【文章內(nèi)容簡介】 化工大學， 2022 [6] 宋戈 ． 基于 GIS 的移動目標定位與監(jiān)控系統(tǒng)． 上海交通大學， 2022 16 第二屆“北斗杯”全國青少年科技創(chuàng)新大賽優(yōu)秀作品（大學組） 科技小論文 基于北斗二代定位技術的移動導航客戶端設計 作者： 方 毅，丁 璐，武紅宇 指導教師： 袁修孝 （ 武漢大學遙感信息工程學院，湖北武漢， 430079） 【摘要】 本文針對即將建成的北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有的定位和特有的通信功能，設計了包含查詢?yōu)g覽、導航定位和用戶通訊功能的移動導航客戶端。并對其系統(tǒng)層次結構、功能模塊和用戶界面進行了詳細的介紹。同時對該系統(tǒng)的設計難點進行了分析，討論了如何對北斗數(shù)據(jù)進行糾正提高精度和如何實現(xiàn)路徑規(guī)劃。 【關鍵詞】 北斗二代導航、移動客戶端、 Android、路徑規(guī)劃 引言 2022 年以來，中國已成功發(fā)射了 7 顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”，建成北斗一號即北斗導航試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)雖存在缺陷，但它的研制成功標志著我國打破了美、俄在此領域的壟斷地位，并且它不僅能實現(xiàn)定位功能還具備 GPS 所不具備的通訊功能。 2022 年至今，我國又發(fā)射了 7 顆衛(wèi)星，北斗二號即北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的組網(wǎng)工作正在按計劃順利推進。第二代系統(tǒng)將克服一代系統(tǒng)覆蓋范圍小，定位精度低等缺點，同時繼續(xù)具備通信功能，成為國產(chǎn)的 GPS，為我國及周邊地區(qū)的我軍民用戶提供陸、海、空導航定位服務，促進衛(wèi)星定位、導航、收拾夫婦功能的應用，為航天用戶提供定位和軌道測定手段，滿足 武器制導的需要，滿足導航定位信息交換的需要。 即將建成的北斗定位系統(tǒng)不僅能完成 GPS 所能完成的工作，還具有通信功能。它具有收發(fā)的功能，不僅能解決我在哪里的問題，還能將信息傳給其他用戶。本文針對北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有定位和通訊功能的特點，進行了北斗二代定位技術的移動導航客戶端設計探討。 移動導航客戶端體系設計 移動導航的終端應該具有良好的移動性與便攜性，因此常選用嵌入式系統(tǒng)作17 為客戶端運行系統(tǒng)。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點及移動導航客戶端軟件的功能需求，其客戶端體系應該具有如圖 1 顯示的層次結構。 圖 1 客戶端層次結構 操作系統(tǒng)層 從移動導航客戶端軟件開發(fā)來看，系統(tǒng)平帶應該具備良好的圖形界面，模塊化、結構化的應用程序接口，豐富的驅(qū)動系統(tǒng)，完善的開發(fā)文檔支持。 WinCE 系統(tǒng)由于以上特點并且繼承了傳統(tǒng)的 Windows 圖形界面，同時具有傳統(tǒng) PC 系統(tǒng)相同的 Windows API，因此常被選用作為嵌入式終端的系統(tǒng)平臺。但選用 WINCE 系統(tǒng)，則需要向微軟公司繳納相應的授權使用費。近年來，由 Google 公司主導的Android 系統(tǒng)取得了蓬勃的發(fā)展。該系統(tǒng)基于開源代碼構建，同時具有良好的 HAL（ Hardware Abstraction Layer）、優(yōu)化的圖形庫、高效的虛擬機機制、以及其開源免費的特性，使得 Android 系統(tǒng)成為了廣大廠商的另一開發(fā)選擇?；谶@種趨勢，本例選用 Android 系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)平臺。 數(shù)據(jù)服務層 該層用于存儲移動導航客戶端的 GIS 數(shù)據(jù)。目前的解決方案主要分為兩種：一、利用現(xiàn)有的嵌入式 GIS 開發(fā)平臺進行二次開發(fā)；二、建立地理空間數(shù)據(jù)庫存儲道路交通信息。基于第一種方案，文獻 [1]提出了基于 eSuperMap 的嵌入式 GIS平臺的完整開發(fā)解決方案。而當需要自行設計空間數(shù)據(jù)庫時，主要利用包 括道路網(wǎng)幾何形狀、道路等級、道路特征、交通規(guī)則、地理邊界、興趣點與路標等與導航需求有關的信息來構建。這些數(shù)據(jù)可以大致分為道路網(wǎng)數(shù)據(jù)與非道路網(wǎng)數(shù)據(jù)兩大類。道路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括基本的道路網(wǎng)的地理數(shù)據(jù)以及道路交通信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有較強的拓撲關系。非道路網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括基本的地物信息（如河流、湖泊、邊界、鐵路等） 以及反映目的標識信息的地理數(shù)據(jù)（如居民區(qū)、學校、政府機關、醫(yī)院等） [2]。這兩種數(shù)據(jù)應該選用不同的方式進行存儲表達。對道路網(wǎng)數(shù)據(jù)應該采用圖的數(shù)據(jù)結構進行表達；而非道路網(wǎng)數(shù)據(jù)用關系表來表示，并且應建應 用 層地 圖 顯 示 路 徑 規(guī) 劃信 息 查 詢用 戶 通 訊地 圖 匹 配地 點 檢 索G I S 基 礎 數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù) 層G U I文 件系 統(tǒng)設 備驅(qū) 動系 統(tǒng) 庫嵌 入 式 系 統(tǒng) 內(nèi) 核系 統(tǒng) 層圖 1 客 戶 端 層 次 結 構18 立相應的索引 方便查詢。 核心應用層 該層主要向終端用戶提供移動導航功能。其主要功能應該包含查詢?yōu)g覽、導航定位、用戶通訊（如圖 2 所示）。查詢?yōu)g覽需要使用 GIS 空間數(shù)據(jù)查詢功能，能提供搜索地區(qū)周邊交通、服務信息查詢，并且能夠顯示地圖矢量數(shù)據(jù)；導航定位功能需要通過地圖匹配技術實現(xiàn)對北斗定位誤差的修正，同時用 Dijkstra 算法和 A* 算法 [1]等路徑分析算法實現(xiàn)路徑規(guī)劃，并當使用車載模式時以語音提示方式進行導航；用戶通訊模塊則依據(jù)用戶級別的不同，結合北斗系統(tǒng)具有短文通訊這一特色功能，分別對普通用戶使用網(wǎng)絡注冊 ID 驗 證通過客戶端服務商中轉(zhuǎn)服務器進行網(wǎng)絡互聯(lián)通訊，對高級用戶使用北斗用戶 ID 驗證通過北斗系統(tǒng)地面服務站進行衛(wèi)星專屬互聯(lián)通訊。 圖 2 北斗導航移動客戶端功能結構圖 客戶端主體功能模塊的設計 查詢?yōu)g覽模塊設計 該模塊主要用于完成數(shù)據(jù)庫中的地理信息數(shù)據(jù)的基本管理、導航過程中目的信息點的查詢、地圖數(shù)據(jù)的訪問與顯示。 ESRI 公司曾推出 ArcGIS Mobile 產(chǎn)品，基于該產(chǎn)品可以在 Windows Mobile 平臺開發(fā)豐富的 GIS 程序。目前，針對 Android平臺， ESRI 公司同樣推出了 ArcGIS API for Android beta 的 GIS 程序開發(fā)接口。因此可以利用該接口，在此基礎上進行二次開發(fā)從而實現(xiàn)查詢?yōu)g覽模塊的設計。在 Eclipse開發(fā)環(huán)境下，安裝 ADT（ Android Development Tool）插件與 ArcGIS Android API，就可以利用 ArcGIS Server 提供的 REST 接口進行二次開發(fā)。 Android 提供了ViewGroup 容器，而 MapView 是基于該容易的一個類。 ArcGIS Android API 中使用 MapView 作為地圖的容器。根據(jù) XML 定義布 局生成 MapView 對象并添加 一個ArcGISTiledMapServicesLayer，就能夠完成地圖顯示功能的設計。利用插件菜單中ArcGIS Project for Android 中的其他控件，則可以完成地理信息數(shù)據(jù)的查詢檢索功能。對于非二次開發(fā)的自行建立地理信息數(shù)據(jù)庫， Android API 則提供了創(chuàng)建和使用 SQLite 數(shù)據(jù)庫的支持。生成 SQLiteDatabase 對象就建立起一個基礎數(shù)據(jù)庫并包北 斗 系 統(tǒng)客 戶 端查 詢 瀏 覽 導 航 定 位 用 戶 通 訊圖 2 北 斗 導 航 移 動 客 戶 端 功 能 結 構 圖19 含與之交互的方法，生成、查詢和管理數(shù)據(jù)。 導航定位模塊設計 該模塊主要提供移動導航功能以及路徑規(guī)劃 功能。根據(jù)從北斗系統(tǒng)接收芯片得到的數(shù)據(jù)，計算出終端用戶的位置信息，并將該信息表達在地圖上匹配顯示，使用戶直觀地了解自己所處位置及運動方向等。同時根據(jù)路徑選擇算法為終端用戶自動實時計算最優(yōu)路徑。導航過程中，沿途的交通地理信息與生活信息也將實時地顯示在圖層中。在整個模塊設計中，對北斗定位結果數(shù)據(jù)進行加工處理以及自動進行路徑規(guī)劃是客戶端設計中的難點，后文將具體介紹這兩點的解決方案。 移動導航客戶端需要解決的首要問題是定位的實時性。首次定位時間（ Time To First Fix， TTFF）是衡量定位速度的一個關鍵參數(shù) [3]。北斗系統(tǒng)依然有著 GPS系統(tǒng)首次定位時間過長的問題。利用北斗系統(tǒng)的高精確定位特色，結合移動通信網(wǎng)絡的廣泛覆蓋并能夠提供基站定位服務的特點，發(fā)展而來網(wǎng)絡輔助全球定位系統(tǒng)可以解決這一問題。 基于網(wǎng)絡輔助的導航定位流程如圖 3 所示。當開始導航時，客戶端調(diào)用終端GSM 模塊向移動蜂窩網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)包，當附近的基站獲取數(shù)據(jù)信息時，網(wǎng)絡向移動終端提供包括各種定位輔助信息。利用這些信息，終端很快捕獲北斗衛(wèi)星信號，接受北斗衛(wèi)星測量信息。然后客戶端將測量信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給網(wǎng)絡中的定位服務中心 ，由服務中心基于測量信息解算用戶當前所出的位置。終端接受用戶所在地的地理信息后，客戶端迅速完成地圖匹配，實時顯示地圖與地物信息。同時根據(jù)一定的路徑選擇算法以及用戶自定義規(guī)則，給出最優(yōu)路徑。 圖 3 導航定位流程圖 定 位 結 果地 圖 匹 配信 息 查 詢地 圖 瀏 覽路 徑 規(guī) 劃網(wǎng) 絡 輔助 定 位G I S 數(shù) 據(jù) 庫導 航 定 位瀏 覽 查 詢圖 3 導 航 定 位 流 程 圖接 收 導 航數(shù) 據(jù)最 優(yōu) 路 徑 位 置 信 息20 用戶通訊模塊設計 該模塊為終端用戶提供即時通訊功能，并能為終端用戶提供聯(lián)機共享地理坐標服務。北斗二代導航系統(tǒng)區(qū)別于 GPS 導航系統(tǒng)的一大特點是其具有短文通訊功能?；诖斯δ?，北斗二代導航系統(tǒng)不僅能解決用戶自身的定位問題，同時還能將自身定位信息提供給其他用戶。由于北斗系統(tǒng)的短文服務是通過地面服 務站完成中轉(zhuǎn)的，因此這一服務有著客戶容量限制。北斗系統(tǒng)將根據(jù)用戶級別，優(yōu)先對高級用戶提供這一服務?；陬愃频脑?，本例中移動導航客戶端將根據(jù)用戶級別的不同設計 2 種不同的用戶通訊方式（如圖 4 所示）。當沒有建立連接時，終端用戶向目標用戶發(fā)生連接請求。然后客戶端根據(jù)用戶級別的不同采用不同的投遞策略：對普通用戶通過無線網(wǎng)絡將請求數(shù)據(jù)包投遞至客戶端服務商網(wǎng)絡中繼服務器；對高級用戶直接使用導航衛(wèi)星投遞至地面服務站。地面服務站或網(wǎng)絡中繼服務器解析請求數(shù)據(jù)包后，將請求數(shù)據(jù)包分別使用衛(wèi)星與無線網(wǎng)絡投遞至目標用戶。目標用戶接到 連接請求后，若確認則建立連接，否則本次請求失敗。建立連接后，用戶之間的信息通訊依據(jù)用戶級別的不同將分別使用衛(wèi)星 地面服務站、無線網(wǎng)絡 中繼服務器的方式進行連接傳遞。這用分級別的通訊策略有效地解決了北斗系統(tǒng)短文通訊用戶容量的問題。同時，高級別用戶通訊內(nèi)容安全性也因為避開了易被監(jiān)聽的無線網(wǎng)絡而得到保障。 圖 4 用戶一次通訊流程示意圖 發(fā) 送 通 訊 請 求高 級 用 戶是 否加 密 通 訊數(shù) 據(jù) 包加 密 通 訊 數(shù)據(jù) 包通 過 導 航 衛(wèi) 星投 遞 地 面 服 務站通 過 無 線 網(wǎng) 絡 發(fā)送 至 客 戶 端 服 務商 中 繼 服 務 器通 過 衛(wèi) 星 投遞 目 標 用 戶通 過 無 線 網(wǎng) 絡發(fā) 送 至 目 標 用戶否與 目 標 用 戶建 立 連 接發(fā) 送 加 密數(shù) 據(jù) 包是目 標 用 戶接 受 數(shù) 據(jù)包 并 解 密目 標 用 戶回 復 信息 、 投 遞定 位 信 息是圖 4 用 戶 一 次 通 訊 流 程 示 意 圖否等 待 響 應收 到 響 應 信 號發(fā) 送 用 戶 產(chǎn)生 通 訊 需 求21 客戶端界面設計 本例中客戶端從大的功能上分為瀏覽、導航與通訊功能，因此在界面上也可以劃分為瀏覽界面、導航界面與通訊界面。瀏覽界面主要為用戶在查找瀏覽相關地理信息的過程中提 供交互服務。導航界面主要將當前的位置在導航地圖中顯示出來；并在實時定位過程中為用戶提供一些關于導航服務方面的交互提示；用戶通訊界面則上下劃分為瀏覽界面與用戶消息發(fā)送界面，方面用戶查看其他用戶信息以及與其他用戶進行即時通訊。三種界面之間要求可以實時地進行切換，這樣可以方便地為用戶提供所有的功能。 圖 5 界面效果圖 客戶端技術難點實現(xiàn) 北斗系統(tǒng)定位結果糾正 北斗二代導航系統(tǒng)能夠提供快速定位服務。其開放服務在服務區(qū)提供定位精度為 10 米的定位服務。在中國及周邊地區(qū)，由于北斗二代的 5 顆 GEO 衛(wèi)星的輔助，系統(tǒng)能夠提供 CAT1 級的精度要求，最終定位精度可達到 5 米以內(nèi) [4]。即使在中國及周邊地區(qū)，直接使用北斗定位結果，無法滿足車載導航等應用需求。因此對北斗定位結果數(shù)據(jù)進行加工處理，提高定位精度是很有必要的。 文獻 [4]指出考慮不同軌道衛(wèi)星測距精度差異的影響 ,引入加權集合精度因子 ,可以提高北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度。文獻 [5]指出 ,大多數(shù)車載導航定位22 都直接采用接收機定位結果，或者僅做簡單的濾波處理，而沒有將道路信息與定位過程相聯(lián)系。由此提出將道路信息作為約束條件引入卡爾曼濾波方程，在原 有的濾波基礎上，利用道路信息約束條件，對濾波方程中一步預測值做了修正，改善濾波結果，提高定位精度。文獻 [6]提到另外一種辦法，提出了一種基于聯(lián)合卡爾曼濾波理論和地圖匹配技術的高精度車載導航系統(tǒng)定位。 本例中 ,我們設計實現(xiàn)參照文獻 [6]中的辦法。衛(wèi)星定位可采用北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，獨立定位技術才可用航位推算（ DR），將兩者信息融合不僅可以提高定位精度，而且可以消除 DR 的誤差累計問題。為實現(xiàn)北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)和 DR組合定位的濾波與信息融合，本例參照文獻 [6]中的辦法采用一種簡化的聯(lián)合卡爾曼濾波器。這種