一种北斗软卡用户终端设备及系统的制作方法

本发明涉及北斗卫星导航系统的导航、定位、短信、位置报告和授时等技术领域，具体地说是一种北斗软卡用户终端设备及系统。

背景技术：

北斗卫星导航系统是由我国自主建设、独立运行、自主知识产权，继美国全球定位系统gps、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统glonass之后第三个成熟的卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段组成。为全球用户提供全天候、全天时、高精度的rnss免费服务及授权用户的rdss有偿服务。

北斗、gps、glonass卫星导航系统均提供卫星无线电导航业务rnss，英文全称radionavigationsatellitesystem，由用户接收卫星无线电导航信号，自主完成至少4颗卫星的距离测量，进行用户位置、速度及航行参数计算。

北斗卫星导航系统还提供卫星无线电测定业务rdss，英文全称radiodeterminationsatelliteservice。在完成定位的同时，完成了向外部系统的用户位置报告，实现了定位与通信的集成，可进行无线信息传输的高安全级别的位置报告及短报文通信。

用户段包括北斗系统用户终端以及与其它卫星导航系统兼容的终端。用户终端的基本任务是完成导航、定位、测速、授时、短信和位置报告等项工作。传统的北斗用户终端设备在完成rdss业务时，需要采用北斗用户机智能卡、北斗智能卡槽电路、北斗智能卡座等部件；结构复杂，一般仅能完成普通的北斗短报文通信，而且北斗智能卡物理部件的安全保密性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种北斗软卡用户终端设备，以解决现有北斗用户终端设备设备型谱单一，结构复杂，功能不完善，保密性能差、北斗智能卡损坏及丢失等问题。

本发明的目的之二是提供一种北斗软卡用户终端系统，以可靠、稳定、快速地提供北斗通信（短信、定位和授时）服务，使北斗软卡用户终端设备安全性高、保密性强地完成北斗rdss业务。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种北斗软卡用户终端设备，包括天线单元、射频单元、rdss单元、信息处理与接口单元以及电源单元，在所述rdss单元中嵌入有至少一张北斗软卡；所述北斗软卡是以数据方式表示现有北斗智能卡中的信息和时效信息，并且将这些信息加密、注入北斗软卡用户终端设备的flash闪存中。

现有北斗智能卡中的信息包括用户信息和加密算法等。

一种北斗软卡的编制及存储方法，包括如下步骤：

（1）将北斗用户信息、加密算法以及时效信息采用二进制的方式进行编码，形成二进制信息；

（2）对编码后的二进制信息进行自定义加密；

（3）自定义加密后的二进制信息存放注入到北斗软卡用户终端设备的电可擦可编程的存储器中，即flash闪存中。

所述北斗软卡信息的注入方式包括有线注入方式、无线注入方式或远程注入方式；所述有线注入方式是使用pc机通过北斗软卡用户终端的rs-232接口注入；所述无线注入方式是使用移动设备通过北斗软卡用户终端设备的蓝牙或wifi通信接口注入；所述远程注入方式是使用北斗空中通信信道通过北斗短信注入。

一种北斗软卡的使用方法，包括如下步骤：

（1）接收卫星广播信息，提取勤务段、数据段信息；

（2）提取北斗标准时间和设备存储时效信息；

（3）提取flash中加密的用户信息并解密；

（4）判定时效信息，有效时转到步骤（7），无效时，顺序执行步骤（5）；

（5）向授权系统返回信息；

（6）删除认证信息，返回到步骤（2）；

（7）选择响应分帧；

（8）用户终端设备发出入站申请；

（9）北斗短报文长度、分帧号送到基带，基带再将报文送交北斗软卡核心算法按密钥进行北斗信源加密；

（10）crc校验错误、频度抑制或入站抑制时，返回到步骤（1），否则执行步骤（11）；以及

（11）入站发送北斗短信。

一种多张北斗软卡的轮循方法，多张北斗软卡共享一个发射通道，在一个通信频度内，n张北斗软卡按时序向发射通道推送北斗短信；

n＝int((maxp)/av)；

maxp＝max{p1,p2,…,pi,…,pn},其中，i=1,2,…,n；

av为单张北斗软卡的使用时间，包括初始化时间；pi为第i张北斗软卡的使用频度；

使用第1张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；

使用第2张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；

按自然数序列的顺序，依次使用到第n张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；从而完成对用户信息的遍历，完成一个通信频度的北斗入站通信。

一种北斗超长报文的传输方法，采用握手传输机制将北斗超长报文自发信方发送至收信方，其中，所述发信方为发送北斗超长报文的北斗软卡用户终端设备，收信方为接收北斗超长报文的北斗软卡用户终端设备。

所述握手机制包括如下步骤：

第一次握手：发信方向收信方发送两个连接的北斗短信，第一个连接请求北斗短信含文件名、分包数，第二个连接请求北斗短信含发信方使用的北斗用户卡id号，等待回应；

第二次握手：收信方收到发信方连接请求北斗短信后，如若收信方当前处于空闲状态，将请求北斗短信放入到自己的握手队列，并将请求北斗短信发回到发信方；如若处于正在与其他北斗软卡用户终端设备进行北斗超长报文通信的繁忙状态，则将请求北斗短信放入到自己的未连接队列，并向发信方发送拒绝握手信息；

第三次握手：发信方收到收信方返回的北斗短信后，如果收信方同意建立连接，则持续发送分包号及分包数据给收信方；如果收信方拒绝建立连接，则等待收信方工作完毕并进行相关提示；

第四次握手：收信方持续接收分包，当最后分包接收完后，返回丢包的分包号或接收完毕标志；以及

第五次握手：发信方收到接收完毕标志后，结束发送；否则，按照收到丢包的分包号进行补包发送，最多持续补包三次。

本发明的目的之二是这样实现的：

一种北斗软卡用户终端系统，包括：

北斗软卡用户终端设备，用于完成rdss通信，在其内嵌入有至少一张北斗软卡；所述北斗软卡是以数据方式表示现有北斗智能卡中的信息和时效信息，现有智能卡中的信息包括用户信息和加密算法；

北斗读卡器，用于读取所述北斗智能卡中的用户信息及加密算法；以及

北斗软卡管理系统，用于完成对北斗软卡整个生命周期的管理。

所述北斗软卡用户终端设备包括天线单元、射频单元、rdss单元、信息处理与接口单元以及电源单元，在所述rdss单元中嵌入了北斗软卡及核心算法；所述北斗软卡是以数据方式表示现有北斗智能卡中的信息和时效信息，而且将这些信息加密并注入北斗软卡用户终端设备的flash闪存中。

所述用户信息包括用户id、入站地址、专用初相、服务频度、通信等级、保密标志、永久关闭指令、用户特征值及用户认证信息。

所述北斗读卡器包括北斗智能卡槽电路、单片机及外围电路、ttl转usb及外围电路和北斗智能卡座；在使用时，采用usb接口连接读卡器和pc机，将北斗智能卡插入北斗智能卡座，通过pc机中读卡软件读取北斗智能卡中的用户信息及加密算法。

所述北斗读卡管理系统中北斗软卡的整个生命周期包括北斗软卡的生成、注入、空中动态分配、远程关闭和注销。

北斗软卡的生成包括采用北斗读卡器读取用户信息和加密算法，或者直接在相关管理部门领取数据形式的北斗用户信息和加密算法。

北斗软卡的生成还包括将北斗软卡的信息注入到所述北斗软卡用户终端设备，所述北斗软卡的信息注入方式包括有线注入方式、无线注入方式或远程注入方式；所述有线注入方式是使用pc机通过北斗软卡用户终端的rs-232接口注入；所述无线注入方式是使用移动设备通过北斗软卡用户终端设备的蓝牙或wifi通信接口注入；所述远程注入方式是使用北斗空中通信信道通过北斗短信注入。

北斗软卡的生成还包括生成北斗时效信息，所述时效信息包括服务时效和工作类型；所述时效信息包括服务时效和工作类型；所述服务时效是指用户享受的有偿服务期限，在服务期限内可以发送及接收北斗短信；所述工作类型包括全天候工作和按时段工作两种方式；所述全天候工作不受时间限制，随时可以发送北斗短信；所述按时段工作受时间限制，在一系列工作时间的节点或节点区间发送北斗短信。

所述空中动态分配包括对于用户信息、加密算法以及时效信息的空中动态分配，用于调整或分配北斗信道资源。

北斗软卡的注销包括自毁或永久关闭，当北斗软卡接收到北斗软卡户终端设备的“自毁”指令，或接收到中心控制系统发出的“永久关闭”指令后，远程销毁存储在flash中的北斗软卡用户信息、加密算法及核心软件。

本发明采用以数据方式表示用户信息、加密算法及时效信息等的北斗软卡取代传统的北斗用户机智能卡，并且在北斗软卡用户终端设备中嵌入一张或多张北斗软卡，既能完成北斗短报文通信，又能实现北斗超长报文通信，提高了北斗软卡的保密性能和使用效率，增强北斗用户终端设备的稳定性和可靠性，扩大北斗用户终端设备的应用范围，甚至为走出国门提供一种崭新型谱的实用产品。

本发明的北斗软卡用户终端设备及系统更加安全、稳定、可靠，型谱更为多样化，填补了空白，还极大地节省北斗通信的信道资源，应用前景广阔。

附图说明

图1是北斗软卡用户终端设备的原理图。

图2是北斗软卡的使用方法原理图。

图3是北斗软卡用户终端系统的工作原理图。

图4是北斗读卡器的原理图。

具体实施方式

如图1所示，北斗软卡用户终端设备1是采用嵌入北斗软卡的虚拟北斗智能卡技术，实现北斗rdss通信的一种新型的北斗用户终端设备。北斗软卡用户终端设备1在物理结构方面使用注入终端设备内部的软件用户信息，采用虚拟的、“无形”的北斗智能卡即北斗软卡，替代传统的北斗智能卡槽电路、北斗智能卡座及北斗智能卡等“有形”的北斗智能卡部件，实现北斗rdss通信，并包括信道和信源的安全保密功能。

具体地，北斗软卡用户终端设备1在整机组成方面，包括天线单元11、射频单元12、rdss单元13、信息处理与接口单元14及电源单元15等部分，没有传统的北斗智能卡槽电路、北斗智能卡座及北斗智能卡等“有形”的北斗智能卡部件。

天线单元11位于设备最前端，用于通过无线电信号与北斗geo卫星通信（短信、定位、授时等），分为北斗接收天线和北斗发射天线两部分。北斗接收天线即s频点接收北斗卫星发射的电磁波信号并转换成电流信号，将此微弱的小信号送入射频单元；北斗发射天线即l频点将来自射频单元的电流信号转换成电磁波，上行至卫星转发，再落地到地面控制中心。

射频单元12位于天线单元和rdss单元之间，用于信号的变频和放大，在其内设置有射频芯片，分为接收和发射两个通道。接收通道用于将来自天线单元的电流信号经过低噪声放大器放大然后由1615.68mhz下变频到中频，经过模拟数字转换后送入rdss单元。发射通道用于将来自rdss单元的数字域信息比特流调制成bpsk信号，由中频上变频到2491.75mhz，经过功率放大器放大到30w，送到北斗发射天线。

rdss单元13位于射频单元12和信息处理与接口单元14之间，用于实现rdss通信，其是在基带芯片内嵌入了北斗软卡及核心算法，分为接收和发射两个部分。接收部分用于对出站信号进行伪码捕获、跟踪、解扩、解调、译码等，然后将解调后的信息码以及其他一些状态数据送入信息处理单元与接口单元；发射部分用于将信息处理与接口单元要发射的信号进行差错控制编码和扩频处理，在数据帧前部加上同步头、精跟、帧标志，组成待发射的入站数字域信息比特流信号，送射频单元发射。

信息处理与接口单元14与rdss单元13相接，用于衔接设备与用户间的通信信息处理及自定义格式的数据处理，由串行接口、接口模块、主控mcu模块及数据处理模块组成，接口模块分别与串行接口和主控mcu模块相连接，包括出站和入站两个部分。出站部分用于提取相关的广播信息，分帧号，时差数据，同时按出站协议格式要求，在出站信息中解析出用户专用信息（通讯、定位、授时），信息在北斗软卡中实现解密，再按照用户机数据接口要求的将数据通过串口发送给用户。入站部分用于接收到串口发来的用户的入站请求，获得必要的信息，与北斗软卡进行通讯获得身份认证码，对于通讯信息同时还需要对信源进行加密。根据入站协议格式要求进行组帧成形，写入rdss单元。

电源单元15是一个独立的供电单元，与信息处理与接口单元14相连接，用于向北斗软卡用户终端设备提供稳定的工作电源。电源单元15包括用于管理并形成各种稳定电压电源的电源管理模块及用于外部宽幅供电的电池/电源适配器。

北斗软卡用户终端设备在设计原理方面，通过调用虚拟的北斗软卡信息来实现北斗rdss服务，北斗通信原理及信源加密机制没有被改变。北斗软卡以数据方式表示现有北斗智能卡中的全部信息和时效信息，现有北斗智能卡中的全部信息包括但不限于用户信息、加密算法。用户信息、加密算法和时效信息等按照自定义的方法加密，并嵌入北斗软卡用户终端设备的flash闪存中。

北斗软卡的编制及储存方法包括：将北斗用户信息、加密算法以及时效信息等采用二进制的方式进行编码，形成二进制信息；对编码后的二进制信息进行自定义加密；自定义加密后的二进制信息存放注入到北斗软卡用户终端设备的电可擦可编程的存储器中，即flash闪存中。可以采用有线方式或无线方式将自定义加密后的二进制信息注入到flash闪存中，也可以通过北斗空中信道远程注入到flash闪存中。同时，当北斗软卡接收到北斗软卡户终端设备的“自毁”指令，或接收到中心控制系统发出的“永久关闭”指令后，自动销毁存储在flash中的所有用户信息、加密算法及核心软件。

在北斗软卡的嵌入数量方面，北斗软卡用户终端设备可以十分方便地嵌入一张或多张北斗软卡，则根据北斗软卡用户终端设备中嵌入的北斗软卡数量，在设备型谱方面划分为单卡机和多卡机。当将单张北斗软卡嵌入北斗软卡用户终端设备时，可实现与传统的北斗用户终端设备一致的北斗短报文通信；当将多张北斗软卡嵌入北斗软卡用户终端设备时，可实现单射频通道多卡轮循的北斗超长报文通信，一般情况下，超长报文是指大于北斗软卡通信等级所容纳的字节数、小于30kbit字节数的文件。通过对北斗软卡的管理还可以节约北斗通信信道。

如图2所示，一种北斗软卡的使用方法，包括如下步骤：

（1）接收卫星广播信息，提取勤务段、数据段信息；

（2）提取北斗标准时间和设备存储时效信息；

（3）提取flash中加密的用户信息并解密；

（4）判定时效信息，有效时转到步骤（7），无效时，顺序执行步骤（5）；

（5）向授权系统返回信息；

（6）删除认证信息，返回到步骤（2）；

（7）选择响应分帧；

（8）用户终端设备发出入站申请；

（9）北斗短报文长度、分帧号送到基带，基带再将报文送交北斗软卡核心算法按密钥进行北斗信源加密；

（10）crc校验错误、频度抑制或入站抑制时，返回到步骤（1），否则执行步骤（11）；以及

（11）入站发送北斗短信。

采用嵌入一张北斗软卡的单卡机实现传统北斗短信通信的方法包括如下步骤：

（i）发信方：

接收北斗卫星广播信息，提取响应分帧、北斗标准时间等信息；

入站抑制、频度抑制时，转等待下一个响应分帧；

提取flash中加密的用户信息和时效信息并解密；

时效信息无效时，此条北斗短信不予发射，并向管理系统返回响应信息；

北斗短报文长度，内容及分帧号等送到基带，基带再将报文送交北斗软卡加密算法按密钥进行北斗信源加密；

crc校验错误时，转等待下一个响应分帧；

入站发送北斗短信。

（ii）收信方：

接收卫星广播信息；

提取flash中加密的用户信息和时效信息并解密；

判断是否属于本机的接收id、通播id，及设备时效信息是否有效；

如果属于且有效，则接收北斗短信；

如果不属于或无效，则转到接收下一时刻的卫星广播信息。

多卡机是在一个射频通道的基础上，通过多卡轮循，在一个通信频度内最大化北斗软卡资源，利用握手机制，逐个通过北斗短报文通信，完成北北斗超长报文的发送与接收工作。采用多卡机实现北斗超长报文通信，即采用一种多张北斗软卡的轮循方法，按时序在一个通信频度内使用全部北斗软卡，通过多个频度的循环即多个北斗短信通信的积累来实现北斗超长报文通信。通常情况下，传输时间小于t：

t＝int(c×(2+w/78.5)/n)；

其中：t为超长报文传输时间，单位为分钟；w为文件压缩后的字节长度，单位为kbit;c为常数，取值为1.5，单位为分钟/kbit；n为北斗软卡数量。

n＝int((maxp)/av)；

maxp＝max{p1,p2,…,pi,…,pn},其中，i=1,2,…,n；

av为单张北斗软卡的使用时间，包括初始化时间；pi为第i张北斗软卡的使用频度；

使用第1张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；

使用第2张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；

按自然数序列的顺序，依次使用到第n张北斗软卡的用户信息，向发射通道推送北斗短信；从而完成对用户信息的遍历，完成一个通信频度的北斗入站通信。

具体包括如下步骤：

（i）发信方

采用压缩技术处理超长报文，因此其格式不受限制，如word文档、文本文档、图片等；

将压缩后的超长报文视为一个二进制数据流，将其切割成若干个数据包，除最后一包外，每个数据包的长度为北斗软卡通信等级所容纳的字节数；

利用北斗短信通信的方法与收信方通信，实现握手；

将这些数据包利用北斗短信通信的方法逐个发送到收信方；

按照收信方的要求进行补包；

接到收信方文件还原不成功指令，重新与收信方握手；

成功则本次超长报文传输完毕；

（ii）收信方

利用北斗短信通信的方法与发信方通信，实现握手；

按握手机制与进行握手；

利用北斗短信通信的方法逐个接收数据包；

向发信方提出补包申请；

获得全部、正确地数据包后，合成数据包为一个完整的二进制数据流，通过解压的技术对二进制数据流解压缩，从而还原成发送前的超长报文；

文件解压不成功，向发信方提出重新握手申请；

成功则向发信方发送文件还原成功信息，本次文件接收完毕；

在握手机制下，传输成功率为100%。

在该方法中采用握手传输机制将北斗超长报文由发信方的北斗用户终端设备发送到收信方的北斗用户终端设备。在握手传输机制中，第一次握手：发信方向收信方发送两个连接的北斗短信，第一个连接请求北斗短信含文件名、分包数，第二个连接请求北斗短信含发信方使用的北斗用户卡id号，等待回应。第二次握手：收信方收到发信方连接请求北斗短信后，如若收信方当前处于空闲状态，将请求北斗短信放入到自己的握手队列，并将请求北斗短信发回到发信方；如若处于正在与其他北斗软卡用户终端设备进行北斗超长报文通信的繁忙状态，则将请求北斗短信放入到自己的未连接队列，并向发信方发送拒绝握手信息。第三次握手：发信方收到收信方返回的北斗短信后，如果收信方同意建立连接，则持续发送分包号及分包数据给收信方；如果收信方拒绝建立连接，则等待收信方工作完毕并进行相关提示。第四次握手：收信方持续接收分包，当最后分包接收完后，返回丢包的分包号或接收完毕标志。第五次握手：发信方收到接收完毕标志后，结束发送；否则，按照收到丢包的分包号进行补包发送，最多持续补包三次。

如图3所示，本发明还提供了一种北斗软卡用户终端系统，包括北斗软卡用户终端设备1、北斗读卡器2及北斗软卡管理系统3。

北斗软卡用户终端设备1的结构及使用方法与前述相关部分类似，主要包括天线单元11、射频单元12、rdss单元13、信息处理与接口单元14以及电源单元15等部分。北斗软卡用户终端设备的主要作用是完成北斗rdss短报文的通信、定位、授时等功能，如果在北斗软卡用户终端设备中嵌入了多张北斗软卡，则还可以实现北斗超长报文的通信。

北斗读卡器2用于读取所述北斗智能卡中的用户信息及加密算法，如图4所示，北斗读卡器2主要包括北斗智能卡槽电路21、单片机及外围电路22、ttl转usb23及外围电路、北斗智能卡座等部分。在使用时，采用usb接口连接读卡器和pc机，将北斗软卡插入北斗智能卡座，通过pc机中读卡软件读取北斗软卡中的用户信息及加密算法。

北斗软卡管理系统用于完成对北斗软卡整个生命周期的管理，包括北斗软卡的生成、注入、空中动态分配、远程关闭等部分，其采用北斗读卡器获取北斗智能卡的相关信息，并完成北斗软卡的生成、注入、空中动态分配、远程关闭和注销等管理。

北斗软卡的生成包括采用北斗读卡器读取用户信息，或者直接在相关管理部门领取数据形式的北斗用户信息。北斗用户信息包括但不限于用户id、入站地址、专用初相、服务频度、通信等级、保密标志、永久关闭指令、用户特征值、用户认证信息等。

北斗软卡的生成还包括北斗软卡信息的注入、生成时效信息等，北斗软卡的管理包括用户信息、加密算法及时效信息的空中动态分配、远程关闭及注销等。北斗软卡的注入包括但不限于以下三种注入方式：有线注入方式：使用pc机或称加注枪，通过北斗软卡用户终端的rs-232接口注入；无线注入方式，即使用移动设备，通过北斗软卡用户终端的蓝牙或wifi通信接口注入；远程注入方式，即使用北斗空中通信信道，通过北斗短信注入。

北斗时效信息包括服务时效、工作类型等信息。服务时效是指用户享受的有偿服务期限，在服务期限内可以发送及接收北斗短信，否则、不能发送或接收北斗短信。为了节约北斗信道的资源，将北斗用户按照工作类型划分为“全天候工作”和“按时段工作”两类，其中，全天候工作不受时间限制，随时都可以发送北斗短信；按时段工作则受时间限制，在一系列工作时间的节点或节点区间发送北斗短信，按时段工作的北斗用户就是本发明进行信道管理的对象。例如，某个工程项目的北斗用户有a、b两个，作为北斗数传机使用，每台设备都以10分钟为间隔发送一次北斗短报文。北斗用户a的北斗短报文发送时间节点为0分、10分、20分、30分、40分、50分，北斗用户b的北斗短报文发送时间点为5分、15分、25分、35分、45分、55分，如此就可以将一个北斗信道分配给两个用户使用。

北斗软卡的空中动态分配是根据北斗软卡管理的需要，统一调整和分配用户信息，包括时效信息。出于某种需要，可以重新调整或分配北斗信道资源，如通过北斗短报文即远程注入的方式改变北斗软卡用户终端设备的用户信息、加密算法及时效信息，从而实现北斗信道资源的空中动态分配。

北斗软卡的注销包括自毁或永久关闭等。出于某种需要，将北斗软卡用户终端设备永久关闭。北斗软卡的远程关闭是当北斗软卡接收到北斗软卡户终端设备的“自毁”指令，或接收到中心控制系统发出的“永久关闭”指令后，远程销毁存储在flash中的北斗软卡用户信息、加密算法及核心软件，进一步提高北斗软卡用户终端系统的保密性与安全性。

以上所述仅为本发明实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。