基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法.pdf

第 45 卷第 2 期2024 年 3 月Vol.45,No.2Mar.2024遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite：基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法杜文丛1，刘岩2，陈旭东2，韩华1，刘铁强1，冯佳琪1（1 中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081；2 北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094）摘要：共视时间比对通过交换两地共视数据完成远距离高精度的时间比对。针对无地面通信网地区，本文提出了一种基于北斗短报文的共视数据压缩传输方法，该方法通过将共视数据进行压缩，利用北斗的短报文功能对压缩后的共视数据进行实时传输，在无地面通信网的地区进行了共视时间比对试验。试验结果表明，本文设计的共视数据压缩方法具有较好的压缩效果，可以通过北斗短报文实现无地面通信网的情况下的实时共视时间比对。关键词：共视时间比对；北斗三号短报文通信；数据压缩中图分类号：TN927.2；TN919.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1000(2024)02-0083-06DOI：10.12347/j.ycyk.20231123002引用格式：杜文丛，刘岩，陈旭东，等.基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法 J.遥测遥控，2024，45（2）：8388.Compressing and Transmission Method of Common-view Data Based on BDS-3 Short MessageDU Wencong1，LIU Yan2，CHEN Xudong2，HAN Hua1，LIU Tieqiang1，FENG Jiaqi1（1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China;2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology,Beijing 100094,China）Abstract:Common-view time transfer involves exchanging the common-view data of two locations to complete long-distance and high-precision time comparison.This paper proposes a method for compressing and transmitting common-view data based on Beidou short message for areas without ground communication network.The method compresses the common-view data and uses the short message function of Beidou to transmit the compressed data in real time.A comparison test has been conducted in an area without a ground communication network.The test results demonstrate that the common-view data compression method designed in this paper has a significant compression effect and can achieve real-time common-view time transfer without a ground network through Beidou short message.Keywords:Common-view time transfer;Beidou-3 short message communication;Data compressionCitation:DU Wencong,LIU Yan,CHEN Xudong,et al.Compressing and Transmission Method of Common-view Data Based on BDS-3 Short MessageJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2024,45(2):8388.0引言共视时间比对通过网络交换两地共视数据从而获得两地钟差，即实现了两地的时间比对。但在一些偏远山区、海洋、沙漠等通信条件较差或保密要求较高的地方不具备地面网，无法完成共视数据的交换1,2。北斗短报文可实现点对点、点对多点的双向数据传输，且具备覆盖范围广，通信无盲区，安全性高等特点3,4，因此可用于无地面通信网的情况下的共视数据传输。民用北斗短报文 SIM 卡通信频度为 60 s/次，单次通信报文长度受限3，而共视数据量大，远远超过北斗短报文单次传输长度。另外，北斗短报文的发射频点和卫星信号的接收频点接近，且北斗短报文发射功率远高于卫星信号的接收功率，因此北斗短报文的发射会对共视接收机卫星信号的接收造成影响4。收稿日期：2023-11-23;修回日期：2023-12-01第 45 卷第 2 期杜文丛等，基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法国内众多学者专家对北斗短报文在各行业及各区域的应用开展了大量的研究工作。文献5研究了利用北斗短报文传输海上特定位置的风向风速和卫星数量等气象数据以实现对海洋气象的实时监测。文献6研究了在突发险情引起通信链路中断时的滑坡监测工作，并分析了观测站数据的不同传输方案对滑坡灾害监测的影响。文献7设计的数据压缩方法，实现了利用北斗短报文功能传输远离海岸船舶的连续轨迹，该方法传输快捷有效，可以真实反应船舶实时航行位置。以上研究充分体现了北斗短报文在无地面网情况下的优越性，但对北斗短报文发射和卫星信号接收同时存在的情况讨论并不多，并且在高精度远程时间比对方面，设备部署地通常在无地面通信网的偏远地区或保密要求较高的地方，亟需研究如何将北斗短报文应用于该领域。针对北斗短报文传输共视数据存在的问题，本文提出了一种共视数据压缩传输方法，将每组共视数据只保留进行两地钟差比对所需的有效且必需的数据，合并时间和频点等同类项，再通过北斗短报文将压缩后的共视数据在共视间隙进行传输。经试验分析，通过该方法可实现无地面通信网情况下共视数据的实时、准确传输，从而完成无地面网情况下的共视时间比对。1共视时间比对原理共视时间比对的实质是两个地面站同时观测共视卫星信号，地面站分别求得本地与共视卫星的钟差，并生成标准共视数据，两地通过交换共视数据从而获得两地钟差，即实现了两个地面站的时间比对8。目前，国际上各共视时间比对设备研究机构统一采用标准数据格式的扩展的时间传递标准CGGTTS V2E9，按照每天的共视时刻表每16 min生成一组共视数据，共视数据处理过程为：跟踪当前可见卫星信号16 min，其中前两分钟用于信号稳定，后一分钟用于数据处理，有效跟踪时长为13 min，共采集780 s数据进行拟合，拟合中点处的值即为本地在该共视时刻与北斗系统的钟差10。根据当天的共视时刻表如此循环。北斗共视文件如图所示。北斗共视文件包含的参数含义见表11。2共视数据压缩传输方法2.1共视数据压缩根据共视时间比对原理可知，对于每组共视数据，进行共视时间比对只需要传输SAT、MJD、STTIME、REFSYS 以及 FRC 五种有效数据即可。因此将每组共视数据只保留这五列并按照如下规则进行压缩：FRCMJDSTTIMESAT:REFSYS,SAT:REFSYS,SAT:REFSYS,SAT:REFSYS,.SAT:REFSYSFF#。图1北斗共视文件示意图Fig.1Schematic diagram of Beidou common-view file842024 年 3 月遥 测 遥 控代表每个共视频点数据的开始，FF#代表每个共视频点的结束。以图1中共视时刻为001000的共视数据为例，按照压缩规则，将共视数据进行压缩如下：L3I601460010001:600,2:544,3:588,4:752,8:524,10:531,26:613,29:602FF#L3B601460010001:725,2:694,3:623,4:761,7:483,8:511,10:446,13:429FF#。2.2共视数据传输本地共视数据压缩完毕后，需要将压缩后的数据利用北斗短报文传输到接收端，以完成两地的共视时间比对。北斗短报文具有三种编码类型12，见表2。为节约空间，采用ASCII码对压缩后的共视数据进行编码，由于 ASCII 码只能传输 09、AF，因此需要将压缩后的共视数据用 09、AF 来表示，编码规则见表。因此图 1中共视时刻为 001000的压缩后的共视数据编码如下：EEE4E60146E001000E1A600B2A544B3A588B4A752B8A524B10A531B26A613B29A602EFF#EEE3E60146E001000E1A725B2A694B3A623B4A761B7A483B8A511B10A446B13A429EFF#。民用北斗三号sim卡发送短报文的频度为每分钟一次，单次可传输的短报文长度根据sim卡的等级划分见表413。通过北斗短报文进行共视数据传输时，可根据共视时间比对设备的通道数(即同时可观测的最大卫星数量)，计算传输每个频点的共视数据所需要的比特数，进而可计算出发射一次短报文能够传输几个频点的数据。共视时间比对设备接收信号频点为B1I、B2I、B3I，频率分别为 1 561.098 MHz、1 207.14 MHz、1 268.52 MHz14。北 斗 短 报 文 的 发 射 频 点 为1 615.68 MHz，因此北斗短报文的发射会干扰共视设备B1I信号的接收，造成信号失真15。表2北斗短报文编码类型Table 2Encoding type of Beidou-3 short message编码类别012传输内容汉字ASCII码(09、AF)汉字代码混合长度16 bit/汉字8bit/ASCII码-表3共视数据编码规则Table 3Encoding rules for common-view dataASCII编码ABCED1234含义:(SAT和REFSYS之间的分隔符),(不同卫星之间的分隔符)#(分隔不同的频点，上一频点的结束)(分隔不同字段内容，如FRC和MJD)-（负号）分隔不同频点，每个频点的起始频点B1I频点B3I频点L3B频点L3I表4北三短报文通信等级表Table 4Communication level classification of Beidou-3 short message通信等级单次报文长度(bit)一级0001692二级00101 835三级00113 883四级01007 979五级010114 000表1北斗共视文件参数表Table 1List of Beidou common-view file parameters参数SATCLMJDSTTIMETRKLELVAZTHREFSVSRSVREFSYSSRSYSDSGIOEMDTRSMDTMDIOSDMIFRCCK含义卫星的伪随机码编号固定FF跟踪卫星的起始日期跟踪卫星的起始时刻，其中 hh 代表小时，mm 代表分钟，ss代表秒实际跟踪长度780 s（13）实际跟踪长度中点对应的卫星仰角，单位0.1 deg实际跟踪长度中点所对应的卫星方位角，单位0.1 deg实际跟踪长度中点处本地秒脉冲与所跟踪卫星的差值，单位0.1 ns对REFSV值进行线性拟合中点处的斜率，单位0.1 ps/s实际跟踪长度中点处本地钟与北斗系统时间之差，单位0.1 ns对REFSYS值进行线性拟合的斜率，单位0.1 ps/sREFSYS的实际值相对拟合直线上的值之差的均方根，单位0.1 ns星历参数实际跟踪长度中点处对流层引入的传播时延，单位0.1 ns对MDTR值进行线性拟合的斜率，单位0.1 ps/s实际跟踪长度中点处电离层引入的传播时延，单位0.1 ns对MDIO值进行线性拟合的斜率，单位0.1 ps/s当前数据所使用的频点信息校验和85第 45 卷第 2 期杜文丛等，基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法为了互不影响，需要在每个共视时刻的最后一分钟和下一个共视时刻的前两分钟(共三分钟的共视间隙)将压缩后的共视数据通过北斗短报文发射出去。北斗短报文服务频度为60 s一次16，为确保成功率，可在共视间隙重复发送两次压缩后的共视数据。基于北斗短报文的共视数据压缩传输方法流程如图2所示。接收端收到压缩的共视数据后，按照编码规则的反过程进行解码，得到压缩后的共视数据。3共视数据压缩传输方法验证两台共视接收机分别部署于北京和拉萨无地面网地区，需要通过北斗短报文传输共视数据。北京和拉萨部署的共视接收机内置的北斗sim卡通信频度均为1分钟一次，通信等级为三级，即单次报文长度为3 883 bit。共视接收机支持 B1I、B2I 和 B3I 三个频点，12通道/频点，即每个频点最多可以接收12颗星。生成的共视文件中FRC列有四种，分别是单频B1I和 单 频 B3I，双 频 组 合 L3I(B1I&B3I)和 L3B(B1I&B2I)。对于每种FRC，需传输的最大比特数见表。三级北斗sim卡单次可传输3 883 bit数据，每个频点需传输的最大比特数为1 528 bit，3 883/1 5282.541 2，因此单次最多可传输2个共视频点的共视数据。北京生成的共视文件如图3所示。需将该组共视数据通过北斗短报文传输到拉萨，以完成两地的时间比对。按照压缩和编码规则，对该组数据进行压缩编码即为要通过北斗短报文传输的数据：EEE4E60150E001000E1A558B2A538B3A594B7A540B8A548B10A557B11A518B23A644EFF#EEE3E60150E0010001A602B2A712B3A576B7A466B8A502B10A455B11A435EFF#图2共视数据压缩传输流程图Fig.2Schematic diagram of common-view file表5每个频点需传输的最大比特数Table 5Maximum number of bits required to transmit each frequency point帧头FRCMJDSTTIME中间数据部分帧尾每个频点所占bit数FRCMJDSTTIME每颗星：SAT:REFSYS,最多12颗卫星FF#帧头包含5个为B1I/B3I/L3I/L3B3个ASCII码范围（099 999）5个ASCII码hhmmss，6个ASCII码SAT:卫星号（165），2个ASCII码:分隔符,1个ASCII码REFSYS:钟差，单位0.1 ns，范围：（09 999 999 999），10个ASCII码,分隔符12(16+8+80+8)=1 344 bit4个ASCII码58 bit=40 bit38 bit=24 bit58 bit=40 bit68 bit=48 bit28 bit=16 bit18 bit=8 bit108 bit=80 bit18 bit=8 bit48 bit=32 bit40+24+40+48+1 344+32=1 528 bit862024 年 3 月遥 测 遥 控拉萨收到的数据与发送端发送的数据一致，按照按照编码规则的反过程进行解码得到压缩后的共视数据，如图4所示。拉萨站可将进行共视比对所需的北京共视文件的有效信息完全复现。将当天北京站的每组共视数据按照上述方法在每个共视间隙通过北斗短报文进行发送，拉萨站将接收到的数据进行解码并存储。两地的共视比对结果如下：从图5和图6可以看出，拉萨站将收到的北京站数据进行解码并与本地生成的共视文件做比对，比对不确定度为L3I:2.36 ns，L3B:2.38 ns。拉萨站与北京站的钟差为13 ns。拉萨站可以通过调整时钟源，溯源到北京站时间，即与北京站时间保持一致。4结束语本文提出了一种基于北斗三号短报文的共视图3北京北斗共视文件Fig.3Beidou common-view file of Beijing图4拉萨解码的共视文件Fig.4Decoded common-view file of Lhasa图5北京和拉萨L3I共视比对结果 Fig.5Result of L3I common-view time transfer between Beijing and Lhasa图6北京和拉萨L3B共视比对结果 Fig.6Result of L3B common-view time transfer between Beijing and Lhasa87第 45 卷第 2 期杜文丛等，基于北斗三号短报文的共视数据压缩传输方法数据压缩传输方法，通过该方法能有效对标准共视数据进行压缩，利用北斗短报文将压缩后的有效数据进行编码发送。实验表明，接收端可以实时接收到发送端数据并进行复现，有效解决了无地面网情况下的远程共视时间比对。参考文献1 孙荪.高多核处理器片上 Cache利用率的关键技术研究D.合肥:中国科学技术大学,2015.2 李刚,杨双.北斗三号终端设备在西藏高寒、高海拔地区的应用J.卫星应用,2023(6):4 9-54.3 顾杨义,陈亮,梁坤等.基于北斗短报文的NIMDO方案设计与实现J.计量学报,2022,43(5):662-666.GU Yangyi,CHEN Liang,LIANG Kun,et al.Design and implementation of NIMDO scheme with beidou short message communicationJ.Acta Metrologica Sinica,2022,43(5):662-666.4 张海威,胡喆斯,邢楠.融合北斗短报文与CCSDS2标准的卫星遥测遥控数据系统设计J.遥测遥控,2023,44(1):1-6.ZHANG Haiwei,HU Zhesi,XING Nan.Satellites tele-metry and telecommand data system design combining Beidou short message with CCSDS standardsJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2023,44(1):1-6.5 陈玉卿,基于北斗短报文通信的用电信息采集系统研究D.合肥:合肥工业大学,2019.6 王君,郭思远,王嘉伟.北斗RDSS入站信号对GNSS信号的干扰分析及应对策略J.时间频率学报,2022,45(1):52-58.WANG Jun,GUO Siyuan,WANG Jiawei.Interference analysis and countermeasure research of Beidou RDSS inbound signal to GNSS signal J.Journal of Time and Frequency,2022,45(1):52-58.7 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