庞海滨+陈启水+刘冬利
摘 要： 多被动传感器测向交叉定位精度与传感器之间协同信息的传输距离（基线长度）直接相关。被动传感器实施测向交叉定位时的基线长度较短将导致定位精度不高，无法满足武器打击的目指精度要求。针对此问题，提出了基于北斗短报文的测向交叉定位协同信息远程传输方案，并对其技术可行性和实现方法进行了研究。该方案能够极大地延长基线长度，显著提高多被动传感器的测向交叉定位精度。
关键字： 北斗短报文； 测向交叉定位； 通信协议； 差错控制
中图分类号： TN957.52?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0013?04
Study on method of cooperative information remote transmission
for bearing?only location
PANG Hai?bin1， CHEN Qi?shui2， LIU Dong?li1
（1. Dalian Naval Academy， Dalian 116018， China； 2. The 702 Factory of Navy， Shanghai 200434， China）
Abstract： Positioning accuracy of the bearing?only location system with multiple passive sensors is closely related to the transmission distance （baseline length） of cooperative information between the passive sensors. If the baseline length of the bearing?only location system with multiple passive sensors is short， the positioning accuracy will be too low to meet the requirement of the target indication accuracy for weapon attacking. The cooperative information remote transmission scheme based on the Beidou short?message communication isproposed to solve this problem. Its technical feasibility and implementation method is researched. The scheme can greatly increase the baseline length， and significantly improve the positioning accuracy for the bearing?only location system with multiple passive sensors.
Keywords： Beidou short message； bearing?only location； communication protocol； error control
0 引 言
被动探测由于具有隐蔽性好、探测距离远、目标识别和抗干扰能力强的特点，能够大大增强水面舰艇在现代海战场复杂电磁环境中的生存力[1?2]。被动测向交叉定位是较为常用的一种协同定位方法。研究发现被动传感器的协同距离，也就是基线长度越长，测向交叉定位的精度越高[3?4]。基线长度主要取决于被动传感器之间的通信作用距离。目前水面舰艇测向交叉定位所采用的微波协同定位信息传输手段作用距离较近，导致协同定位精度偏低，满足不了武器打击的目指精度要求。因此，迫切需要一种远程数据传输手段用于舰载被动传感器的测向交叉定位协同信息交换。
2012年12月北斗二代卫星导航系统正式开通，其服务区域覆盖了我国全境、西太平洋及南海广大海域。北斗系统所独有的短报文通信功能可以实现用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信，作用距离能够跨越北斗系统的整个服务区域。同时，北斗短报文通信作为一种可靠的远程数据传输手段，目前在通信领域已经得到了广泛的应用[5?8]。
为此，本文提出利用北斗短报文远程通信手段增加基线长度，提高协同定位精度的舰载被动传感器测向交叉定位方案。本文在简单介绍测向交叉定位工作原理的基础上，依据北斗短报文通信的技术指标对方案进行可行性分析；然后从系统设计、工作流程、通信协议和差错控制四个方面对方案进行详细阐述。
1 测向交叉定位工作原理
测向交叉定位工作原理如图1所示。
由图1可以看出，测向交叉定位主要分为以下三个阶段：
图1 测向交叉定位工作原理
（1） 建立通信
发起方发送建立通信申请报文，其主要内容为发起方通信地址、时间信息和发起方位置信息。协同方接收后结合自己位置解算发起方方位距离，并准备发回响应报文。协同方发送建立通信响应报文，其内容包括时间信息和协同方位置信息，发起方接收后结合自己位置解算协同方方位距离，并确认双方通信建立完毕。
（2） 确定定位目标
发起方发送协同定位申请报文，其中包含了时间信息、发起方位置信息、协同探测目标批号、目标辐射源载频、脉宽、重复频率信息，协同方接收后确认协同定位目标，准备开始协同定位。
（3） 解算目标位置
现有文献介绍比较多的测向交叉定位方法是先计算出定位误差的非线性最小二乘估计初始值，再利用迭代法得到目标位置的最优估计[9?10]。因此，协同方需发送协同定位报文，将时间信息、协同探测目标批号、目标方位、协同方位置信息提供给发起方。发起方接收后解算出定位误差最小二乘估计的初始值，并返回一个包含已完成迭代运算次数的响应报文，初始值设为0。协同方根据响应报文继续向发起方发送目标方位信息直到迭代运算次数满足要求后停止发送协同定位报文，协同定位结束。
2 北斗短报文应用于测向交叉定位的可行性
分析
将北斗短报文通信作为协同定位信息传输手段，应用于测向交叉定位的可行性分析如下：
（1） 数据量
北斗短报文通信采用ASCII编码，每次的内容长度不超过200 B。根据前面对各种协同报文内容的分析，北斗信道的通信数据量完全可以满足测向交叉定位协同信息交换的要求。
（2） 数据率
本文提出的基于北斗信道的测向交叉定位是以海上目标作为探测对象，运动速度较慢。北斗短报文通信的服务频度根据用户等级区分为1 s，10 s，30 s，60 s，通信服务响应时间在1 s左右[5]。选用较高等级的用户卡完全能够满足被动传感器对目标快速连续跟踪定位的要求。
（3） 通信距离
在北斗卫星导航系统的覆盖范围内都可以进行北斗短报文通信。目前已建成的北斗二代卫星导航系统的服务区域涵盖了我国及周边地区，且北斗短报文通信不存在盲区，因此其作用距离几乎不受限制。
（4） 可靠性与安全性
北斗短报文通信采用扩频通信传输方式，具有较强的抗干扰、抗噪音、抗多路径衰减能力。由于其频谱密度较低，因此还具有隐蔽性和低的截获概率。北斗终端根据SIM卡生成的惟一扩频码将短报文通信上行数据发送到卫星，北斗地面控制中心则将短报文通信下行数据送到用户终端后通过SIM卡进行解密，从而实现了保密通信[6]。
3 基于北斗短报文的测向交叉定位方案
3.1 系统设计
基于北斗短报文的测向交叉定位方案主要是采用北斗短报文通信替换原有的协同定位信息传输手段。在每个协同定位单元在增设一个北斗用户机的基础上，再加载一台PC机作为协同信息处理设备。北斗用户机负责提供舰艇位置信息和建立北斗短报文通信；被动传感器负责目标辐射源探测和识别；PC机负责对北斗用户机进行通信控制，获取协同定位舰艇相对态势和解算协同定位目标位置。总体设计方案原理如图2所示。
3.2 工作流程
北斗用户机、PC机和被动传感器开机后，PC机自动接收被动传感器探测到的目标辐射特征信息和识别信息，同时控制北斗用户机依次向各协同舰艇发送含有本舰位置信息的短报文，并自动接收其他舰艇发送的位置信息，形成态势图。操作员在PC机的目标辐射源列表中选定目标后，再选择与本舰和目标构成较佳的相对位置关系（等腰三角形）的舰艇进行协同定位。PC机控制北斗用户机与协同舰艇建立通信后，按照图1所示的测向交叉定位工作流程生成协同报文与协同定位舰艇进行信息交换，最终完成目标位置的解算。得到的目标位置可以通过Socket通信传回被动传感器，由被动传感器发送到作战信息网络，为指挥决策和武器使用提供目标指示。
图2 基于北斗短报文的测向交叉定位方案原理图
3.3 通信协议
本文用串口通信将北斗用户机与PC机连接起来， 其通信协议的各种功能是通过指令方式实现的。北斗用户机的指令可以分为定位类、通信类、查询类、授时类和状态类等。通过这些指令，PC机可以自动接收北斗用户机上报的本舰舰位、时间校准信息，及其从协同舰收到的协同报文；也可以实现控制北斗用户机与指定协同舰建立通信，改变北斗用户机工作参数等功能。
PC机向北斗用户机发送的指令信息格式如图3所示。
图3 PC机向北斗用户机发送的指令信息格式
指令信息各个区段意义见表1。
命令码用来标示指令信息类型，具体类型见表2。
3.4 差错控制
北斗短报文通信有时会出现信息丢失或出错的现象[9]，而北斗用户机本身不具有差错控制的能力，因此只能在PC机的串口通信软件设计中引入相应的差错检测和纠正机制。报文丢失可以通过发送响应报文进行检测；报文内容出错可以通过校验码检测。丢失或出错的报文可以通过相应的报文重发控制机制由发送方进行补发。报文重传控制流程如图4所示。
图4 报文重传控制流程
协同定位方在接收到一个协同报文后应立即向报文发送方发送一个响应报文，如果对方在发送报文后的规定时间内未收到响应报文，应当重发报文。这里通过设定重发次数上限[n，]防止报文重发进入死循环。报文重发规定次数不能太多，否则会影响传输效率。通过设置重传等待时间[Tw]控制报文重传。重传等待时间设置太长，会北斗信道空闲时间增大，降低了传输效率；设置太短，可能会导致系统误判发送报文丢失，从而引起很多不必要的报文重传，增大了北斗信道负担。容易看出，重传等待时间[Tw]应略大于最大报文往返时间[Tb。]报文最大往返时间[Tb]与北斗终端的系统响应时间[Tr、]通信服务时间间隔[Tf]有关。
假设协同双方北斗终端的通信服务时间间隔相同，则报文最大往返时间[Tb]可以按下式得到：
[Tb=Tr+Tf×2]
4 结 语
本文针对目前舰载被动传感器进行测向交叉定位时基线长度较短，定位精度不高的问题，在深入分析测向交叉定位工作原理和北斗短报文通信特点的基础上，提出基于北斗短报文通信的测向交叉定位方案，并对方案的可行性和实现方法进行了分析。
目前，北斗卫星导航系统已正式向我国及周边地区提供区域服务，未来其服务区域将覆盖全球。采用北斗短报文通信作为协同信息传输手段，将使被动探测装备的测向交叉定位摆脱通信作用距离和通信服务区域的限制。另外，普通北斗终端只能实现点对点的报文通信，而北斗指挥机具有短报文通播功能，利用北斗指挥机实现两台以上被动传感器同时进行测向交叉定位将是下一步的研究方向。因此，北斗短报文通信在多被动传感器测向交叉定位领域具有广阔的发展前景和巨大的应用价值。
参考文献
[1] 孙仲康，周一宇，何黎星.单多基地有源无源定位技术[M].北京：国防工业出版社，1996.
[2] 胡来招.无源定位[M].北京：国防工业出版社，2004.
[3] TORRIERI D J. Statistical theory of passive location systems [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 1984， 12（2）： 187?194.
[4] 刘军，曾文锋，江恒，等.双站测向交叉定位精度分析[J].火力与指挥控制，2010，35（8）：12?14.
[5] 张尚悦，郝立杰，刘晓光，等.基于“北斗”信道的气象传真图传送研究[J].航海技术，2012（1）：42?43.
[6] 高迪驹.基于北斗卫星通信系统的船载终端串口通信[J].上海海事大学学报，2008，29（4）：10?14.
[7] 成方林，张翼飞，刘佳佳.基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议[J].海洋技术，2008，27（1）：26?28.
[8] 吴允平，蔡生镇，刘华松，等.航标遥测遥控信息系统的设计与实现[J].计算机工程，2006（12）：253?254.
[9] 王红军，徐敬.舰载无源被动定位与卡尔曼滤波[J].火力与指挥控制，1999，14（1）：55?60.
[10] 仲棋琪，毛卫宁.利用DOA的双基阵被动定位算法研究[J].声学与电子工程，2003（2）：15?18.
[11] 李绍斌.一种基于TCP/IP远程通信协议的新型远程智能电源监控切换系统[J].现代电子技术，2012，35（11）：115?119.
[12] 徐晓晗，唐小贝，赵健.基于全球星实现无人机远程通信[J].现代电子技术，2009，32（9）：25?29.
2 北斗短报文应用于测向交叉定位的可行性
分析
将北斗短报文通信作为协同定位信息传输手段，应用于测向交叉定位的可行性分析如下：
（1） 数据量
北斗短报文通信采用ASCII编码，每次的内容长度不超过200 B。根据前面对各种协同报文内容的分析，北斗信道的通信数据量完全可以满足测向交叉定位协同信息交换的要求。
（2） 数据率
本文提出的基于北斗信道的测向交叉定位是以海上目标作为探测对象，运动速度较慢。北斗短报文通信的服务频度根据用户等级区分为1 s，10 s，30 s，60 s，通信服务响应时间在1 s左右[5]。选用较高等级的用户卡完全能够满足被动传感器对目标快速连续跟踪定位的要求。
（3） 通信距离
在北斗卫星导航系统的覆盖范围内都可以进行北斗短报文通信。目前已建成的北斗二代卫星导航系统的服务区域涵盖了我国及周边地区，且北斗短报文通信不存在盲区，因此其作用距离几乎不受限制。
（4） 可靠性与安全性
北斗短报文通信采用扩频通信传输方式，具有较强的抗干扰、抗噪音、抗多路径衰减能力。由于其频谱密度较低，因此还具有隐蔽性和低的截获概率。北斗终端根据SIM卡生成的惟一扩频码将短报文通信上行数据发送到卫星，北斗地面控制中心则将短报文通信下行数据送到用户终端后通过SIM卡进行解密，从而实现了保密通信[6]。
3 基于北斗短报文的测向交叉定位方案
3.1 系统设计
基于北斗短报文的测向交叉定位方案主要是采用北斗短报文通信替换原有的协同定位信息传输手段。在每个协同定位单元在增设一个北斗用户机的基础上，再加载一台PC机作为协同信息处理设备。北斗用户机负责提供舰艇位置信息和建立北斗短报文通信；被动传感器负责目标辐射源探测和识别；PC机负责对北斗用户机进行通信控制，获取协同定位舰艇相对态势和解算协同定位目标位置。总体设计方案原理如图2所示。
3.2 工作流程
北斗用户机、PC机和被动传感器开机后，PC机自动接收被动传感器探测到的目标辐射特征信息和识别信息，同时控制北斗用户机依次向各协同舰艇发送含有本舰位置信息的短报文，并自动接收其他舰艇发送的位置信息，形成态势图。操作员在PC机的目标辐射源列表中选定目标后，再选择与本舰和目标构成较佳的相对位置关系（等腰三角形）的舰艇进行协同定位。PC机控制北斗用户机与协同舰艇建立通信后，按照图1所示的测向交叉定位工作流程生成协同报文与协同定位舰艇进行信息交换，最终完成目标位置的解算。得到的目标位置可以通过Socket通信传回被动传感器，由被动传感器发送到作战信息网络，为指挥决策和武器使用提供目标指示。
图2 基于北斗短报文的测向交叉定位方案原理图
3.3 通信协议
本文用串口通信将北斗用户机与PC机连接起来， 其通信协议的各种功能是通过指令方式实现的。北斗用户机的指令可以分为定位类、通信类、查询类、授时类和状态类等。通过这些指令，PC机可以自动接收北斗用户机上报的本舰舰位、时间校准信息，及其从协同舰收到的协同报文；也可以实现控制北斗用户机与指定协同舰建立通信，改变北斗用户机工作参数等功能。
PC机向北斗用户机发送的指令信息格式如图3所示。
图3 PC机向北斗用户机发送的指令信息格式
指令信息各个区段意义见表1。
命令码用来标示指令信息类型，具体类型见表2。
3.4 差错控制
北斗短报文通信有时会出现信息丢失或出错的现象[9]，而北斗用户机本身不具有差错控制的能力，因此只能在PC机的串口通信软件设计中引入相应的差错检测和纠正机制。报文丢失可以通过发送响应报文进行检测；报文内容出错可以通过校验码检测。丢失或出错的报文可以通过相应的报文重发控制机制由发送方进行补发。报文重传控制流程如图4所示。
图4 报文重传控制流程
协同定位方在接收到一个协同报文后应立即向报文发送方发送一个响应报文，如果对方在发送报文后的规定时间内未收到响应报文，应当重发报文。这里通过设定重发次数上限[n，]防止报文重发进入死循环。报文重发规定次数不能太多，否则会影响传输效率。通过设置重传等待时间[Tw]控制报文重传。重传等待时间设置太长，会北斗信道空闲时间增大，降低了传输效率；设置太短，可能会导致系统误判发送报文丢失，从而引起很多不必要的报文重传，增大了北斗信道负担。容易看出，重传等待时间[Tw]应略大于最大报文往返时间[Tb。]报文最大往返时间[Tb]与北斗终端的系统响应时间[Tr、]通信服务时间间隔[Tf]有关。
假设协同双方北斗终端的通信服务时间间隔相同，则报文最大往返时间[Tb]可以按下式得到：
[Tb=Tr+Tf×2]
4 结 语
本文针对目前舰载被动传感器进行测向交叉定位时基线长度较短，定位精度不高的问题，在深入分析测向交叉定位工作原理和北斗短报文通信特点的基础上，提出基于北斗短报文通信的测向交叉定位方案，并对方案的可行性和实现方法进行了分析。
目前，北斗卫星导航系统已正式向我国及周边地区提供区域服务，未来其服务区域将覆盖全球。采用北斗短报文通信作为协同信息传输手段，将使被动探测装备的测向交叉定位摆脱通信作用距离和通信服务区域的限制。另外，普通北斗终端只能实现点对点的报文通信，而北斗指挥机具有短报文通播功能，利用北斗指挥机实现两台以上被动传感器同时进行测向交叉定位将是下一步的研究方向。因此，北斗短报文通信在多被动传感器测向交叉定位领域具有广阔的发展前景和巨大的应用价值。
参考文献
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2 北斗短报文应用于测向交叉定位的可行性
分析
将北斗短报文通信作为协同定位信息传输手段，应用于测向交叉定位的可行性分析如下：
（1） 数据量
北斗短报文通信采用ASCII编码，每次的内容长度不超过200 B。根据前面对各种协同报文内容的分析，北斗信道的通信数据量完全可以满足测向交叉定位协同信息交换的要求。
（2） 数据率
本文提出的基于北斗信道的测向交叉定位是以海上目标作为探测对象，运动速度较慢。北斗短报文通信的服务频度根据用户等级区分为1 s，10 s，30 s，60 s，通信服务响应时间在1 s左右[5]。选用较高等级的用户卡完全能够满足被动传感器对目标快速连续跟踪定位的要求。
（3） 通信距离
在北斗卫星导航系统的覆盖范围内都可以进行北斗短报文通信。目前已建成的北斗二代卫星导航系统的服务区域涵盖了我国及周边地区，且北斗短报文通信不存在盲区，因此其作用距离几乎不受限制。
（4） 可靠性与安全性
北斗短报文通信采用扩频通信传输方式，具有较强的抗干扰、抗噪音、抗多路径衰减能力。由于其频谱密度较低，因此还具有隐蔽性和低的截获概率。北斗终端根据SIM卡生成的惟一扩频码将短报文通信上行数据发送到卫星，北斗地面控制中心则将短报文通信下行数据送到用户终端后通过SIM卡进行解密，从而实现了保密通信[6]。
3 基于北斗短报文的测向交叉定位方案
3.1 系统设计
基于北斗短报文的测向交叉定位方案主要是采用北斗短报文通信替换原有的协同定位信息传输手段。在每个协同定位单元在增设一个北斗用户机的基础上，再加载一台PC机作为协同信息处理设备。北斗用户机负责提供舰艇位置信息和建立北斗短报文通信；被动传感器负责目标辐射源探测和识别；PC机负责对北斗用户机进行通信控制，获取协同定位舰艇相对态势和解算协同定位目标位置。总体设计方案原理如图2所示。
3.2 工作流程
北斗用户机、PC机和被动传感器开机后，PC机自动接收被动传感器探测到的目标辐射特征信息和识别信息，同时控制北斗用户机依次向各协同舰艇发送含有本舰位置信息的短报文，并自动接收其他舰艇发送的位置信息，形成态势图。操作员在PC机的目标辐射源列表中选定目标后，再选择与本舰和目标构成较佳的相对位置关系（等腰三角形）的舰艇进行协同定位。PC机控制北斗用户机与协同舰艇建立通信后，按照图1所示的测向交叉定位工作流程生成协同报文与协同定位舰艇进行信息交换，最终完成目标位置的解算。得到的目标位置可以通过Socket通信传回被动传感器，由被动传感器发送到作战信息网络，为指挥决策和武器使用提供目标指示。
图2 基于北斗短报文的测向交叉定位方案原理图
3.3 通信协议
本文用串口通信将北斗用户机与PC机连接起来， 其通信协议的各种功能是通过指令方式实现的。北斗用户机的指令可以分为定位类、通信类、查询类、授时类和状态类等。通过这些指令，PC机可以自动接收北斗用户机上报的本舰舰位、时间校准信息，及其从协同舰收到的协同报文；也可以实现控制北斗用户机与指定协同舰建立通信，改变北斗用户机工作参数等功能。
PC机向北斗用户机发送的指令信息格式如图3所示。
图3 PC机向北斗用户机发送的指令信息格式
指令信息各个区段意义见表1。
命令码用来标示指令信息类型，具体类型见表2。
3.4 差错控制
北斗短报文通信有时会出现信息丢失或出错的现象[9]，而北斗用户机本身不具有差错控制的能力，因此只能在PC机的串口通信软件设计中引入相应的差错检测和纠正机制。报文丢失可以通过发送响应报文进行检测；报文内容出错可以通过校验码检测。丢失或出错的报文可以通过相应的报文重发控制机制由发送方进行补发。报文重传控制流程如图4所示。
图4 报文重传控制流程
协同定位方在接收到一个协同报文后应立即向报文发送方发送一个响应报文，如果对方在发送报文后的规定时间内未收到响应报文，应当重发报文。这里通过设定重发次数上限[n，]防止报文重发进入死循环。报文重发规定次数不能太多，否则会影响传输效率。通过设置重传等待时间[Tw]控制报文重传。重传等待时间设置太长，会北斗信道空闲时间增大，降低了传输效率；设置太短，可能会导致系统误判发送报文丢失，从而引起很多不必要的报文重传，增大了北斗信道负担。容易看出，重传等待时间[Tw]应略大于最大报文往返时间[Tb。]报文最大往返时间[Tb]与北斗终端的系统响应时间[Tr、]通信服务时间间隔[Tf]有关。
假设协同双方北斗终端的通信服务时间间隔相同，则报文最大往返时间[Tb]可以按下式得到：
[Tb=Tr+Tf×2]
4 结 语
本文针对目前舰载被动传感器进行测向交叉定位时基线长度较短，定位精度不高的问题，在深入分析测向交叉定位工作原理和北斗短报文通信特点的基础上，提出基于北斗短报文通信的测向交叉定位方案，并对方案的可行性和实现方法进行了分析。
目前，北斗卫星导航系统已正式向我国及周边地区提供区域服务，未来其服务区域将覆盖全球。采用北斗短报文通信作为协同信息传输手段，将使被动探测装备的测向交叉定位摆脱通信作用距离和通信服务区域的限制。另外，普通北斗终端只能实现点对点的报文通信，而北斗指挥机具有短报文通播功能，利用北斗指挥机实现两台以上被动传感器同时进行测向交叉定位将是下一步的研究方向。因此，北斗短报文通信在多被动传感器测向交叉定位领域具有广阔的发展前景和巨大的应用价值。
参考文献
[1] 孙仲康，周一宇，何黎星.单多基地有源无源定位技术[M].北京：国防工业出版社，1996.
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[7] 成方林，张翼飞，刘佳佳.基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议[J].海洋技术，2008，27（1）：26?28.
[8] 吴允平，蔡生镇，刘华松，等.航标遥测遥控信息系统的设计与实现[J].计算机工程，2006（12）：253?254.
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[11] 李绍斌.一种基于TCP/IP远程通信协议的新型远程智能电源监控切换系统[J].现代电子技术，2012，35（11）：115?119.
[12] 徐晓晗，唐小贝，赵健.基于全球星实现无人机远程通信[J].现代电子技术，2009，32（9）：25?29.
