内添加可显示这一定位的相关地理信息。

2.3.3 生成轨迹

在定位功能的指导下进行轨迹生成，使管理者能够对所有野外人员的行动轨迹进行实时掌握，提高监控效果，并支持对以往轨迹的查询。Trace的生成需要标记出现场人员的位置，并使用百度地图中的API连接函数来实现。在确定了第一个现场人员的位置后，如若接收到下一个定位信息，则将两个点位连接起来，在地图中连线，如若收到第三个点位也是如此，直至所有作业任务完成。对作业者历史轨迹进行查询时，可从数据库中调取相应的坐标，便可查看到实时运动轨迹，如图3所示。

图3：野外作业者运动轨迹生成流程图

3 系统测试与分析

3.1 手持终端测试

对野外无公网环境进行模拟，剔除手机SIM卡后，将“北斗盒子”与手机相连，在连接成功后“盒子”会自动搜索北斗信号。经过测试，发现在户外有遮挡物的情况下不能接收信号，在人迹罕至的地方能够接收。这意味着手持终端可在大多数野外环境下使用，但要尽可能的避免“盒子”信号被遮蔽。在“盒子”搜索到北斗信号后，APP界面便会将使用者的实时位置显示出来，点击箭头便会进入到百度地图中，并在地图上显示自己当前位置。文字发送端将报文内容与接收端地质加密后传递给卫星，经过卫星传递到地面中心站。此时，“盒子”可对短报文进行传递，如发送“我在这里”，这时接收端便会收到信息，不但能够看到报文内容，还显示了发送者的实时位置。此时，接收端发送报文给发送端，即“怎么样”，发现原本的发送端能够顺利接收报文信息。通过以上测试，手持终端与信息收发端口可以在广阔的现场环境下进行通信。

3.2 远程监管平台测试

我国位于北纬30°的位置，1经度相差在100km左右，结合地理位置进行测试检验。手持终端向“北斗盒子”发送实时位置信息，基本上是每间隔1分钟接收一次，野外人员步行约80m/min，将其转换成经纬度的变化在0.001度左右，也就是3.6s。在收发端获得手持终端传递的信息后，通过C/S模式通信，使远程监管平台得到相应信息，如表3所述。根据表中数据可知，经纬度变化均处于允许范围，远程管控平台的数据较为真实准确。

表3：远程监管平台接收的数据信息

在地图加载方面，通过百度地图将野外作业人员所处位置显示出来，一般在没有障碍物的环境中，采用卫星地图显示的形式，找到正确的位置后，可以用鼠标操作地图控件。在定位测试中，采集野外人员位置信息，在地图中得到相应定位，通过标注显示工作信息。在轨迹测试中，将野外人员定位数据传递到平台后，便可生成直观明了的轨迹效果。

3.3 测试结果

经过上述测试，发现在野外作业中，手持终端可在没有公网信号的情况下，依靠北斗卫星信号进行实时定位，并将短报文传递给远程监管平台，适用于大部分野外作业中，但因卫星信号的强度不高，容易受诸多因素干扰，在使用期间应注意场合与方式，尽可能到空旷场地发送信号，避免信号被遮挡难以顺利接收。从整体来看，该平台能够顺利接收终端传输的位置信息，并利用电子地图显示位置，实时查看野外人员的行动轨迹等。在后续系统开发中，应结合野外作业的个性化需求，使远程监管平台的功能得到进一步优化完善。

4 结论

综上所述，针对野外作业在通信方面存在的实际问题，在北斗技术的支持下提出无线网络通信优化方案，从手持终端、收发装置信息传输通道、远程监管平台三个方面着手进行系统设计。根据测试结果可知，该系统适用于大部分野外作业，方便可行，能够使野外作业者通过手持装置与远程监管平台进行通信，使预期功能需求基本得到满足，弥补了公网通信的缺陷，顺利达成了设计目标，使野外人员安全得到切实保障。