前沿 | 基于北斗三号短报文通信的终端监控平台的设计与实现

“北斗三号”系统是全球首个融合导航与通信与仪器的卫星通信系统，具有双向短报文通信功能。北斗三号系统区域短报文通信民用应用服务平台是北斗三号系统的重要组成部分，作为国家服务基础设施，对中国及覆盖区国家和地区提供北斗短报文通信能力，服务国家战略，保证国家资源的高效利用。其应用场景广泛，可应用至电力水利、石油气田、开采运输、海洋渔业等业务领域，解决运输、开采、重点人员监管不足，重要活动过程依赖国外卫星系统，紧急、偏远地区信号架设不便等痛点需求。

相较于北斗二代短报文系统，北斗三号系统可向中国及周边提供 1 000 个汉字/每条的短报文通信服务，服务容量提高到 1 000 万次/h，接收机发射功率降低至 1~3 W。“北斗”已经建立起相应的产业链，已经构建起集运营服务、软件、终端、板卡、模组、芯片为一体的产业链。针对北三激增的通信能力，通过引入高可用高并发系统架构，提升“北斗三号短报文系统”抗高流量、高频次冲击能力。摆脱“不行就加机器”的简单扩张阶段。

通过借鉴“互联网+数据”的先进理念，以车辆终端、手持终端等数据采集端为“末梢”，以北斗服务为“神经”，以基于分级布设+微服务的云平台为“大脑”，构建“云-网-端”体系架构的高可用北斗终端智能监管平台，实现重要资产可知可控的应用落地，让各类行业资产信息透明化、智能化、可追溯化，提高一体化服务项目的信息化建设水平和自主可控能力，形成基于北斗的物联应用技术标准，创新促进北斗短报文推广应用。

研发高可用基础云平台架构，研发北斗短报文终端监控平台，研制开发北斗民用多模一体化通用数传终端、人员定位监控终端、车辆定位监管终端。实现车辆、人员、重要资产的综合性监控、管理以及综合态势可视化，为行业物联网业务应用落地提供技术支撑。

高可用服务平台为整个系统提供弹性计算、存储、网络资源支撑，平台将数据中心内的服务器、存储设备、网络路由设备等硬件集中化调度与管理，并通过服务器虚拟化、存储虚拟化以及网络虚拟化等技术进行封装加工后，可以提供虚拟机、容器、云硬盘、负载均衡、云网络、弹性伸缩等各种基础资源服务能力，以及各种专业的计算服务、存储服务、中间件服务。其技术框架包括基础资源和平台服务功能，如图 1。

 图1 高可用平台架构图

平台通过虚拟化技术对数据中心多台物理服务器的计算资源进行虚拟化，构建计算资源池。通过分布式存储技术将多台服务器的大容量 SATA硬盘进行虚拟化，构建分布式存储池，同时利用SSD 硬盘为分布式存储加速，利用数据多副本技术提高数据可靠性。通过 SDN 技术将多台服务器构建云平台内部网络，实现对上层虚拟化资源的组网支撑。

平台通过资源编排技术将云平台中的虚拟机、云硬盘、云网络等基础资源与各种通用集群软件进行封装，构建自动化部署的平台服务功能，平台用户通过平台提交服务申请，系统自动完成基础资源的创建、软件安装、集群配置、网络端口开放等运维操作，交付给用户直接使用的集群软件服务。

虚拟机：虚拟主机是一个拥有完整硬件系统功能、软件操作系统的独立计算机系统。虚拟主机是数据云平台的基础，用于运行各类数据应用系统，存储应用系统的本地数据。虚拟机服务包括虚拟机生命周期管理、多操作系统支持、多存储形态支持、规格自定义、规模在线调整、批量维护、在线迁移、故障漂移等功能。

容器服务：容器服务是一项容器管理服务，它支持 Docker 容器，并让用户能够通过图形界面来创建和管理 Docker 容器。使用容器服务，可以快速地启动和停止支持 Docker 容器任务，查询容器的运行状态。

虚拟网络：网络服务基于云平台 SDN 网络，主要为虚拟机和容器提供各种基础网络资源。

计算服务：计算服务为各类数据应用提供基础计算环境，计算服务基于 Hadoop、Spark 等开源计算框架，结合云平台的自动化服务部署，为前端业务交付不同类型的计算工具，满足不同业务场景下的分析计算需求。计算服务支持自定义计算集群节点数量、节点规格、节点网络区域等信息。

对象存储：对象存储服务是非结构化数据的存储的基本单位，可直接为物理机/虚拟机中的应用系统提供非结构化数据的保存与共享服务。对象存储服务在应用系统架构中实现非结构化对象数据的存储与访问管理，适用于海量非结构化对象数据基于内存或磁盘存储、共享与使用的业务场景。

计算服务：数据库服务为各种数据应用提供基础存储环境，基于开源数据库软件，结合云平台的自动化服务部署，为前端业务交付不同类型的数据库服务，满足不同业务场景下的分数据存储需求。数据库服务支持自定义数据库集群节点数量、节点规格、节点网络区域等信息。

中间件服务：中间件服务是一种基于开源中间件引擎构建的云服务应用，主要面向业务应用开发团队或业务应用运维团队用户，中间件服务支持自定义集群节点数量、节点规格、节点网络区域等信息。

自动化部署：自动化部署是一种基于云计算架构的云服务交付模式，可将各种第三方提供的复杂集群环境，通过在线的配置管理，自动完成包括操作系统安装、网络配置、软件安装、集群配置、初始化配置等操作，将步骤繁琐、脚本复杂的复杂应用交付工作实现一键部署。

负载均衡：负载均衡是实现流量分发的云服务，通过在通用的服务器上模拟负载均衡器，提供一种有效的、透明的方法扩展网络设备和服务器带宽，提高网络的灵活性、可用性以及应用系统应对高负载的能力。负载均衡服务通常可作为应用系统的网络入口，将用户访问请求分发到虚拟主机集群，实现应用系统处理能力的弹性扩展，从而降低虚拟主机宕机风险和提高应用系统应对大规模访问的处理能力。

系统隔离：隔离是指将系统或资源分割开，系统隔离是为了在系统发生故障时，能先定传播范围和影响范围，即发生故障后不会出现雪球效应，从而保证只有出问题的服务不可用，通过隔离来减少资源竞争。常用的隔离手段有线程隔离、进程隔离、集群隔离、机房隔离、读写隔离、快慢隔离、动静隔离、爬虫隔离等。

限流：当稀缺资源使用这类不能使用缓存和负载均衡技术解决的场景下，限流是有效的保证服务可用的有效手段。限流的目的是通过对并发请求进行限速，或限制统一时间窗口内请求数量从而避免系统崩溃。可根据压力测试的并发峰值、响应时间上限、CPU、内存使用率来同时设置阈值，当限流策略开启时，服务能力之外的请求将会被直接拒绝。

超时与重试：设置在服务请求超时后进行重试。但重试的次数太多会导致流量倍增，从而模拟了 DDOS 共计。因此，须设置合理的重试机制，并且配合熔断、快速失败机制。云平台中可用重试机制有代理层超时重试、Web 容器超时、中间件客户端超时与重试、数据库客户端超时、前端 Ajax超时。

回滚：回滚是指当程序或数据出错时，将程序或数据恢复到最近的一个正确版本的行为。常见的有事务回滚、代码库回滚、部署版本回滚、数据库版本回滚、静态资源回滚、静态资源版本回滚。通过回滚机制可保证系统在某些场景下的高可用。

弹性伸缩：弹性伸缩是根据用户定义的策略、应用运行状况检查和计划来自动创建新的或终止旧的虚拟主机，实现应用资源根据实际负载压力灵活调度，在保证应用处理能力的同时实现资源最佳使用。对于访问负载呈现周期性、不确定性的应用系统，可通过弹性伸缩服务满足应用资源水平扩展的需求。

应用级缓存：缓存的目的是让数据更接近使用者，让访问速度变得更快，其机制是先从缓存中读取数据，如果没有，再从略慢的设备上（如数据库）读取实际数据并同步到缓存。对于读写频繁的数据、热点数据、I/O 瓶颈数据、计算昂贵的数据及满足缓存条件。设置缓存还需考虑缓存命中率、回收策略、缓存类型等因素。

线程池：在高并发应用系统开发中，池化技术必不可少，如对象池、连接池、线程池等，通过池化资源减少资源消耗，提升性能。但是，池不能太大，会增加额外的扫描时间，反而降低效率。

队列：队列即一种线性表，从一端插入数据，从另一端删除，在高并发系统中，不是所有的处理都须实时进行。队列的使用场景主要包括异步处理、系统解耦、数据同步、流量削峰。可以用队列处理的数据和业务类型包括缓冲队列、任务队列、消息队列、请求队列、数据总线队列、混合队列等。

为提高广域信息通信网络使用与管理的可靠性，可根据各使用单位实际使用场景，在北斗导航定位系统的基础上，结合北斗短报文通信特点，建设一套基于北斗短报文通信的终端监控系统。该系统为终端使用与管理部门提供终端设备的监控、管理、调度、统计等功能。

终端监控系统架构由多场景远程终端、北斗同步通信卫星、北斗地面测控总站、民用短报文服务平台组成，如图 2。其中，多场景远程终端是指应用于运输车辆、矿场、油气井、渔船、海洋浮标等场景下的北斗终端，主要完成短报文通信的数据生产；北斗同步卫星承担各卫星站点无线信号中继通信的功能；北斗地面测控总站是北斗导航定位系统的地面运行控制中心，主要完成所有导航电文参数生成和北斗用户端定位、授时、通信数据交换的集中处理；民用短报文服务平台是对终端短报文数据的分发与统计，能够将短报文数据分发到移动通讯网络和互联网平台，并完成北斗短报文数据以及终端的统计与可视化应用需求。

图 2 基于北斗短报文的终端监控系统总体架构

从北斗终端短报文数据发送到民用短报文服务平台的接受，基于北斗短报文通信的终端监控系统具有一条完整的数据传输链路。系统数据传输链路如图 3 所示。

图 3 基于北斗短报文通信的终端监控系统数据传输链路

如图所示，红色箭头链路表示从北斗终端开始的数据发送方向，短报文数据从终端产生，上传到北斗卫星，北斗卫星传送到地面接收天线，进入到地面监控总站，地面监控总站将短报文数据发送至民用短报文服务平台，短报文服务平台通过专线等形式将数据分发至监控平台以及移动通讯网络和互联网平台。蓝色箭头链路则与之相反，进行数据的确认与回执传输。

民用北斗短报文服务平台接收北斗短报文数据后，传输到终端监控系统进行场景应用与可视化，终端监控系统功能架构图如图 4 所示。

图 4 终端监控系统功能架构图

终端监控系统最底层为数据接入层，通过短报文民用服务平台，接入来自北斗二号终端以及北斗三号终端的短报文通信数据；数据接入层往上为数据传输层，通过短报文专线以及移动通讯网络传输到监控平台；业务支撑通过云化的方式，开发了基础的业务支撑模块，其中包括基于北斗定位的终端位置实时、终端历史轨迹、终端电子围栏，基于北斗短报文的终端调度、一键报警、消息上报，基于云计算的任务规划、路径规划、人脸识别、操作记录；最后形成了顶端应用终端综合态势、终端管理、操作员管理、终端任务管理四个主要功能。

基于北斗短报文通信的终端监控平台以高可用服务平台为技术支撑，以北斗三号短报文和地面移动通信网络为数据传输链路，最后由终端监控平台进行业务化处理和可视化展示。其高可用、高并发的云平台架构设计能够解决新一代北斗系统激增的并发需求，并支撑其平稳运行。

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