基于北斗短報(bào)文通信的應(yīng)用軟件管理與發(fā)布系統(tǒng)研究

曾亞　周琦　吳瓊

摘要：本文研究了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用特色，根據(jù)目前應(yīng)用比較成功的移動(dòng)應(yīng)用商店技術(shù)，針對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)先軍后民、跨平臺(tái)以及國(guó)產(chǎn)化自主可控的要求，提出了一個(gè)利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)終端用戶的唯一識(shí)別性進(jìn)行終端管理和北斗短報(bào)文通信的終端應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)，集終端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)、管理、發(fā)布和更新于一體，充分發(fā)揮北斗特有的短報(bào)文功能，滿足多種平臺(tái)下的北斗移動(dòng)終端設(shè)備中的應(yīng)用安裝和更新等需求和特種行業(yè)或者特殊情況下通信的需求。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；應(yīng)用軟件；短報(bào)文通信

中圖分類號(hào)：TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0097-04

1 研究背景

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BDS）是由我國(guó)自行研發(fā)且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。BDS除了具有通用GNSS的定位和授時(shí)功能之外，還具有的短報(bào)文通信的特有功能，是繼GPS和GLONASS之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS由衛(wèi)星、地面站、觀測(cè)站和用戶終端四部分組成。截止2017年底，BDS擁有25顆導(dǎo)航衛(wèi)星，已經(jīng)完全覆蓋亞洲地區(qū)，可以提供全天候的定位、通信、授時(shí)服務(wù)，其能力和GPS基本相當(dāng)，經(jīng)過(guò)差分信號(hào)后的定位精度達(dá)到米級(jí)，授時(shí)精度達(dá)十納秒（ns）級(jí)，完全滿足通用的導(dǎo)航定位等服務(wù)需求。2017年11月，我國(guó)開(kāi)始實(shí)施“北斗三號(hào)”系統(tǒng)建設(shè)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的總體規(guī)劃，計(jì)劃在2018年底前，BDS將為面向“一帶一路”沿線及周邊國(guó)家提供基本服務(wù)，到2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，可以為全球用戶提供服務(wù)。

從2004年首次啟用，BDS在軍事化和民事化應(yīng)用不斷推進(jìn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，尤其在2008年的汶川地震抗震救災(zāi)中，BDS全力保障了救災(zāi)部隊(duì)行動(dòng)，及時(shí)挽回了災(zāi)民的生命和財(cái)產(chǎn)。BDS可以說(shuō)在各行各業(yè)都取得了較大的影響和成就，但是，BDS的產(chǎn)業(yè)化能力還不足，在軍、民用方面推廣都不夠理想，和GPS的市場(chǎng)份額相比還有很大的差距。當(dāng)前，雖然各行各業(yè)用戶都根據(jù)自身行業(yè)特點(diǎn)和需求開(kāi)發(fā)了一些應(yīng)用系統(tǒng)，但是總體看起來(lái)，軟件分散、獨(dú)立，服務(wù)功能有限，缺乏統(tǒng)一的軟件平臺(tái)支持，并不能從根本上促進(jìn)BDS系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

2 能力及需求分析

2.1 北斗系統(tǒng)提供的主要能力

我國(guó)始終秉持和踐行“中國(guó)的北斗，世界的北斗”的發(fā)展理念，服務(wù)“一帶一路”建設(shè)發(fā)展，積極推進(jìn)北斗系統(tǒng)國(guó)際合作，為我國(guó)及周邊的地區(qū)提供定位及數(shù)據(jù)通信服務(wù)。在BDS出現(xiàn)之前，定位通信服務(wù)一般采用GPS定位加上移動(dòng)通信進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)時(shí)這種模式有很大的局限性，在沙漠或者叢林這樣的邊遠(yuǎn)地區(qū)，沒(méi)有移動(dòng)通信信號(hào)，一旦有人員或車輛發(fā)生故障后很難進(jìn)行有效監(jiān)控和救援。在BDS應(yīng)用之后，這一現(xiàn)象得到徹底解決，由于BDS具備位置信息服務(wù)和短報(bào)文報(bào)文服務(wù)雙重功能，使得全時(shí)域和全地域的服務(wù)成為可能。

預(yù)計(jì)到2020年前后，覆蓋全球的BDS全部建成，可在全球范圍內(nèi)全天候不間斷地提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，具體如下所述。

（1）短報(bào)文通信：最高傳送速度為120字節(jié)/秒。

（2）精度：定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。

（3）系統(tǒng)容納的最大用戶數(shù)：針對(duì)通信功能用戶容量是540000戶/小時(shí)，針對(duì)導(dǎo)航定位用戶沒(méi)有限制。

與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，BDS具有獨(dú)特的短報(bào)文通信能力，本文將挖掘其在應(yīng)用管理與發(fā)布系統(tǒng)中的通信服務(wù)能力，為終端應(yīng)用提供不間斷的通信服務(wù)。

2.2 報(bào)文通信機(jī)制

北斗系統(tǒng)用戶終端（下文簡(jiǎn)稱北斗終端）具有雙向報(bào)文通信功能，根據(jù)北斗用戶卡權(quán)限等級(jí)的不同，提供秒級(jí)～分鐘級(jí)的通信頻率。在常規(guī)通訊不可達(dá)的區(qū)域（如遠(yuǎn)洋、沙漠等）具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。通信原理如圖1所示。

北斗終端可以通過(guò)短報(bào)文相互通信，終端從屬于指揮機(jī)管理。終端之間可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，指揮機(jī)和終端之間可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多。BDS不支持終端之間組群通信，但是可以通過(guò)后臺(tái)模擬實(shí)現(xiàn)。同樣，如圖1所示的A群組內(nèi)部可以任意通信，如果想和B組內(nèi)終端通訊，必須經(jīng)過(guò)群組A內(nèi)的指揮機(jī)和B組內(nèi)的指揮機(jī)B之間進(jìn)行通信轉(zhuǎn)發(fā)，這些復(fù)雜的邏輯，可以通過(guò)后臺(tái)通信服務(wù)平臺(tái)提供統(tǒng)一的通信服務(wù)，從而使得終端用戶不需要了解后臺(tái)復(fù)雜的流程，這樣一來(lái)，必將更加有利于這一功能的推廣。本文研究的系統(tǒng)就是屏蔽了所有的BDS的短報(bào)文實(shí)現(xiàn)邏輯，為用戶提供統(tǒng)一的、邏輯簡(jiǎn)單的通信服務(wù)接口。

對(duì)于測(cè)繪行業(yè)或者軍事應(yīng)用，使用環(huán)境不會(huì)像民用那么的理想，更多的是面臨沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)情況，那么如何克服這種劣勢(shì)，或者如何利用有限的北斗短報(bào)文通信手段來(lái)滿足用戶需求，實(shí)現(xiàn)救援、告警、路書(shū)等具有特定應(yīng)用場(chǎng)景的服務(wù)，這個(gè)可以說(shuō)是個(gè)新的應(yīng)用研究方向。本文就是將BDS短報(bào)文應(yīng)用管理與發(fā)布平臺(tái)進(jìn)行深度融合，給通用和特殊行業(yè)應(yīng)用提供全地域的通信服務(wù)。

2.3 應(yīng)用管理與發(fā)布系統(tǒng)主要功能

體統(tǒng)提供終端軟件的開(kāi)發(fā)、上傳、下載、更新等功能，總體架構(gòu)如圖2所示。

針對(duì)應(yīng)用軟件的管理與部署需求，吸收網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用軟件管理思想，定制和設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。在服務(wù)端采用B/S設(shè)計(jì)模式，以門戶網(wǎng)站的形式提供應(yīng)用管理與發(fā)布服務(wù)，支持終端應(yīng)用的批量部署等操作。根據(jù)BDS授權(quán)的唯一用戶識(shí)別號(hào)來(lái)確定移動(dòng)終端的屬性，避免人為引起的錯(cuò)誤，所有移動(dòng)終端由平臺(tái)統(tǒng)一管理和調(diào)配使用。對(duì)終端和終端中的應(yīng)用程序軟件來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)不僅提供終端應(yīng)用管理客戶端和服務(wù)端的通信，還要提供基于北斗短報(bào)文形式的終端應(yīng)用和服務(wù)端的通信服務(wù)能力，比如為測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用提供遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集功能、為單兵應(yīng)用系統(tǒng)提供路書(shū)功能、為森林蟲(chóng)害防治提供蟲(chóng)害信息收集功能等等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

應(yīng)用管理與發(fā)布系統(tǒng)按照使用場(chǎng)景可以分為服務(wù)端（包括門戶網(wǎng)站）和移動(dòng)終端兩個(gè)部分，總體框架如圖3所示。

應(yīng)用軟件管理與發(fā)布系統(tǒng)提供開(kāi)發(fā)環(huán)境、開(kāi)發(fā)工具包、終端模擬器等，供設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)終端應(yīng)用軟件所用。設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)好終端應(yīng)用軟件后，必須根據(jù)平臺(tái)對(duì)終端軟件的設(shè)計(jì)規(guī)范打包好應(yīng)用并上傳，之后，開(kāi)發(fā)人員可以登錄統(tǒng)一的門戶網(wǎng)站查詢軟件狀態(tài)，待管理員審核通過(guò)后，移動(dòng)終端用戶才能夠通過(guò)應(yīng)用管理客戶端進(jìn)行應(yīng)用下載和使用。

3.2 服務(wù)端框架設(shè)計(jì)

服務(wù)端在架構(gòu)上采用由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成的多層框架結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)軟件和數(shù)據(jù)文件的管理，為了更好的適應(yīng)行業(yè)需求，還要求支持主流的商業(yè)和國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)；服務(wù)層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層負(fù)責(zé)系統(tǒng)與外部的交互，使用統(tǒng)一的API接口作為用戶的應(yīng)用界面。在通用的服務(wù)層，我們嵌入了BDS系統(tǒng)的短報(bào)文服務(wù)，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，組群，廣播等多種形式的消息通信基礎(chǔ)服務(wù)，屏蔽了BDS系統(tǒng)短報(bào)文的復(fù)雜邏輯，使得用戶使用起來(lái)簡(jiǎn)單易行。整個(gè)服務(wù)端的功能框架如圖4所示。

3.3 門戶網(wǎng)站設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用常用的三分欄式結(jié)構(gòu)門戶設(shè)計(jì)思路，使用導(dǎo)航來(lái)進(jìn)行分欄。門戶網(wǎng)站主要包括用戶、應(yīng)用和配置管理三個(gè)部分。界面框架設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.4 移動(dòng)終端框架設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端程序在架構(gòu)上采用和服務(wù)器端相同的框架結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)本地應(yīng)用和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)。為了更好的做到跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite來(lái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，為架構(gòu)化存儲(chǔ)提供了基礎(chǔ)（主要為了更好的存儲(chǔ)導(dǎo)航地圖等矢量數(shù)據(jù)）。服務(wù)層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯和接口訪問(wèn)。移動(dòng)終端的框架（以Android為例）如圖6所示。

其中UI層負(fù)責(zé)與用戶的交互，采用通用圖形庫(kù)中間件（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所）進(jìn)行設(shè)計(jì)，為終端應(yīng)用軟件的跨平臺(tái)提供了良好的支撐，實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)發(fā)，多平臺(tái)復(fù)用。使用這一中間件不僅大大減輕開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)不同終端平臺(tái)的工作量，而且能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)的顯示一致性。本文僅以安卓作為示例，實(shí)際工作中，我們已經(jīng)在WinCE和銳華國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上取得成功的驗(yàn)證。也就是說(shuō)，在安卓上開(kāi)發(fā)好的應(yīng)用，可以很容易的移植到WinCE平臺(tái)，且保證應(yīng)用在安卓終端和WinCE終端下界面顯示是完全一致的，做的和平臺(tái)無(wú)關(guān)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。

同時(shí)，為了兼容并充分發(fā)揮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的功能，本系統(tǒng)對(duì)消息推送服務(wù)做了定制，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通暢的條件下優(yōu)先使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在沒(méi)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的惡劣環(huán)境，諸如戈壁、沙漠、叢林等，自動(dòng)切換為北斗短報(bào)文通信機(jī)制，并且根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)度，對(duì)終端的應(yīng)用作了一些限制，比如在短報(bào)文通信模式下，將圖片傳輸關(guān)閉，真的要做到圖片傳輸也是可能的，只是體驗(yàn)效果太差，期待以后BDS系統(tǒng)能力提升后在增加多媒體的體驗(yàn)功能。

4 可行性驗(yàn)證

4.1 驗(yàn)證環(huán)境部署

驗(yàn)證環(huán)境包括北斗通信設(shè)備、服務(wù)端設(shè)備、終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施四個(gè)方面，驗(yàn)證環(huán)境示意圖如圖7所示。

其中安卓移動(dòng)終端是一臺(tái)具備收發(fā)北斗短信的移動(dòng)終端，其內(nèi)置北斗模塊，使用的北斗用戶卡是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中具有唯一識(shí)別號(hào)的身份卡，同時(shí)其還具備Wifi鏈路通信功能，用以測(cè)試其在Wifi信號(hào)可用和不可用時(shí)的終端通信功能。為了實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文服務(wù)功能，我們?cè)诜?wù)器端接入了一臺(tái)指揮機(jī)，服務(wù)器通過(guò)指揮機(jī)提供和終端通信服務(wù)。在Web端PC機(jī)上我們布置了通訊軟件的PC版本，使用服務(wù)器提供的通信服務(wù)和移動(dòng)終端進(jìn)行通信。

4.2 功能測(cè)試

開(kāi)發(fā)者用戶首先通過(guò)Web登錄系統(tǒng)，注冊(cè)一個(gè)新的用戶，該用戶必須由管理者審核通過(guò)后方有效。然后登錄系統(tǒng)，選擇適合的開(kāi)發(fā)環(huán)境和文檔并下載，根據(jù)平臺(tái)對(duì)終端的開(kāi)發(fā)規(guī)范在本地進(jìn)行終端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工作。為了驗(yàn)證短報(bào)文的通信功能，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的及時(shí)通信軟件“軍微通”，開(kāi)發(fā)完成后，打包上傳到服務(wù)器，經(jīng)平臺(tái)審核后通過(guò)后，使用移動(dòng)終端進(jìn)行下載使用，為了更好的完成驗(yàn)證，可同時(shí)在Web端部署桌面端“軍微通”，在服務(wù)器部署了“軍微通”服務(wù)。

對(duì)于上傳的終端應(yīng)用軟件，管理者通過(guò)應(yīng)用軟件審核及發(fā)布界面進(jìn)行應(yīng)用審核和發(fā)布。對(duì)于審核通過(guò)的應(yīng)用，管理者可以根據(jù)需要增加或者修改一些必要的發(fā)布信息，比如限制哪一類BDS終端用戶不可以訪問(wèn)等，然后將應(yīng)用發(fā)布到平臺(tái)，之后使用者才可以通過(guò)移動(dòng)終端中的應(yīng)用管理發(fā)布客戶端來(lái)查詢并且下載使用該軟件。

因?yàn)榻K端帶有北斗用戶卡，我們直接用用戶卡作為用戶名就可以了，此卡號(hào)在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中是唯一識(shí)別號(hào)，后臺(tái)會(huì)根據(jù)卡的屬性分配響應(yīng)的權(quán)限。

提交成功以后，用戶所屬平臺(tái)和關(guān)聯(lián)應(yīng)用，需要管理者根據(jù)用戶特征來(lái)指定，審核通過(guò)后，用戶才可以使用響應(yīng)的功能，這里我們將該用戶和軍微通關(guān)聯(lián)起來(lái)。

終端用戶通過(guò)應(yīng)用管理客戶端可以查看瀏覽自身權(quán)限范圍內(nèi)的應(yīng)用，找到前面上傳的軍微通app，下載安裝后運(yùn)行。

運(yùn)行后我們可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)在終端和PC端的即時(shí)通信功能，進(jìn)行圖片和文字的傳輸。關(guān)掉無(wú)線路由器，可以發(fā)現(xiàn)軟件提醒通信方式為北斗模式，此時(shí)只可以進(jìn)行文字通信，圖片傳輸功能被禁止使用。如果開(kāi)啟無(wú)線路由器，軟件將恢復(fù)到之前的狀態(tài)。從而驗(yàn)證在沒(méi)有數(shù)據(jù)鏈路的情況下，可以實(shí)現(xiàn)通信的無(wú)縫切換。

4.3 系統(tǒng)存在的問(wèn)題及分析

在進(jìn)行終端軟件通信測(cè)試時(shí)，當(dāng)通信模式切換為北斗模式時(shí)，消息延遲較大，用戶體驗(yàn)效果不佳，通過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)主要是兩個(gè)原因，一是北斗信號(hào)較弱，二是用戶卡的級(jí)別較低而導(dǎo)致消息延時(shí)大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)北斗導(dǎo)航領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)用需求，為了更好地滿足領(lǐng)域用戶多樣化導(dǎo)航等服務(wù)，提出了將基于BDS的短報(bào)文融入到終端應(yīng)用管理與發(fā)布系統(tǒng)中，提供無(wú)縫隙覆蓋的通信服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)BDS的領(lǐng)域應(yīng)用。

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