北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想及實(shí)踐

黃建華

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想及實(shí)踐

黃建華

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

導(dǎo)航電子地圖更新是北斗應(yīng)用要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。利用我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備RDSS與RNSS兼容的特性，提出一個(gè)RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想。設(shè)想充分利用北斗具備導(dǎo)航及信息服務(wù)一體化的功能，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸、實(shí)時(shí)更新。最后通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐充分驗(yàn)證該設(shè)想的可行性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);導(dǎo)航地圖;空間數(shù)據(jù)模型;短報(bào)文通信;數(shù)據(jù)更新

一、引 言

2011年，我國(guó)成功發(fā)射第10顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本系統(tǒng)建設(shè)完成。2011年年底，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式試運(yùn)行。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)集導(dǎo)航定位、授時(shí)、用戶監(jiān)測(cè)、短報(bào)文通信于一體，技術(shù)體制上有創(chuàng)新［1］。北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其兼容了RDSS與RNSS技術(shù)體制，實(shí)現(xiàn)了通信、導(dǎo)航、定位一體化服務(wù)。隨著北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的試運(yùn)行，它所具備的各方面優(yōu)勢(shì)將使其成為國(guó)內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用的首選［2］。

導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)的更新問(wèn)題主要有數(shù)據(jù)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)分發(fā)策略兩個(gè)方面。在多比例尺地圖數(shù)據(jù)更新的生產(chǎn)方面，D.Mioc等人從時(shí)空數(shù)據(jù)模型的角度，基于線Voronoi圖的拓?fù)涮匦越o出了地圖中變化的一種表示方法來(lái)形式化數(shù)據(jù)更新［3］;K.H.Anders等人給出了基于不同比例尺之間數(shù)據(jù)匹配和綜合的增量更新方法［4］;胡振龍和李霖等給出了以地理數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的地圖表達(dá)為基礎(chǔ)的增量更新制圖方法［5］;徐靜海和李清泉從時(shí)態(tài)GIS的角度給出了導(dǎo)航數(shù)據(jù)增量更新的方法［6］。而北斗系統(tǒng)具備的短報(bào)文通信功能為地圖數(shù)據(jù)更新的安全策略提供了一種可靠的機(jī)制。本文針對(duì)北斗用戶終端的導(dǎo)航系統(tǒng)地圖更新問(wèn)題，將北斗RDSS短報(bào)文通信功能融入到導(dǎo)航地圖更新的框架中，利用其較高的可靠性來(lái)傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新的關(guān)鍵性信息。本文基于北斗RDSS機(jī)制的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想主要包括導(dǎo)航地圖更新的數(shù)據(jù)模型、組織架構(gòu)，以及導(dǎo)航地圖更新業(yè)務(wù)流程等。該設(shè)想可充分利用北斗具備的導(dǎo)航、通信一體的功能，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸和實(shí)時(shí)更新。

二、傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型及更新

1.傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型

在傳統(tǒng)的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型中，面向用戶終端的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)更新最關(guān)鍵的就是導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)格式。早期車載導(dǎo)航儀在日本、歐美等國(guó)家普及率較高，導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式基本上以日本、歐美國(guó)家定義的數(shù)據(jù)格式為主流格式［7-8］。日本產(chǎn)業(yè)界形成了車載導(dǎo)航電子地圖的物理存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)Kiwi格式，該格式主要是日本各大汽車生產(chǎn)商、地圖供應(yīng)商、車載電子廠商共同研發(fā)的物理存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。歐美方面，歐洲以GDF為基礎(chǔ)形成了導(dǎo)航數(shù)據(jù)交換格式，NavteQ和TeleAtlas兩大導(dǎo)航數(shù)據(jù)生產(chǎn)商和一些歐美主要汽車生產(chǎn)商都有自己定義的車載導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式(如SDAL格式等)。目前，國(guó)內(nèi)外這些針對(duì)車載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的更新往往是采用光盤做整體替換，其實(shí)質(zhì)是一種數(shù)據(jù)替換。日本、歐美導(dǎo)航數(shù)據(jù)公司目前都在做更新方面的格式研究，如Kiwi+、GDF5.0等的研發(fā)，但是這些都還處于一種試驗(yàn)起步階段，真正成熟的產(chǎn)品級(jí)的動(dòng)態(tài)增量的導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)并未形成。因此，基于北斗RDSS及RNSS融合模式的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型更是一個(gè)需要認(rèn)真研究的問(wèn)題。

2.更新方式

在北斗終端用戶與導(dǎo)航信息服務(wù)中心之間往往需要保持導(dǎo)航數(shù)據(jù)的一致性。而在終端和服務(wù)中心之間保持?jǐn)?shù)據(jù)一致的更新方式主要有:整體更新、部分更新和增量更新3種方式。

1)整體更新:在整體更新方式下，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有需更新的數(shù)據(jù)記錄全部被更新替代。整體更新往往通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中一個(gè)新的包含整體更新內(nèi)容的更新操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2)部分更新:在部分更新方式下，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)記錄子集被更新替代。被更新替代的記錄形成一個(gè)邏輯單元，可以是一個(gè)更新區(qū)域或者一個(gè)建設(shè)街區(qū)。部分更新往往通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中一個(gè)新的包含對(duì)應(yīng)更新內(nèi)容的更新操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3)增量更新:在增量更新方式下，導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的一部分子集被更新。其實(shí)質(zhì)是新舊版本之間的變化量被更新。增量更新可以通過(guò)在關(guān)系表上執(zhí)行對(duì)應(yīng)的事務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在不同的更新情景下，采用的更新方式往往有區(qū)別。當(dāng)所有的導(dǎo)航數(shù)據(jù)需要更新時(shí)，往往上面3種方式都可以采用;當(dāng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)覆蓋的范圍增加時(shí)(如覆蓋范圍從一個(gè)省擴(kuò)充多個(gè)省)，往往采用部分更新方式;當(dāng)某一區(qū)域的導(dǎo)航數(shù)據(jù)有變化時(shí)，往往采用增量更新的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)更新。

三、北斗導(dǎo)航地圖更新設(shè)想

1.總體框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)筆者的設(shè)想，基于北斗RDSS的導(dǎo)航地圖更新主要分為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航終端和導(dǎo)航信息服務(wù)中心3個(gè)部分(如圖1所示)。整個(gè)框架的功能主要為:

圖1 北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新設(shè)想

1)導(dǎo)航終端用戶通過(guò)北斗RDSS通信，以短報(bào)文的形式首先向北斗指揮機(jī)分發(fā)更新指令，其主要包括以下內(nèi)容:用戶權(quán)限認(rèn)證、地圖更新版本控制、地圖數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼、地圖加密參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)主要包含數(shù)據(jù)量不大且安全性要求較高的一些信息，因而采用北斗的短報(bào)文方式發(fā)送。

2)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)響應(yīng)導(dǎo)航終端用戶的這些控制指令。而北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要基于北斗指揮機(jī)，也可基于北斗地面網(wǎng)絡(luò)形式。其中，北斗指揮機(jī)提供了基于RDSS方式的通信連接，可以監(jiān)收下屬北斗用戶終端的端對(duì)端的更新指令。

3)導(dǎo)航信息服務(wù)中心根據(jù)用戶的不同通信方式，通過(guò)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將用戶需要的地圖更新數(shù)據(jù)發(fā)送到導(dǎo)航終端。

2.北斗導(dǎo)航地圖更新數(shù)據(jù)模型

結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)RDSS與RNSS兼容的特征，設(shè)想給出的基于北斗的導(dǎo)航地圖更新的數(shù)據(jù)模型和傳統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)模型基本一致，但是加入了數(shù)據(jù)版本信息。一份導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)往往包含有不同的數(shù)據(jù)層(layer)［6］，并在不同的數(shù)據(jù)層下通過(guò)空間分割將數(shù)據(jù)分為不同的小塊(partition)。這種分割可以是一種不斷向下的分割，直到分割到滿足一定的制圖限制為止。由于這里給出的數(shù)據(jù)主要是面向更新的，因而在地圖數(shù)據(jù)中都具備一個(gè)版本數(shù)據(jù)(version)，該版本信息給出了數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上具備的一個(gè)屬性數(shù)值。而具有同一版本的數(shù)據(jù)在一個(gè)更新操作中是作為一個(gè)整體來(lái)實(shí)施的。在導(dǎo)航地圖更新中，更新(update)派生了兩種事件，一種是更新指令(update instruction)，其主要內(nèi)容是一些小數(shù)量的關(guān)鍵信息，并通過(guò)北斗RDSS方式傳輸;另一種是更新事務(wù)(update region)，主要包含一些更新數(shù)據(jù)，并通過(guò)一般條件的網(wǎng)絡(luò)(如3G、地面寬帶網(wǎng)等)來(lái)傳輸。

3.北斗更新指令結(jié)構(gòu)

更新指令數(shù)據(jù)主要是指北斗終端用戶在需要更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)北斗衛(wèi)星的短報(bào)文方式向信息中心請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)的指令數(shù)據(jù)。由于北斗衛(wèi)星具備比較可靠的通信功能，因而將更新中一些關(guān)鍵性信息形成更新指令數(shù)據(jù)可以避免一些公用網(wǎng)絡(luò)途徑中某些不安全因素對(duì)于導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新事件的干擾。更新指令數(shù)據(jù)主要包括:北斗用戶驗(yàn)證信息、坐標(biāo)加密方式、更新數(shù)據(jù)校驗(yàn)編碼、更新區(qū)域范圍、版本信息等數(shù)據(jù)。北斗更新指令結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 更新指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新的通信過(guò)程

北斗RDSS通信功能為導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新過(guò)程中的安全性提供了保障。筆者將一些安全性較高的控制指令性數(shù)據(jù)通過(guò)北斗RDSS的短報(bào)文的方式發(fā)送，其時(shí)序圖如圖3所示。

圖2 北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新通信流程

整個(gè)流程主要有以下幾步:①北斗終端有更新地圖的需求時(shí)，通過(guò)北斗RDSS的短報(bào)文向北斗衛(wèi)星發(fā)送更新指令，其中包含用戶授權(quán)信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)版本信息等;②北斗衛(wèi)星通過(guò)指揮機(jī)的管理調(diào)度服務(wù)器啟動(dòng)導(dǎo)航信息服務(wù)中心的導(dǎo)航更新服務(wù)，主要驗(yàn)證終端用戶的權(quán)限、比較查詢并生成相應(yīng)版本的更新數(shù)據(jù);③通過(guò)可用網(wǎng)絡(luò)對(duì)北斗終端用戶的實(shí)施導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新事務(wù)。

四、應(yīng)用實(shí)踐

基于上述北斗RDSS機(jī)制下導(dǎo)航地圖更新設(shè)想，筆者通過(guò)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)作了相關(guān)測(cè)試。應(yīng)用系統(tǒng)主要包括兩部分:北斗用戶終端導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用程序和基于北斗指揮機(jī)的導(dǎo)航信息服務(wù)中心。導(dǎo)航信息服務(wù)中心可為分布式的北斗用戶終端提供最新的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)和其他信息。導(dǎo)航信息服務(wù)中心的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)源服務(wù)器是基于XML和SOAP的Web服務(wù)技術(shù)架構(gòu)。筆者在此基礎(chǔ)上定義更新界面和調(diào)用地圖的中心服務(wù)器上的遠(yuǎn)程更新過(guò)程。不同版本的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分別由中心服務(wù)器上的Oracle 10g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和空間引擎ArcSDE進(jìn)行管理。原型系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)流程及本文提出的數(shù)據(jù)模型如圖3所示。

圖3 北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新實(shí)踐

五、結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了傳統(tǒng)的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型在數(shù)據(jù)更新及安全方面的不足，提出了基于北斗RDSS機(jī)制下的導(dǎo)航地圖更新方法設(shè)想;然后根據(jù)該設(shè)想，對(duì)整個(gè)基于北斗RDSS的導(dǎo)航地圖更新框架進(jìn)行了描述;最后，利用北斗指揮機(jī)構(gòu)建了一個(gè)包括導(dǎo)航信息服務(wù)中心及北斗用戶終端應(yīng)用軟件的應(yīng)用系統(tǒng)，并通過(guò)不同版本的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)作了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)更新設(shè)想充分利用了北斗具備的導(dǎo)航、通信一體的功能，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸、實(shí)時(shí)更新。通過(guò)對(duì)北斗導(dǎo)航地圖更新的研究探討，論證了北斗二代應(yīng)用模式有著不同于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)，特別是在提升導(dǎo)航應(yīng)用安全性方面，是其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的。

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The Envisagement of Navigation Map Updating Based on Beidou’s RDSS Mechanism and Practices

HUANG Jianhua

0494-0911(2012)05-0044-03

P228.4

B

2012-01-18

黃建華(1969—)，男，湖南江華人，博士，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究工作。