APRS(Automatic Packet Reporting System)自动包封数据通信报告系统 互联网, 计算机, 无线电, 爱好者, 去哪儿

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1 K( I8 j4 l9 f  @% e3 R+ }1992年，被称为“APRS之父”的美国爱好者Bob Bruninga, WB4APR在ARRL和TAPR数字通信会议第一次引入了APRS这个名称。初期的APRS是完全建立在传统业余无线电分组通信的基础上的。1999年美国爱好者Steve Dimse, K4HG引入了APRS第一个互联网的接口， APRS的传输媒介出现了无线分组通信和互联网两者共存的局面。从此，APRS软件和硬件迅速增加。2 q. V  k( H3 X( M9 K% l- `
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APRS允许业余无线电操作者迅速的将实时事件相关的数据发布出去，并在计算机上图形化的表示出来，它将无线电数据通信、全球卫星定位系统（GPS）、计算机和互联网有机的结合起来。不仅能提供位置跟踪、气象报告等常用的服务,而且在业余无线电应急通信(ARES)以及紧急遇险救援时发挥重要作用，不过正如APRS之父Bob Bruninga，WB4APR所说的，这些应用只不过是冰山一角，还有很多其他的APRS应用等待着我们去发现和实验。
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APRS系统是使用无线分组通信将数据发布出去的。在APRS中，电台使用无连接分组基于一对多进行数据发布，类似于广播电台和听众的关系。随着APRS的发展，现在APRS的设备大抵分为APRS节点、无线数字中继台（Digipeater）、APRS网关（IGate）、APRS服务器等。$ ?, B* o; y. Q& C* Y8 y
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APRS节点可以细分成几类。第一类是仅作发送的节点，比如，一个装在汽车上的不断发送经纬度数据的节点，一个不断发送气象信息的节点等。这种节点的构成包括数据源（GPS接收器、气象传感器等）、数据变换和处理器（即终端节点控制器TNC）和数据发送器（无线电发射机）。第二种是仅作接收的节点，一个连接互联网并运行APRS软件的计算机就是最简单的接收节点，在没有互联网接入的环境下，无线电接收机、TNC和单片机为核心的LCD显示器或者笔记本电脑也可构成接收节点。这种节点的构成包括数据接收器（互联网或无线电接收机）、数据变换和处理器（TNC或者声卡加软件）、数据显示设备（运行软件的计算机或者单片机为核心的LCD显示器）。第三种就是接收和发送节点的合一，一个连接GPS接收机、连接互联网并运行APRS软件的计算机，一个终端加TNC加收发信机（即典型的分包通信设备）都可以成为收发合一的APRS节点。# F8 X" [: d& M/ j/ q, Z

1 |6 D& z4 G( @0 l. E6 t5 w  _在运行AX.25协议的业余无线分包网络中，由于节点发射范围有限，远距离的数据传输需要用无线数字中继台（Digipeater）。无线数字中继台实际上就是一个分包通信节点，只不过它只负责转发AX.25分包数据，不产生或者最终处理数据。' U( B. c) g5 H

  E' u( c' r& f  _7 t) _$ [业余无线分包网络与互联网的互联由APRS网关（IGATE）完成。它承担无线分包网络的AX.25分组与互联网上的TCP/IP分组的转换与转发。正是通过APRS网关，我们才能够将无线电的作用发挥的更加淋漓尽致，将无线世界和互联网结合起来，相辅相成。/ n$ m" q6 p0 \' L8 X- V

1 A, M$ ?$ }) n9 A9 C! KAPRS服务器（SERVER）提供APRS的互联网直接接入。所有实时信息通过IGate传送到APRS服务器上，APRS服务器充分利用互联网资源，快速的将所有的实时数据转发给互联网上连接着它的客户端，通过网页的方式让任何支持java的网页浏览器来查看APRS活动。

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APRS系统的组成
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        APRS是一套系统，众多的APRS台站、中继、网关等节点就组成了APRS网络。! j: b/ n( ?  ~) P5 I
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        APRS的网络一般可以理解为由两个部分组成，其中一部分为电台射频网络（简称“APRS-RF”网络），另一部分为互联网服务网络（Internet Service，简称“APRS-IS”网络）。而电台射频网络和互联网服务网络又可以通过互联网网关（Internet Gateway，简称“IGate”）连接起来，实现各种台站信标、气象信息、短消息等数据的双向传递，从而形成一个大型的APRS数据传输网络。
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APRS电台射频网络（APRS-RF）
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APRS电台射频网络，主要是指由各种业余电台搭建并相互传输APRS数据的网络，该网络一般由数字中继和各种收发台站组成，这样传输形式的网络，既可以纯粹在若干个电台之间相互收发数据进行“脱网”使用，也可以通过互联网网关实现与APRS互联网服务网络的双向数据传输。: Y+ ?$ ?+ \+ s8 {) O
APRS数字中继是用来扩大APRS数据传输范围而专门在高处架设的一种数据中转设备，它一般由电台、天线、电源以及具有转发数据功能的电台终端节点控制器（Terminal Node Controller，即“TNC”）组成。数字中继的工作方式是，在收到电波中的APRS数据之后，进行解码、暂时存储和数据判断，识别数据是否要求被转发，如果该数据并未要求被转发，该数据将被丢弃；如果该数据要求被转发，则数字中继会待电波信道空闲后，将该收数据发送出去，并会在数据中加上数字中继自身的台站呼号以供识别。
3 r* _( \. B% |/ p2 a( C各种收发台站主要有固定台站和移动台站，它们的架构方式和数字中继有些类似，一般由电台、天线、电源、GPS以及TNC等组成，一些高级的电台并不需要外接TNC，因为电台在设计时已经将TNC内置在电台中，并能通过电台屏幕显示一些收发的APRS的信息，这类业余电台我们将它们称为“APRS电台”。此外，该类台站一般并不需要自身开启数据中转功能，所以使用的电台终端节点控制器并不完全需要有数据的存储和转发功能，即使有这些功能，一般也会处于禁用状态。
7 D9 N5 }, D' X. f固定台站即指长时间固定在某一位置的APRS台站，一般并不需要外接GPS天线来获取自身的坐标，只需写入固定的事先测量好的GPS坐标并向外发送即可，同时固定台站还可连接电脑，配合一些APRS软件在地图中显示接收到的各种台站，以详细了解其他台站的位置、气象信息，并可通过这样的搭建方式实现APRS短消息的收发。另外，如果将固定台站接入APRS互联网服务网络，就可将其搭建成一个互联网网关，实现两个网络间的数据传输。
& j/ }& K9 X* r/ P  {! O移动台站即指时常在移动的APRS台站，它们往往需要通过GPS接收机实时测量台站的坐标，并将包含自身坐标的台站数据通过电台发送出去，以实现位置报告。其中，一些内置TNC的APRS电台还可以在屏幕中直观地显示接收到的台站信息，并实现APRS短消息收发等功能。此外，如果利用线缆将TNC连接到一些支持NMEA0183输入输出协议并有地图显示功能的GPS接收机，则还可以将接收到的APRS台站在GPS的地图中以航点的形式显示出来，在直观了解其他台站位置的基础上，还可以进行导航等进一步的应用。
% G- a9 y0 C( YAPRS互联网服务网络（APRS-IS）
- U) B# M4 I0 K; x; @" o. _. f. ZAPRS互联网服务网络，是指利用互联网搭建成的一个庞大的APRS数据传输网络，该网络由核心服务器、枢纽服务器、二层服务器三种不同的服务器组成，这些服务器都是由爱好者们自愿提供的并无偿维护的。整个互联网服务网络所进行的通信是：不停地实时交换网络中的APRS实时数据，每个数据一旦被传输完毕之后就会被丢弃，整个网络并不会对这些数据进行存储。这三类服务器的连接方式如附图所示。* v3 c$ U$ n5 o2 R6 M! I
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核心服务器又称为“Core”服务器，它们是整个APRS互联网服务网络的核心，目前，整个网络中共有9个核心服务器，它们之间是以“两两互联”的形式进行连接的，以保证整个网络的稳定。
2 ?0 c6 g! U+ v2 E( D枢纽服务器又称为“Hub”服务器，它们是各个APRS二层服务器连接到核心服务器的枢纽。目前，整个网络中共有5个枢纽服务器。每个二层服务器都会固定连接到一个特定的枢纽服务器，而枢纽服务器与核心服务器之间的连接方式目前并不完全公开，以保证整个APRS互联网服务网络的安全与稳定。
1 Z* b6 R  `4 B  B; I2 \二层服务器又称为“T2”服务器，是APRS用户们平时接触最多的一种服务器，它们的登录域名均是“xxx.aprs2.net”的形式，并一般使用14580端口进行通信。通过登录二层服务器，用户既可以向APRS互联网服务网络中发送数据，又可以通过设置一些过滤规则有选择性地接收APRS互联网服务网络中的实时数据。因此，用户就可以通过手机、平板电脑、常规电脑等各种可以连接互联网络的终端设备实现APRS通信，并在APRS软件中显示接收到的台站信息。另外，一些终端设备还可以利用自带GPS接收机测量自身的坐标数据，并将位置报告通过APRS-IS网络发送出去，成为一个APRS移动台站；而如果利用线缆将终端设备连接上电台，则又可以将终端搭建成一个互联网网关，实现APRS-RF和APRS-IS两个网络之间的数据双向传输。
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    目前，在中国境内运行的APRS二层服务器共有三个，分别为杭州、福州、上海服务器，域名为hangzhou、fuzhou、t2xwt.aprs2.net，使用端口为14580。而大家所了解的“china.aprs2.net”则是一个动态域名，每当用户进行连接时，它会根据中国境内服务器的不同负载情况选择一个服务器供用户连接使用，以实现各个服务器之间的动态负载均衡，确保服务器状态良好。同理，若使用“aisa.aprs2.net”域名，就会在整个亚洲范围内以动态负载均衡的形式选择一个二层服务器供用户使用；而若使用“rotate.aprs2.net”则会在全世界的所有二层服务器中以动态负载均衡的形式选择一个进行使用。% x+ x6 r9 S, b- O+ }: ], N. y) B
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     数据传输路径及aprs.fi与APRS-IS的关系4 Z- b( N  b8 e2 s$ v
根据上述介绍，APRS网络体系的架构已经非常明朗，因此，一条APRS数据的传输路径就可以如下表示：! d2 H0 d  z6 C3 y4 H
APRS-RF至APRS-IS传递路径：电台台站 → 数字中继 → 互联网网关 → 二层服务器 → 枢纽服务器 → 核心服务器（网络广播）。
. h3 t- |" v6 O8 l& a( {APRS-IS至APRS-RF传递路径：核心服务器（网络广播）→ 枢纽服务器 → 二层服务器 → 互联网网关 → 数字中继 → 电台台站。
) H) U6 Y# H& O( d; M6 kAPRS-IS至APRS-IS传递路径：网络终端台站 → 二层服务器 → 枢纽服务器 → 核心服务器（网络广播） → 枢纽服务器 → 二层服务器 → 网络终端台站。/ q) W5 P4 ~+ S9 U& @
另外，大家所熟悉的aprs.fi、openaprs.net等具有地图显示台站等功能的网站，其实并不是APRS互联网服务网络体系的一部分，而是一种APRS-IS网络发展出来的一个终端服务产品，相当于一个在电脑中运行的APRS软件的角色。它们的工作原理是，从APRS的某个服务器中收取整个网络的实时数据，并利用自身另外架设的服务器进行APRS数据存储，然后通过对数据的分析实现在地图上的实时数据显示、历史数据查询、台站覆盖范围推测（PHG）、台站收听列表显示（Heard List）等各种强大的扩展功能供APRS用户使用。6 r5 U; ~: e0 N  X
【互联网网关（IGate）与数字中继（DIGIpeater）】1 K6 T0 F1 }- Q& N- `

( Q& n7 T7 f# O: h6 Q# e6 a互联网网关，即“Internet Gateway”（IGate），已在上文中涉及，在此不再赘述，或可参见笔者先前撰写的《APRS互联网网关的搭建》文章。数字中继，即“DIGIpeater”，已在上文中涉及，在此不再赘述。' U& y( G# {# O1 K8 D* p+ s; a
一般，在电台射频网络和互联网服务网络两个网络所组成的整个APRS网络体系中，数字中继和互联网网关往往是同时存在并运行的，因此要特别注意进行合理地规划。在一个特定的小范围地区，一般不建议架设一个以上的数字中继，以免两个以上的数字中继在接收到同一个APRS数据后发生同时转发的情况，造成电波的相互压制，最终导致数据包无法被成功解码而丢失；而互联网网关的架设，也要确保最起码能够有效解码当地的数字中继下行信号为前提。1 v& l# I9 H2 w. {( G5 k) b
因此，在整体的APRS网络体系中，数字中继和互联网网关的架设原则是：有高度且有网络的位置，尽量架设互联网网关；有高度但无网络的位置，则架设数字中继；无高度却有网络的位置，架设互联网网关，不架设数字中继；无高度又无网络的位置，则不架设任何设备。