基于北斗短报文通信的应用软件管理与发布系统研究

2018-05-14曾亚周琦吴琼

数字技术与应用 2018年2期

曾亚　周琦　吴琼

摘要：本文研究了北斗卫星导航定位系统的应用特色，根据目前应用比较成功的移动应用商店技术，针对北斗导航系统先军后民、跨平台以及国产化自主可控的要求，提出了一个利用北斗导航系统终端用户的唯一识别性进行终端管理和北斗短报文通信的终端应用软件管理系统，集终端应用软件的开发、管理、发布和更新于一体，充分发挥北斗特有的短报文功能，满足多种平台下的北斗移动终端设备中的应用安装和更新等需求和特种行业或者特殊情况下通信的需求。

关键词：北斗导航系统；应用软件；短报文通信

中图分类号：TN912.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0097-04

1 研究背景

北斗卫星导航定位系统（BDS）是由我国自行研发且具有自主知识产权的全球导航卫星系统（GNSS）。BDS除了具有通用GNSS的定位和授时功能之外，还具有的短报文通信的特有功能，是繼GPS和GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。BDS由卫星、地面站、观测站和用户终端四部分组成。截止2017年底，BDS拥有25颗导航卫星，已经完全覆盖亚洲地区，可以提供全天候的定位、通信、授时服务，其能力和GPS基本相当，经过差分信号后的定位精度达到米级，授时精度达十纳秒（ns）级，完全满足通用的导航定位等服务需求。2017年11月，我国开始实施“北斗三号”系统建设。根据系统建设的总体规划，计划在2018年底前，BDS将为面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务，到2020年前后，完成35颗卫星发射组网，可以为全球用户提供服务。

从2004年首次启用，BDS在军事化和民事化应用不断推进，在国民经济的各个领域发挥着越来越重要的作用，尤其在2008年的汶川地震抗震救灾中，BDS全力保障了救灾部队行动，及时挽回了灾民的生命和财产。BDS可以说在各行各业都取得了较大的影响和成就，但是，BDS的产业化能力还不足，在军、民用方面推广都不够理想，和GPS的市场份额相比还有很大的差距。当前，虽然各行各业用户都根据自身行业特点和需求开发了一些应用系统，但是总体看起来，软件分散、独立，服务功能有限，缺乏统一的软件平台支持，并不能从根本上促进BDS系统的推广应用。

2 能力及需求分析

2.1 北斗系统提供的主要能力

我国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作，为我国及周边的地区提供定位及数据通信服务。在BDS出现之前，定位通信服务一般采用GPS定位加上移动通信进行远程监控。当时这种模式有很大的局限性，在沙漠或者丛林这样的边远地区，没有移动通信信号，一旦有人员或车辆发生故障后很难进行有效监控和救援。在BDS应用之后，这一现象得到彻底解决，由于BDS具备位置信息服务和短报文报文服务双重功能，使得全时域和全地域的服务成为可能。

预计到2020年前后，覆盖全球的BDS全部建成，可在全球范围内全天候不间断地提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，具体如下所述。

（1）短报文通信：最高传送速度为120字节/秒。

（2）精度：定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

（3）系统容纳的最大用户数：针对通信功能用户容量是540000户/小时，针对导航定位用户没有限制。

与其他导航系统相比，BDS具有独特的短报文通信能力，本文将挖掘其在应用管理与发布系统中的通信服务能力，为终端应用提供不间断的通信服务。

2.2 报文通信机制

北斗系统用户终端（下文简称北斗终端）具有双向报文通信功能，根据北斗用户卡权限等级的不同，提供秒级～分钟级的通信频率。在常规通讯不可达的区域（如远洋、沙漠等）具有非常重要的应用价值。通信原理如图1所示。

北斗终端可以通过短报文相互通信，终端从属于指挥机管理。终端之间可以点对点的通信，指挥机和终端之间可以点对点或者点对多。BDS不支持终端之间组群通信，但是可以通过后台模拟实现。同样，如图1所示的A群组内部可以任意通信，如果想和B组内终端通讯，必须经过群组A内的指挥机和B组内的指挥机B之间进行通信转发，这些复杂的逻辑，可以通过后台通信服务平台提供统一的通信服务，从而使得终端用户不需要了解后台复杂的流程，这样一来，必将更加有利于这一功能的推广。本文研究的系统就是屏蔽了所有的BDS的短报文实现逻辑，为用户提供统一的、逻辑简单的通信服务接口。

对于测绘行业或者军事应用，使用环境不会像民用那么的理想，更多的是面临没有网络情况，那么如何克服这种劣势，或者如何利用有限的北斗短报文通信手段来满足用户需求，实现救援、告警、路书等具有特定应用场景的服务，这个可以说是个新的应用研究方向。本文就是将BDS短报文应用管理与发布平台进行深度融合，给通用和特殊行业应用提供全地域的通信服务。

2.3 应用管理与发布系统主要功能

体统提供终端软件的开发、上传、下载、更新等功能，总体架构如图2所示。

针对应用软件的管理与部署需求，吸收网络化应用软件管理思想，定制和设计本系统。在服务端采用B/S设计模式，以门户网站的形式提供应用管理与发布服务，支持终端应用的批量部署等操作。根据BDS授权的唯一用户识别号来确定移动终端的属性，避免人为引起的错误，所有移动终端由平台统一管理和调配使用。对终端和终端中的应用程序软件来说，系统不仅提供终端应用管理客户端和服务端的通信，还要提供基于北斗短报文形式的终端应用和服务端的通信服务能力，比如为测绘领域应用提供远端数据采集功能、为单兵应用系统提供路书功能、为森林虫害防治提供虫害信息收集功能等等。

3 系统设计与实现

3.1 系统总体框架设计

应用管理与发布系统按照使用场景可以分为服务端（包括门户网站）和移动终端两个部分，总体框架如图3所示。

应用软件管理与发布系统提供开发环境、开发工具包、终端模拟器等，供设计师开发终端应用软件所用。设计师开发好终端应用软件后，必须根据平台对终端软件的设计规范打包好应用并上传，之后，开发人员可以登录统一的门户网站查询软件状态，待管理员审核通过后，移动终端用户才能够通过应用管理客户端进行应用下载和使用。

3.2 服务端框架设计

服务端在架构上采用由数据层、服务层和应用层组成的多层框架结构。数据层负责软件和数据文件的管理，为了更好的适应行业需求，还要求支持主流的商业和国产数据库；服务层负责整个系统的逻辑实现；应用层负责系统与外部的交互，使用统一的API接口作为用户的应用界面。在通用的服务层，我们嵌入了BDS系统的短报文服务，提供点对点，组群，广播等多种形式的消息通信基础服务，屏蔽了BDS系统短报文的复杂逻辑，使得用户使用起来简单易行。整个服务端的功能框架如图4所示。

3.3 门户网站设计

本系统采用常用的三分栏式结构门户设计思路，使用导航来进行分栏。门户网站主要包括用户、应用和配置管理三个部分。界面框架设计如图5所示。

3.4 移动终端框架设计

移动终端程序在架构上采用和服务器端相同的框架结构。数据层负责本地应用和数据的存储与访问。为了更好的做到跨平台设计，数据轻量级数据库SQLite来实现，负责各类数据的存储，为架构化存储提供了基础（主要为了更好的存储导航地图等矢量数据）。服务层负责业务逻辑和接口访问。移动终端的框架（以Android为例）如图6所示。

其中UI层负责与用户的交互，采用通用图形库中间件（中国电子科技集团公司第三十二研究所）进行设计，为终端应用软件的跨平台提供了良好的支撑，实现一次开发，多平台复用。使用这一中间件不仅大大减轻开发者开发不同终端平台的工作量，而且能够实现跨平台的显示一致性。本文仅以安卓作为示例，实际工作中，我们已经在WinCE和锐华国產操作系统上取得成功的验证。也就是说，在安卓上开发好的应用，可以很容易的移植到WinCE平台，且保证应用在安卓终端和WinCE终端下界面显示是完全一致的，做的和平台无关应用软件设计。

同时，为了兼容并充分发挥北斗导航系统的功能，本系统对消息推送服务做了定制，实现在移动网络通畅的条件下优先使用移动网络，在没有移动网络的恶劣环境，诸如戈壁、沙漠、丛林等，自动切换为北斗短报文通信机制，并且根据不同网络的特点，增强用户的体验度，对终端的应用作了一些限制，比如在短报文通信模式下，将图片传输关闭，真的要做到图片传输也是可能的，只是体验效果太差，期待以后BDS系统能力提升后在增加多媒体的体验功能。

4 可行性验证

4.1 验证环境部署

验证环境包括北斗通信设备、服务端设备、终端设备和网络设施四个方面，验证环境示意图如图7所示。

其中安卓移动终端是一台具备收发北斗短信的移动终端，其内置北斗模块，使用的北斗用户卡是北斗导航系统中具有唯一识别号的身份卡，同时其还具备Wifi链路通信功能，用以测试其在Wifi信号可用和不可用时的终端通信功能。为了实现北斗短报文服务功能，我们在服务器端接入了一台指挥机，服务器通过指挥机提供和终端通信服务。在Web端PC机上我们布置了通讯软件的PC版本，使用服务器提供的通信服务和移动终端进行通信。

4.2 功能测试

开发者用户首先通过Web登录系统，注册一个新的用户，该用户必须由管理者审核通过后方有效。然后登录系统，选择适合的开发环境和文档并下载，根据平台对终端的开发规范在本地进行终端应用软件的开发工作。为了验证短报文的通信功能，我们开发了一个简单的及时通信软件“军微通”，开发完成后，打包上传到服务器，经平台审核后通过后，使用移动终端进行下载使用，为了更好的完成验证，可同时在Web端部署桌面端“军微通”，在服务器部署了“军微通”服务。

对于上传的终端应用软件，管理者通过应用软件审核及发布界面进行应用审核和发布。对于审核通过的应用，管理者可以根据需要增加或者修改一些必要的发布信息，比如限制哪一类BDS终端用户不可以访问等，然后将应用发布到平台，之后使用者才可以通过移动终端中的应用管理发布客户端来查询并且下载使用该软件。

因为终端带有北斗用户卡，我们直接用用户卡作为用户名就可以了，此卡号在北斗导航系统中是唯一识别号，后台会根据卡的属性分配响应的权限。

提交成功以后，用户所属平台和关联应用，需要管理者根据用户特征来指定，审核通过后，用户才可以使用响应的功能，这里我们将该用户和军微通关联起来。

终端用户通过应用管理客户端可以查看浏览自身权限范围内的应用，找到前面上传的军微通app，下载安装后运行。

运行后我们可以通过软件实现在终端和PC端的即时通信功能，进行图片和文字的传输。关掉无线路由器，可以发现软件提醒通信方式为北斗模式，此时只可以进行文字通信，图片传输功能被禁止使用。如果开启无线路由器，软件将恢复到之前的状态。从而验证在没有数据链路的情况下，可以实现通信的无缝切换。

4.3 系统存在的问题及分析

在进行终端软件通信测试时，当通信模式切换为北斗模式时，消息延迟较大，用户体验效果不佳，通过分析后发现主要是两个原因，一是北斗信号较弱，二是用户卡的级别较低而导致消息延时大。

5 结语

本文针对北斗导航领域行业应用需求，为了更好地满足领域用户多样化导航等服务，提出了将基于BDS的短报文融入到终端应用管理与发布系统中，提供无缝隙覆盖的通信服务，进一步推动BDS的领域应用。

参考文献

[1]曾亚.面向北斗导航的应用软件管理与发布系统的设计与实现[D].东北大学，2015.

[2]北斗知识产权动态.工业和信息化部电子知识产权中心，2017，1-6.