北斗导航定位系统在林业生态建设与保护中的应用

王伟 董国栋 张亚宁 冀宏斌

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

引言

北斗重大专项典型示范工程是促进卫星导航重大专项应用推广与产业化的重要举措。示范类专题的目标是在具有广泛影响力的重点领域，实施一系列具有重大影响力、示范带动性强、推广前景明确的典型示范应用项目。为了促进和落实好北斗系统在林业领域的示范应用和推广，“林业生态建设与保护北斗示范应用系统工程”被列入中国第二代卫星导航系统示范类专题[1]。基于林业北斗示范应用工程的实施，研究北斗系统在林业生态建设与保护中的作用。通过不同行业大范围、规模化的应用，完成对在建系统的技术试验验证；以行业示范带动行业应用，以区域示范带动区域应用，带动消费类市场的拓展，建立系统性能、产品质量、用户市场三者之间的良性互动[2]。

1 论文研究内容

在林业生态建设与保护过程中，北斗系列产品除了在林火方面有小规模应用外，在林业其他领域还未被广泛应用[3]。本文基于作者团队开展的北斗林业示范应用专项建设实施工作，将北斗导航定位、授时、短报文通信等特色服务及物联网、云计算等技术融合搭建北斗林业综合服务平台，将北斗导航定位通信终端与林业现有传感器结合，充分发挥北斗终端在林业应用场景下的数据采集、信息获取和信息互动能力。开展北斗导航定位系统在林业行业的规模化推广应用，有助于解决林业野外信息通信难、业务融合度低、数据资源难以共享等系列问题，可有效补齐林业3S技术(卫星导航、遥感、地理信息系统)综合应用的短板[4]。

2 北斗林业综合服务平台设计

本项目的建设充分借鉴“北斗+”和“互联网+”思维，将北斗示范应用工程建设和林业行业现有的信息化建设的设施、数据、平台、应用系统相结合[5]。遵循“自主可控、统筹资源、安全共享、示范带动”的建设思路，集成卫星导航、云计算、移动互联网、大数据、物联网等先进技术，采用典型示范引路、以点带面、整体推进的建设策略，实现北斗在林业的规模化应用，提高林业资源监管能力和信息化水平。

2.1 总体架构

林业生态建设与保护北斗示范应用系统的总体架构与全国林业信息化建设纲要相一致，采用“四横三纵”式的云服务体系结构[6]。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

感知层，是北斗林业终端的信息采集和汇集层，包括北斗林业示范规划的6类终端和部分林业数据采集传感器(土肥、林草环境)，不同类型的北斗终端通过互联网、专用VPN网络、4/5G网络或者北斗短报文通讯的方式与平台进行数据交互，同时提供国家林草局、气象、交通、国家遥感中心等第三方平台数据交换接口；基础设施层(IaaS)，包括平台内外网功能分区、网络资源池、计算资源池、存储资源池、裸机管理、资源监管和主动防御系统等；平台层(PaaS层)，包括数据资源池、基础服务和应用服务，数据资源池包括基础数据和专题应用数据，基础服务包括数据连接、汇聚、融合、共享、分析、挖掘、交换等服务，应用服务包括北斗业务、林业一张图、终端管理与展示等应用服务内容；应用开发层(SaaS层)，提供林业业务应用系统和业务应用系统所需的支撑服务接口，包括基础服务接口、应用服务接口、数据管理接口、资源管理接口和对外平台接口；北斗林业安全保障体系、运维体系贯穿林业生态建设与保护北斗示范应用系统的所有层次，为本项目提供设施、数据、应用、网络、用户各个层级、数据的安全保障；北斗林业运维体系贯穿林业生态建设与保护北斗示范应用系统的所有层次，提供各个层面的运维依据和方案；北斗林业应用标准规范确保本项目的实施及后续推广有章可循，包括北斗林业综合应用框架体系、北斗林业应用设备技术规范类、北斗林业应用数据传输协议类、北斗林业应用软件接口标准类。

2.2 平台通讯链路

平台通讯链路主要集中在北斗林业终端、北斗卫星地面运行中心、第三方北斗数据服务中心、北斗林业综合应用服务平台及示范应用用户之间，系统数据通信链路如图2所示。

图2 北斗林业终端应用模式示意图

2.2.1 数据采集阶段通讯链路

主要是通过林业北斗终端完成对外界数据源的记录和采集操作，数据采集也可以提供传感器获取林业相应的环境数据因子与定位信息进行结合。

2.2.2 数据传输阶段

将终端采集到的数据通过北斗RDSS、4/5G等链路传输到北斗林业综合应用服务平台。4/5G传输链路直接通过移动基站或互联网链路接入至平台；北斗RDSS短报文通信通过具备北斗运营服务资质的第三方企业完成数据接收并与新建北斗林业平台实现数据的双向收发。

2.2.3 数据集成、分析和解释阶段

主要是通过平台完成对已接受数据的抽取、筛选和过滤等操作。当用户提出查询时，北斗林业综合应用服务平台进行及时地分析与建模，并将结果以用户可接收的方式返回给用户。

2.3 平台数据流

北斗林业综合应用服务平台将面向林业业务应用系统、林业业务APP、北斗林业终端提供支撑服务。并与林业“一张图”、气象等第三方数据中心有数据交互需求。在进行北斗林业核心平台设计时，充分考虑后续平台业务扩展需求进行系统边界设计。

图3 平台数据流图

2.4 平台部署

云平台分为互联网区和内网区。其中，内网区域的管理节点集群部署保证内网区基础设施层云功能的正常运行；互联网区管理节点集群不仅部署了上述内网区域管理节点部署的功能组件，保证互联网区基础设施层云功能正常运行，而且部署了Keystone、Horizon等组件，提供全局的鉴权和Portal展示功能，对2个区域的服务进行鉴权以及提供服务访问界面，即实现在同一个平台对2个区域进行管理并提供服务。

2个区域通过网闸进行安全隔离。通过对网闸配置安全策略，只允许两区域之间的管理数据交互，既保证了2个区域的数据隔离，又保证了2个区域的管理节点能够互通，实现统一管理。互联网区域通过部署主动安全防御设备保护云平台业务安全。分别在互联网区域与内网区域部署一台防火墙设备，实现边界安全。

表1 外部接口

表2 系统内部接口表

平台搭建时充分考虑与现有资源的融合，部分业务迁移至新建云平台，便于统一管理。其余业务系统直接运行在物理上，服务器资源剩余，不能最大化利用，根据业务不同，进行物理机到云平台的业务迁移，最终实现数据中心的统一管理。

3 北斗林业终端应用

针对林业业务特点和应用需求，依据“北斗+”的指导思想，结合现有技术水平和北斗产品基础，规划并应用的6类北斗林业终端。

3.1 林业手持巡护型

为巡护专用终端，集成BDS/GPS双模定位，同时支持4/5G多种语音/数据通信、对讲和一键报警功能，适用于移动通信网络覆盖区域，面向基层巡护人员，完成各类巡护任务。

3.2 林业手持智能型

集成北斗RNSS和GPS定位模块，支持4/5G多种移动通信网络制式，提供语音通讯和数据通信功能，支持林业数据及图像、GIS地图采集功能，可装载各类业务APP软件，支持北斗RD短报文通信，适用于移动通信覆盖区域或盲区，侧重应用于森林火灾扑救联合调度与状态数据采集场景。

3.3 林业应急指挥型

可机动灵活部署在各类应用场景，支持北斗RDSS短报文通信功能，支持有线网络接入功能，可组网管理具备RD短报文功能，适用于移动通信盲区，面向林业业务应用突发事件的应急指挥调度场景。

3.4 林业车载型

集成BDS/GPS双模定位和北斗短报文通信和自动位置报告功能，同时支持4/5G数据通信功能，适用于移动通信覆盖区域或盲区，面向各林业业务应用中对车辆的监控管理及应急指挥调度管理。

3.5 林业勘界测量型

外接型设备，支持亚米级的高精度定位，支持导航定位功能，可支持基于地图的勘测绘图功能，满足林业勘界测量等业务对高精度定位导航的需求，适用于林地更新调查等各类野外调查及勘界测量高精度应用。

3.6 北斗RD通信型

具有北斗RDSS定位通信及蓝牙/Wifi传输、一键遇险求救按键，能够满足通信盲区林业通信应用需求，适用于移动通信覆盖区域或盲区，面向需北斗定位及通信支持的林业各类野外业务应用。

4 结论与规划

当前北斗林业综合服务云平台已上线运行具备支撑林业业务系统运行能力。森林火灾扑救联合调度、北斗林政执法管理、北斗林地年度变化更新应用、保护区巡护管理、森林火灾动态监控5个典型北斗林业示范应用系统基于北斗林业综合服务云平台已完成研制，并初步制定了北斗林业综合服务平台与北斗终端的数据交互标准规范，林业终端采集的业务数据已实现正常接入与应用。北斗导航定位系统主要实现林业信息采集、简单处理和数据传输，为北斗林业业务提供基础信息及信息传输通道，实现人与林、林与林之间的相互感知；北斗林业综合应用服务平台实现林业业务数据的汇聚、整合，提升林业信息资源的互联共享能力。北斗导航定位系统在林业行业中的应用能充分挖掘北斗导航定位通信应用潜力和能力，结合北斗林业综合应用服务平台可共同为林业业务应用赋能[7]。未来将与各示范省完善平台数据交互方案，陆续在多个示范省规模化部署北斗林业终端开展应用推广，扩大应用成效。