BDS RDSS位置信息共享系統設計

高昆侖，杜 峰，王延昭

BDS RDSS位置信息共享系統設計

高昆侖1，杜 峰1，王延昭2

（1. 中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047；2. 河南省計量科學研究院，鄭州 450047）

為了克服當前主流智能終端位置共享的使用局限性，研究基于BDS RDSS體系架構的位置共享系統：提出一套基于BDS RDSS的位置信息共享系統技術方案；同時依據總體技術方案進行針對指控中心和用戶終端的詳細設計；并基于該技術方案設計相關應用軟件；最后搭建測試驗證系統。實驗結果驗證了技術方案的可行性，可為BDS在抗震救災、野外勘探、海上搜救及戰術協同指揮等領域的應用提供參考。

北斗衛星導航系統；短報文；衛星無線電測定業務（RDSS）；位置信息共享

0 引言

當前，智能手持型終端的位置共享[1]功能因其可以方便實現彼此之間位置的告知，而成為人們日常出行的重要協助工具。然而，現有終端的位置共享的實現必須依賴于衛星定位、公共移動通信網絡得以實現[2]。隨著人們活動區域的不斷擴展，公共移動通信網絡覆蓋的地域局限性也日漸突出。如在丘陵山區地帶，移動通信基站存在或多或少覆蓋盲區；而在遠海大洋、大漠深處、雪域高原及其他人跡罕至地區，基本不存在移動通信網絡。而且移動通信網絡極易受到自然或人為性因素的影響而造成通信不暢，如地震、臺風等自然災害造成的通信中斷，工程施工造成的主干線光纜損壞等。因而，公共移動通信網絡存在的局限性極大地影響了現有手持終端位置共享功能在特定時間、特定場合的使用。北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我國自行建立并運行的衛星導航定位系統，BDS區別其他衛星導航系統的一個顯著特點是能夠發送與接收短報文。基于BDS短報文通信的位置信息共享技術使得用戶終端的位置共享依托于衛星通信信道，從而擺脫地面公共移動通信鏈路的局限性，能夠很好地彌補現有位置共享服務技術體制存在的不足，使得用戶的位置共享服務不受使用時間和地域的限制，真正實現全區域和全天候的位置信息共享；進而拓寬了位置信息共享服務的應用領域和使用范圍，為抗震救災、戶外探險、野外勘探、海上搜救與聯合執法等諸多應用領域提供強有力的技術支撐。

1 BDS RDSS體系架構

BDS由3部分組成，分別是空間段、地面段和用戶段[3-4]。空間段由若干中圓軌道衛星、傾斜同步軌道衛星和靜止軌道衛星組成的混合導航衛星星座；地面段包含主控站、監測站和時間同步/注入站等若干功能地面站；用戶段包括兼容BDS信號的其他衛星導航模塊、芯片等基礎產品以及用戶終端、應用系統等。目前全球處于運營服務狀態的衛星導航系統，采用的定位模式主要有2種，分別是被動定位和主動定位[5]。我國北斗一號采用主動定位模式，北斗二號和北斗三號采用的是被動定位和主動定位相結合的定位模式。

1）被動定位，又稱無源定位，即所謂的衛星無線電導航業務（radio navigation satellite system, RNSS），就是用戶被動測量來自至少4顆導航衛星連續發送的無線電導航信號，并根據這些信號的不同傳輸時長來測算用戶到這些衛星的不同距離，然后由用戶計算得到自身的位置信息和運動速度。該模式也是目前國外大多數衛星導航定位系統采用的基本原理。相較于主動定位，被動定位的精度更高。

2）主動定位，又稱有源定位，即衛星無線電測定業務（radio determination satellite system, RDSS），地面中心站不間斷地經2顆地球靜止軌道導航衛星詢問是否需要定位。當用戶需要定位時，可分別經2顆地球靜止軌道導航衛星向地面中心計算出申請定位信號，地面中心站經過測量信號的往返時間計算出用戶到每顆衛星的距離，從而測算出用戶的位置信息，并經其中一顆衛星將定位信息發送給申請用戶。相比于被動定位，主動定位不僅可以知曉自身的位置，還可以告知其他人自己所處的位置。主動定位是我國BDS特有的技術體制。BDS RDSS功能在北斗一號得到驗證，并在北斗二號和北斗三號中得到繼承和進一步發展。目前基于BDS RDSS開發的應用系統已經被廣泛應用于不同的信息服務領域。

依托BDS RDSS通信信道不僅可以傳輸導航定位信息，而且還能傳輸其他用戶需要的信息，即所謂的短報文服務[6-7]。基于BDS RDSS的技術原理，針對每個用戶每一次的BDS RDSS服務功能，都需要至少2顆BDS靜止軌道衛星參與，同時由于BDS靜止軌道衛星數目有限，傳輸帶寬也有限，因此BDS RDSS不能像RNSS服務一樣被所有用戶全天候、無限制使用。為保證服務質量，BDS RDSS服務為申請認證授權服務，需要用戶申領BDS通信IC卡（integrated circuit card, IC）（類似于手機用戶SIM卡（subscriber identification module, SIM），才能實現RDSS功能。根據用戶的不同功能需求，BDS通信IC卡有普通用戶通信卡（簡稱用戶卡）和指揮型用戶通信卡（簡稱指揮卡）之分。用戶卡裝載于普通用戶終端中，能夠實現導航定位和短報文服務；指揮卡裝載于BDS指揮設備中，除具有普通用戶卡導航定位和短報文服務功能外，還具備對下屬用戶的通播和兼收功能。用戶卡與指揮卡的配置項如圖1所示。

圖1 BDS通信卡配置信息項目示意

用戶卡的配置項有本卡標識（identity, ID）和通播ID 2項信息。本卡ID是識別用戶的唯一身份標識，其他用戶可以就此ID號向對應用戶發送位置信息和短報文信息（類似于手機用戶手機號）；通播ID用于用戶接收廣播信息，向該ID號發送的廣播信息，用戶都可以收到。指揮卡的配置項除了具有本卡ID和通播ID之外，還具有下屬用戶ID配置項。與用戶卡通播ID不同，指揮卡通播ID還可用于發送廣播信息（用戶卡不可以發送廣播，只可以接收），指揮卡通過該通播ID發送的廣播信息，只要用戶卡通播ID與該指揮卡通播ID相同，用戶卡都可以接收到該廣播信息。指揮卡下屬ID是指該指揮卡下轄管理的所有用戶的本卡ID，可以配置添加多個用戶ID（市場上多數指揮設備可以支持200個下屬用戶，專用指揮設備可以支持多達5000個用戶），指揮卡可以兼收到下屬用戶的所有RDSS通信信息。

受限于BDS RDSS信道資源[8-9]，BDS RDSS發送數據的頻次和單次發送數據長度都有限制。BDS RDSS通信一次最多可傳輸120個漢字（單次短報文可傳輸有效數據1920 bit），服務頻度最高為1秒/次。以目前向民眾廣泛開放的通信卡為例，信息的發送頻次為1次/分鐘，可發送的單條信息長度為最長不超過60個漢字。

2 系統方案設計

系統采用星型拓撲結構，控制中心由服務器平臺和BDS指揮機組成，主要完成對下屬用戶終端位置信息的收集、處理、分發功能。用戶終端根據使用場景不同，設計有不同的結構形態，如手持型終端、車載型終端、船載型終端等類型。系統內所有的用戶終端都可以實現位置信息的共享服務。系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構

基于系統架構，指控中心應配屬BDS指揮卡，用戶終端應配屬用戶卡，根據BDS RDSS體系架構，申領配屬的指揮卡和普通用戶卡的隸屬關系信息如圖3所示。

系統指揮控制中心裝載BDS指揮卡，用戶終端裝載用戶卡。所有用戶卡作為指揮卡的下屬用戶寫入到指揮卡的下屬用戶卡ID信息配置項中，依托BDS指揮設備的兼收功能，以確保指控中心能夠及時獲取入網用戶終端的位置信息。將指揮卡的通播ID作為所有用戶卡的通播ID加以配置，利用BDS RDSS的通播功能，指揮設備能夠將獲取的入網用戶終端的位置信息以廣播的方式發送給所有在線用戶終端，從而實現終端用戶位置信息的共享服務。

圖3 系統通信卡配屬關系示意

2.1 指控中心系統設計

指揮中心由指揮控制計算機和BDS指揮型用戶機組成。指揮控制計算機通過串口（或網口）與BDS指揮機連接，可完成對下屬用戶機終端的監視、指揮、控制以及對下屬用戶位置信息的收集、處理、分發功能。BDS指揮型用戶機對外提供開放的軟件開發接口，以供用戶根據自身需要開發對應的應用軟件平臺。指控中心軟件平臺采用客戶端/服務器（client/server, C/S）架構，對外提供靈活開放的數據交互接口，以方便與其他信息系統的交互與融合。

2.1.1 指控中心軟件架構設計

指揮控制中心軟件平臺架構如圖4所示。

圖4 指揮中心軟件平臺系統架構

指揮控制軟件平臺由登錄用戶鑒權模塊、入網狀態監視模塊、用戶終端管理模塊、地圖顯示模塊、自定義信息發送模塊、兼收信息監視模塊及其他輔助工具模塊7個功能模塊組成。其中：用戶鑒權模塊主要完成登錄用戶認證、用戶賬號維護、用戶權限分配與管理等功能；入網狀態監視模塊完成對設備定位狀態、接收衛星波束及信號質量的實時監視功能；用戶終端管理模塊完成對下屬用戶的注冊添加與刪減，對下屬用戶的分組管理和對下屬用戶入網狀態的監視功能；地圖顯示模塊可根據下屬各個用戶上報的位置信息，以直觀的標注形式在地圖上顯示，地圖模塊可根據需要分別加載2維、3維地圖和其他地形地圖；自定義信息發送模塊主要完成對下屬用戶終端的短信息發送功能，能夠實現對下屬用戶的點對點信息發送和向所有用戶的廣播通信功能；兼收信息監視模塊主要完成對下屬用戶位置共享信息的申請服務的監視功能；輔助工具模塊主要完成地圖放大與縮小、測距、測量面積、位置標注以及地圖數據加載與更新等輔助功能。

2.1.2 指揮控制中心工作流程

指揮控制軟件平臺完成一次用戶位置信息共享申請的工作流程如圖5所示。

圖5 指控中心位置信息共享工作流程

基于BDS RDSS通信鏈路，指控中心收到下屬用戶位置共享請求后，依托BDS指揮設備的通播功能，向所有下屬用戶（包括申請用戶）以廣播的形式發送位置上報指令。指令發送完成后，指控中心開啟接收通道，進入數據接收周期，開始接收并記錄下屬用戶上報的位置數據。數據接收周期結束后，關閉接收通道。對收到的位置信息進行按照距離申請用戶位置的距離遠近，由遠及近依次排序。按照事先約定的數據幀格式打包，并將完整數據幀經BDS RDSS信道發送給申請用戶并開啟數據接收通道。申請用戶接收到該數據包后，對數據包加以解析并還原，以直觀的位置數據和地圖上標繪的方式展現給用戶。由于BDS RDSS信道容量有限，指控中心在響應某一用戶共享申請期間，如又收到其他多個用戶終端的位置共享申請，則指控中心不需要再次廣播位置上報指令，直接利用本次其他用戶位置數據分別組幀，依次向申請用戶發送臨近的其他用戶的位置數據，待響應完所有申請用戶后，指控中心再開啟數據接收通道。

2.1.3 位置共享數據包組幀設計

BDS RDSS通信一次最多可傳輸的字符長度有限，最長有效長度為120個漢字（隨著BDS衛星發射數量的增多，北斗三號短報文長度將大幅度擴容），每個漢字占用14位數據位，則單次短報文可傳輸有效數據120×14=1680 bit,1680÷8=210個字節，服務頻度最高為1秒/次。以目前定位精度10米級計算，經緯度坐標小數點后需保留4位數據。以原始數據乘10000的格式組幀（東經為正，西經為負值；北緯為正值，南緯為負值），一組經緯度坐標需占用6個字節（經度、緯度各占用3個字節）。再加上用戶卡ID號標識（2.5個字節）。按此方式計算，一條RDSS短報文最多可傳送的臨近用戶位置信息為210÷8.5=24組。

表1 BDS短報文位置信息組幀格式　　B

當系統較為龐大、用戶設備較多（位置信息大于24組數據）時，指控中心BDS指揮機一次不能將所有終端設備上報的位置數據一次發送給位置共享申請用戶。為此，指控中心需要將所有終端上報的位置信息進行計算處理，以距離申請用戶距離為度量，由近及遠依次排序。以一次最多可發送的終端位置信息個數為限，優先發送距離申請用戶最近的用戶位置信息。本次信息發送完畢后，如申請用戶對其他用戶的位置信息有進一步的需求，可向指控中心申請，由指控中心按距離最近為優先，順次發送其他用戶的位置信息，依次類推。

2.2 用戶終端設計

基于同一硬件電路原理，根據使用場景的不同，用戶終端的外觀結構形態可依據不同用戶的具體需求靈活設計，如便于人員攜帶手持型、便于車輛安裝的車載型、適應海洋船只使用的船載型等。用戶終端采用Android操作系統，基于裝載的支持BDS短報文的功能模塊，開發能夠實現位置信息共享功能的應用軟件（application, App）。由于硬件原理相同，因而位置信息共享App可適用不同結構類型的用戶終端。用戶終端應用軟件組成架構如圖6所示。

圖6 用戶終端應用軟件架構

用戶終端應用軟件由登錄用戶鑒權、入網狀態監視、位置信息服務、地圖顯示、自定義信息發送和其他輔助工具6個功能模塊組成。與指控中心應用軟件相比，除用于共享位置信息申請、接收、解析和顯示的位置信息服務模塊外，其余模塊二者基本雷同，在此不一一贅述。用戶終端完成一次位置信息共享申請的工作流程如圖7所示。

用戶終端開機入網后，啟用位置信息共享應用軟件。通過位置信息服務模塊中的位置共享申請向指控中心發送位置信息共享申請。指控中心收到下屬用戶位置信息申請后，以通播方式向所有在網終端發送位置上報指令。所有用戶終端（包括申請提交用戶）收到位置上報指令后，將自己的位置信息上報給指控中心。指控中心將在一個數據接收周期內接收到的用戶上報的位置信息整合處理，并按距離申請用戶由近及遠的次序依次組幀，并發送至申請用戶；用戶終端收到數據后，對數據進行解析還原，并以直觀標注的形式顯示在地圖界面中，從而完成一次位置信息共享工作。

圖7 用戶終端位置信息共享工作流程

3 系統測試與分析

為保證測試具有代表性和針對性，測試系統由指控系統若干用戶終端設備組成。其中指控系統由指控計算機和市場上主流成熟的BDS指揮機及其配套附件組成，指控計算機裝載有開發設計的指控中心應用軟件，并與BDS指揮機相連。BDS指揮機天線架設于空曠無遮攔位置，并與指揮機連接。測試用戶終端選用具有BDS RDSS通信功能的智能手持終端產品，并裝載對應的位置共享服務應用軟件。用戶終端分別放置于空曠無遮攔的室外測試場。由于BDS導航定位系統當前的定位精度為10 m，因此為保證測試結果的具有普遍代表性，BDS指揮機天線與各個用戶終端之間的彼此距離要大于10 m。

依據方案對通信卡的配屬要求，指揮機裝入指揮卡，用戶終端裝入該指揮卡的下屬用戶卡，將各個通信卡的通信號碼分別配置于相應軟件配置項中，并確保所有卡的通信頻次和發送短報文的最長數據長度與應用軟件相匹配。相關設備架設完畢并加電開機，開啟應用軟件，待設備啟動完畢并鎖定BDS衛星信號后，使用任一用戶終端發送位置共享申請，檢驗能否收到其他臨近用戶設備的位置信息，以檢驗位置共享功能。某一用戶終端申請位置共享操作后，收到共享位置信息。測試效果如圖8所示。

圖8 測試效果

指控中心監控平臺的主界面上方為菜單欄，可完成對系統和用戶終端的相關操控；左側為用戶終端顯示列表，可顯示系統中在線和離線的所有用戶，雙擊列表任意用戶，可彈出該用戶屬性配置對話框；下方為系統報告消息顯示窗口，可顯示系統所有的會話信息；右側為地圖顯示區，地圖顯示區的右上方有標準地圖與衛星地圖切換按鈕、測距按鈕、全屏顯示按鈕及搜索對話框；左下角有主動定位、電子羅盤、地圖放大與縮小按鈕。用戶操作軟件主界面左側工具按鈕自上而下分別為測距、測坡度、測面積、位置共享申請及指南針按鈕，地圖界面中小圓點為用戶自身位置所處地，旗幟圖標為該系統內入網在線的臨近其他用戶所處的位置。通過測試發現每一臺用戶終端設備都能夠接收到其他用戶設備的位置信息，即位置共享功能可實現，驗證了該技術方案的可行性。

4 結束語

本文針對當前主流智能終端位置服務技術體制，研究了該技術服務功能使用中的局限性。結合BDS RDSS服務功能和BDS系統體系架構，對基于BDS RDSS的位置信息共享系統方案做出設計。依據總體技術方案，對指控中心和用戶終端展開詳細設計。基于詳細技術方案，開發了相關應用軟件，并搭建了相應測試驗證系統。實驗結果證明了該技術方案的可行性，其能夠彌補現有智能終端位置共享服務的局限和不足，進一步拓展BDS的應用領域。文中只針對BDS RDSS的位置信息共享系統做了系統設計與方案測試工作，系統方案的工程化應用實現仍有較多的實際技術問題需要進一步研究，如位置信息組幀格式的更大優化和數據壓縮、位置共享實現的數據實時性問題等都成為下一步研究的內容。

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Design of location information sharing system based on BDS RDSS

GAO Kunlun1, DU Feng1, WANG Yanzhao2

（1. The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 450047, China;2. Henan Institute of Metrology , Zhengzhou 450047, China）

In order to overcome the use limitation in the location sharing of current mainstream smart terminals, the paper studied on the location information sharing system based on BDS RDSS architecture: the technological scheme was put forward, and the detailed design for the control center and user terminals was carried out according to the overall scheme, then related application software was developed; finally the test system was established. Result verified the feasibility of the proposed method, which could provide a reference for the application of BDS in the fields of earthquake relief, field exploration, maritime search and rescue, tactical coordination command and so on.

BeiDou navigation satellite system; short-message; radio determination satellite system (RDSS); location information sharing

TN927；TN871

A

2095-4999(2019)03-0057-06

2018-10-12

高昆侖(1986—)，男，河南南陽人，碩士，工程師，研究方向為衛星應用技術、計算機網絡與通信技術、電子信息系統設計與集成等。

高昆侖，杜峰，王延昭.BDS RDSS位置信息共享系統設計[J].導航定位學報,2019,7(3):57-62.（GAO Kunlun，DU Feng，WANG Yanzhao.Design of location information sharing system based on BDS RDSS[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):57-62.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190310.