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北斗预警信息压缩传输系统的设计与实现 冯姣 陈苏婷 李鹏 摘 要： 北斗卫星单次短报文通信数据量及服务频率限制了长预警信息数据的传输针对该问题，通过研究预警信息数据协议，设计预警信息压缩传输系统为了提高预警信息传输效率，设计一种基于固定位长和RLE算法的混合压缩编码;为了提高预警信息传输成功率，设计基于预警信息压缩包的传输协议此外，利用图形界面语言Qt完成人机交互界面并实现了预警信息压缩包的解码最后，设计基于误报避免机制的预警信息显示，并给出算法的流程实验结果表明，所设计的预警信息压缩传输系统能够有效地提高长预警信息数据传输效率和传输成功率，而且可在相关基于北斗卫星的预警信息发布系统中作为参考关键词： 北斗卫星; 预警信息; 压缩传输系统; 压缩編码; 传输协议; 误报避免机制： TN911.2?34 ： A ： 1004?373X（2019）10?0118?06Design and implementation of an early?warning information compressedtransmission system for Beidou satelliteFENG Jiao1， CHEN Suting1，2，3， LI Peng1，2（1. School of Electronic and Information Engineering， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China;2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology， Nanjing University of InformationScience & Technology， Nanjing 210044， China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）Abstract： Since the communication data quantity of the single?time short message and service frequency of the Beidou satellite limit the transmission of the long early?warning information data， an early?warning information compressed transmission system is designed by studying the early?warning information data protocol. A hybrid compressed encoding based on fixed bit length and RLE algorithm is designed to improve the transmission efficiency of early?warning information. The transmission protocol based on the compressed packet of early?warning information is designed to improve the transmission success rate of early?warning information. The human?computer interactive interface is completed and the decoding of the early?warning information compressed packet is realized by means of the Qt graphical interface language. The early?warning information display based on the false alarm avoidance mechanism is designed， and the flow chart of the algorithm is given. The experimental results show that the designed early?warning information compressed transmission system can significantly improve the transmission efficiency and success rate of long early?warning information data， which can be used as a reference in relevant early?warning information release systems of the Beidou satellite.Keywords： Beidou satellite; early?warning information; compressed transmission system; compressed encoding; transmission protocol; false alarm avoidance mechanism0 引 言及时发布预警信息可以有效减小可能受灾害地区的人员伤亡和财产损失。

基于北斗卫星的短报文通信系统可以有效提高预警信息发布的覆盖范围和时效性，是对传统预警信息发布渠道的重要补充[1?2]北斗卫星数据通信基于短报文传输机制，但预警信息的數据量远大于短报文单次通信数据量由于预警信息数据长度超出北斗卫星的短报文通信系统的单次最大通信量，需要将预警信息数据拆成多个包进行传输预警信息数据越长，分包数越多[3]，成功接收一条完整预警信息的概率越小例如：CDT?441型北斗用户机民用级别单次最大通信量为78.5 B，要将数据协议长度为340 B左右的预警信息发送至相关部门，需将数据分5个包进行发送而短报文通信服务频度为1 min，所以一条预警信息最小发送周期为5 min;同时，北斗短报文通信存在丢包率[P]，当一个数据包发生丢失时[4]，可能会造成整条预警信息的信息丢失，则一条被拆分成[n]个包的预警信息成功发送的概率[S=（1-P）n]由此可知，随着预警信息数据量增加，拆分的包变多，则成功接收一条完整的预警信息的概率呈递减趋势目前，北斗卫星在预警信息发布领域提出了联合补包传输协议[5]和指挥机多通播ID并发[6]的方法减少预警信息的发布时间和发布次数，但仍未解决预警信息数据量大，传输成本高的问题。

本文在深入研究了预警信息数据协议后，设计了预警信息压缩传输系统为了提高预警信息传输效率，本文提出一种基于固定位长和RLE （Run?Length Encoding）算法[7]的混合压缩编码算法此外，为了提高了预警信息的传输成功率，本文设计了基于预警信息压缩包的传输协议，并利用图形界面语言Qt完成了人机交互界面，实现了预警信息压缩包的解码最后，本文设计基于误报避免机制的预警信息显示，并给出了算法的流程1 系统方案在预警信息发布体系中，预警信息必须由地面控制中心（政府或其授权的有关部门或单位）发布，利用北斗指挥机通播功能可以保证及时发布预警信息在这种模式下，系统由发布主站、地面控制中心和客户端组成，系统结构如图1所示发布主站包括发布服务器，数据压缩编码模块和北斗用户机;地面控制中心由北斗指挥机和指挥中心服务器组成;客户端包括所在预警区域的多台预警终端当灾害可能发生时，发布服务器提供相应预警信息，预警信息经过压缩编码后，通过发布主站的北斗用户机，将压缩数据发送到北斗卫星;卫星将压缩数据转送到地面控制中心，控制中心经过解析后，获得完整的预警信息;控制中心利用北斗指挥机将预警信息压缩包再次发送至北斗卫星;最终，预警终端接收相应的压缩数据，解析数据后，获得完整预警信息，并做出相应防范措施。

图1 预警信息发布系统结构图2 预警信息压缩编码设计为了减少预警信息的数据量和传输成本，本文提出一种基于固定位长编码和RLE编码的混合压缩编码方式混合压缩编码针对大量重复出现的字符，有极强的适应性在使用RLE编码时，兼顾考虑了固定位长编码的使用条件，保证了两种无损压缩算法的兼容性2.1 预警信息数据协议预警信息发布采用中文文本方式，每条预警信息由4部分组成：起始行、报头行、正文行、结束行，4部分内容以换行符为间隔其中，报头行具体分为以下5段：发布部门及发布单位、发布时间、警报类型、影响范围、影响中心及半径，使用ASCII码进行编码，5段内容以换行符间隔[8]预警信息数据协议如表1所示2.2 混合压缩编码对GB2312编码的无规则汉字进行压缩难度较大，压缩率较低针对该问题，本文针对预警信息的报头行提出一种基于固定位长编码和RLE编码的混合压缩编码方式该混合算法对预警信息出现的高冗余字符或字符串有较高的压缩效率，且均为无损压缩，保证了压缩后预警信息的信息量不会减少混合算法数据见图2图2 算法数据处理流程具体实现步骤如下：1） 对识别后的数据预处理整理预警信息的标志位等辅助信息并调整数据格式。

2） 运用RLE编码压缩报头行内的重复字符串结合固定位长算法的特点，预设字符选择为0x3A，0x3B，0x3C，0x3D，0x3E，0x3F，以保证预设字符满足两种算法的兼容性3） 对新的报头行采用固定位长算法进行编码数字的ASCII码值范围为0x30～0x39，与预设字符的高位相同，可进一步提高数据压缩率4） 对数据进行整理，并添加相应的标记位保证预警信息压缩包在进行数据解码时，系统能够识别报头行内各信息要素3 基于预警信息压缩包的传输协议设计为提高预警信息的卫星传输成功率，本文设计了基于预警信息压缩包的预警信息传输协议，如图3所示图3描述了预警信息的编码过程，协议底层是由服务器发布原始预警信息，[K]表示相应的区域码取值经过数据压缩后，得到预警信息压缩包;然后，把预警信息压缩包当作电文内容进行封装，上层协议完全按照短报文通信格式组织数据，接收地址（ID号）为灾害发生区域对应北斗联络设备的ID号发送一条被拆分为[N]个包的预警信息，北斗短报文通信理论丢包率为[P]本协议与联合补包传输协议性能对比如表2所示从表中可以看出，在发送周期相同的情况下，在本文传输协议体系下的系统结构简单，成本低，预警信息发送理论成功率更高。

图3 预警信息卫星传输协议4 预警信息发布与播报4.1 预警信息发布平台地面控制中心为工作人员提供预警信息编辑、校对、发布的工作界面[9]为减小预警信息播报平台搭建的工作量，本文使用可跨平台GUI系统Qt作为开发工具，选择SQlite3作为数据库[10?12]，数据库内保存了预警信息的政府机构、部门、行业代码[13]，以及《中华人民共和国行政区划代码》[14]等预警信息发布界面如图4所示图4 预警。