“5G+北斗”在抢险救援信息系统中的设计实现

刘晨帆，杨玉婷

“5G+北斗”在抢险救援信息系统中的设计实现

刘晨帆1，杨玉婷2

（1 航天系统部，北京 100086；2 北京卫星导航中心，北京 100094）

针对在野外或城市复杂环境下开展抢险救援行动，救援信息获取不及时、指挥渠道不顺畅、救援进度掌握不全面等问题，结合使用5G通信技术和北斗导航定位技术，以便携式终端和可穿戴设备为信息交互载体，设计一套满足救援队员和指挥人员双方实际需求的轻量级指挥通信系统，以便及时反馈救援现场突发情况、统一指挥调度救援力量、全局共享救援信息和行动态势，有效支撑救援行动快速展开。

5G通信技术；北斗卫星导航系统；抢险救援；指挥控制

0 引言

2019年6月6日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电正式发放5G商用牌照，运营商自此加速5G建设，促进各行业数字化转型，摆脱当前流量经营业务的发展瓶颈，中国正式进入5G时代。2020年6月，北斗三号全球系统全面建成，兼容北斗一号有源服务功能，在北斗二号系统定位、导航和授时基础上，其服务范围扩大至全球，定位授时精度、系统可靠性和抗干扰能力得到大幅增强。结合运用5G通信与高精度北斗定位技术，可实现在复杂环境中人员与车辆之间的信息传递，“随时随地”为用户按需提供各种信息保障，构建“极高的信息通联速度、极高的用户位置获取精度、极高的时间统一程度”的多元融合信息链路将是未来智能化信息化应用的关键支撑[1]。

1 5G通信与北斗导航

5G作为新一代无线移动通信网络[2]，在传输速率和资源利用方面比4G通信有明显提高，具有更加完善的网络性能。从设计上，5G能够有效发挥当前信息数据传输技术的相关优势，从而比4G网络更加安全可靠[3]。在5G通信环境下，覆盖式网络会逐渐被天线技术所取代，从而相应地减少通信基站的建设。这不仅能够降低运营维护成本，还能够减少资源的浪费和污染，也就是说相比较4G，5G通信的覆盖率在减少通信基站建设的基础上，仍能达到很高的通信覆盖率，以上特性使得5G通信在地面成为信息传输的首选。北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施，北斗三号系统可在全球范围内实现四重以上覆盖，全球范围定位精度优于5 m，在中国及周边地区定位精度优于3 m[4]，具有突出的定位导航授时服务支撑效能。利用5G技术大容量、高速度的通讯效率，加上北斗系统提供的高精度定位授时能力，以地理空间数据和地理信息系统为支撑，构建一套指挥通信系统[5]，可应用于反恐维稳、抢险救援、国防军事[6]等领域。以抢险救援行业应用为例，本文设计了一种可供武警、消防等行业救援使用[7]，集分队位置报告、险情采集与处置，辅助信息推送和指挥通联为一体的抢险救援系统，指导相关从业人员在复杂城市、野外等地形环境中开展工作。

2 抢险救援信息系统架构

抢险救援信息系统可在5G网络覆盖区域内自主运行，区分应用端、信息采集端和指挥服务端三部分，一个指挥服务端可指挥控制多个应用端下属用户，实现指控分队的目标。其中，应用端由北斗导航卫星提供位置服务，通过5G网络实现险情发生位置或其他属性信息上报与共享，应用端与指挥服务端之间可利用5G网络实现视频、语音、文字通信功能，达到信息通联的目的[8]；信息采集端主要负责大批量数据采集，以无人载具为主要依托平台[9]，内置北斗定位芯片、5G通信模块和视觉传感器，由采集人员远程操控，在高空或不方便人员进入的区域进行数据采集工作，采集数据可在指挥服务端进行汇总；指挥服务端通过5G网络为下属所有应用端提供基础地理信息、实时救援数据共享和气象数值预报服务，指挥服务端可及时了解下属分队位置、救援实况等信息，为救援行动指挥决策提供辅助支持。系统总体逻辑框架如图1所示。

图1 系统总体逻辑框架

按照“服务化、信息化、网络化”的设计思路，抢险救援信息系统总体逻辑框架由基础设施层、数据层、服务支撑层、应用层和用户层共五层构成。

1）基础设施层

基础设施层是系统运行基础，通过各类硬件设备构设系统工作网络、通信和软件环境，主要包括北斗卫星、5G基站、移动便携式中心站、便携服务器、笔记本电脑、交换机、穿戴式设备（耳机、摄像头）、救援终端和无人载具等。其中移动便携式中心站是可移动5G便携式基站，能在无5G固定基站覆盖的环境中组建小范围5G专用网络，方便各个终端联网运行。

2）数据层

数据层为系统提供必要的数据支持，包括基础地理信息数据、气象数据、位置态势数据、用户数据、通信数据、救援采集数据和系统运维数据等。其中基础地理信息数据为现势性较强的大比例尺矢量图和栅格图数据；气象数据是由省市级气象部门提供在线或离线气象数值预报；位置态势数据包括各个救援终端、无人载具的最新位置和历史位置信息；用户数据包括用户基本属性和权限等；通信数据包括各个救援终端之间的语音、文字数据和穿戴式摄像头、无人载具拍摄的视频数据；救援采集数据包括救援终端和无人载具采集的目标位置和属性数据；系统运维数据是对用户管理、角色管理、日志管理、权限管理等产生的统计分析数据。

3）服务支撑层

服务支撑层采用微服务架构体系，为应用端提供基础地理信息服务、气象信息服务、系统运维管理、数据推送以及救援相关位置服务；同时服务层还为指挥服务器提供基本指挥救援辅助功能，包括与下属用户的信息通联、提供基础地理信息服务和综合态势可视化，随时掌握救援进展情况，高效展开救援行动。

4）应用层

应用层实现救援终端和信息采集终端的行业应用需求。其中，救援终端可实现地理信息服务综合应用，结合友邻位置态势、救援目标实时信息、救援地区天气预报以及接收指挥部的指示要求等帮助救援队员现地开展救援行动；信息采集终端由无人载具搭载导航、通信和视觉传感器等模块，可无障碍采集救援区域数据，用于救援数据共享和更新。

5）用户层

用户层主要包括救援指挥员、一线救援队员和系统管理员。系统管理员负责管理救援指挥员、一线救援队员等用户信息，可根据实际需要增加、修改、删除用户，并为不同用户开放不同权限，方便人员管理和指挥运行。

3 系统工作原理及主要功能

抢险救援信息系统系统工作原理如图2所示。

图2 系统工作流程

在有5G公共网络覆盖下，救援指挥员可通过“指挥服务端—互联网—5G基站—救援终端”与现场救援队员建立通联；在没有5G公共网络覆盖的情况下，需要救援队员背负便携式基站，后方指挥部可依托指挥车辆靠前指挥，通过“指挥服务端—5G天线—便携式基站—救援终端”与现场救援队员建立通联。救援队员通过救援终端控制无人设备标注、采集现场信息，利用北斗卫星获取目标和自身定位，并向队友和指挥部共享位置态势和救援实时进展。救援指挥员接收前方回传的现场声像情况资料、救援队员位置分布以及现场无人设备采集信息等，实时掌握救援进展，快速制定救援方案，并通过指挥链路发送至救援现场。

系统主要包含以下七个功能：

1）地理信息功能

在救援终端中以B/S架构实现相关地理信息功能，以二维地图方式展现。能够以地名、路名或经纬度的方式查询地图，可利用道路矢量数据完成路径规划，在图上采集关键信息点并标注，上报至指控终端。具备基本的地图漫游、缩放、图层控制以及切换地形图、交通图和导航图等地图类型的功能。

2）位置服务功能

使用救援终端通过北斗定位芯片获取当前实时位置信息，包括时间、自身地理坐标、速度、方位和高程等数据信息，并在地图上自动标记显示，可通过5G通信链路将获取的本机、标记目标的地理位置上报至指挥服务端，系统可自动识别并区分已上报、上报中和未上报的位置信息。

3）气象预报功能

指挥服务端可在线接入或离线下载存储省市级气象部门的气象数值预报数据，包括救援地区的气象情况和未来天气灾害预报，并向救援终端推送气象服务，救援终端可对未来灾害天气进行告警提示。

4）通讯功能

基于5G通信数据链，利用救援终端安装的通讯软件，救援队员可以互相发送语音、文字、图片和视频信息，同时支持语音聊天功能，在5G通信信号弱或缺失情况下，还可以互发北斗短报文作为保底通信手段。

5）信息采集功能

支持两种采集信息的方法：一是通过救援终端控制无人载具采集救援现场的信息，将采集的坐标、名称、描述、视频和音视频等信息上报至指挥服务端；二是通过救援终端采集软件将现场视频、照片、在地图上标注位置或由外接红外测距仪获取的目标精确位置上报至指挥服务端，指挥服务端收到信息后进行汇总，并共享给所有救援队员。

6）综合态势展示功能

指挥服务端收集应用端上报的所有信息，经过数据处理后，在指控端进行综合可视化显示，汇总为当前救援态势，包括每个救援队员所在实时位置信息、救援现场环境信息、待救人员基本信息、队员之间的通联信息和报警信息等，可提供给指挥员进行指挥决策。

7）指挥调度功能

指挥员可根据当前救援态势分配救援力量，安排人员或无人设备进一步获取信息、设置电子围栏、下达行动计划、规划每个分队人员行动路线等，所有指令均可在指挥服务端通过5G通信链路发送给每个救援队员，也可直接发起“群聊”告知队员具体行动计划。

其中，救援终端部分功能界面如图3所示，指挥服务端界面如图4所示。

注：从左至右依次是路径规划、气象预报、通信和采集。

图4 指挥服务端界面

4 抢险救援信息系统关键技术

系统关键技术主要包括：

1）移动终端矢量地图实时渲染与快速显示技术。矢量地图每次重绘时都涉及到数据组织调度、空间索引、解压缩以及符号绘制等方面的处理，从而影响地图渲染效率。每次重绘时需要快速找到地图瓦片在数据库中的位置，对地图数据空间索引要求较高。系统综合采用四叉树索引和Z-order curve（Z曲线）空间索引机制，充分利用Z曲线将多维空间降维编码的特性，大幅减少了几何运算负荷，加快了处理速度，实现地图实时渲染与快速绘制。

2）基于微服务架构的服务聚合管理技术。微服务应用架构是指将应用服务按功能拆分成不同的相互协作的服务，每个服务具有特定、相关的功能，每个微服务有自己独立的数据库，从而保证与其它服务解耦，实现前端的轻量化。采用微服务应用架构，方便部署更新，新功能即插即用，同时可在每个微服务之间安排监控管理，实现服务状态实时监控和控制，以保证系统的稳定高效运行。

3）复杂网络环境下数据稳定传输技术。野外复杂地形环境可能会遮挡或干扰信号传输，导致信息的丢包或不准确，本系统为实现稳定高效的消息传输，基于传输总线架构，动态采用链路评估、路由计算、自适应传输、数据分包策略和智能信息补偿等方法，对消息的格式化组织、消息传递流程和移动端在线状态心跳检测等进行了改进，可使信息快速分发和同步，满足高并发、高时效性、多类型操作控制和数据显示协同需求，确保数据协同的实时性和稳定性。

5 结语

除了消防救援、野外搜救、灾害抢险救援外，系统还可应用于反恐维稳、战术级军事行动等任务场景。在无4G和5G覆盖区域，可以使用若干个独立的便携式中心站组建区域5G信号网络，在无遮挡条件下，可覆盖半径3～5 km区域[10]，小队人员只需一部救援终端即可实现区域通联，对要闻要报等情报数据进行引接汇集、存储管理和发布交换。系统能够保障各级指挥人员、小队人员间的互联互通和指挥协同，帮助指挥员掌握小队人员行动态势，有效提升地理信息、卫星导航和气象信息对任务行动的支撑能力。

[1] LIU J，GAO K，GUO W，et al. Role，path and vision of “5G+BDS/GNSS”[J/OL]. Satellite Navigation，2020（03）. https://doi.org/10.1186/s43020-020-00024-w.

[2] 杨凌，高楠. 5G移动通信关键技术及应用趋势[J]. 电信技术，2017（05）：30+33.

[3] 马飞. 5G通信数据可靠性研究[J]. 通信电源技术，2019（07）：163-164.

[4] 杨元喜，刘利，李金龙，等. 北斗特色服务及性能分析（英文版）[J]. Science Bulletin，2021（20）：2135-2143.

[5] 姜礼俊，夏光平，曹楠，等. 基于北斗和GIS的定向运用服务系统设计[J]. 测绘与空间地理信息，2020（12）：161-163+167.

[6] 樊延平，宋畅，薛中兴. 陆军城市巷战作战运用构想创新研究[J]. 国防科技，2019（05）：122-126.

[7] 易剑锋. 5G通信技术在消防通信指挥中应用的展望[J].今日消防，2021（05）：8-9.

[8] 邹滨，王迪，金玉洁. 公务车辆BDS监控管理系统设计与实现[J]. 导航定位学报，2019（01）：88-92．

[9] 王泓沣，王久懿．无人机在灾害预防中的场景应用[J].中国新技术新产品，2021（13）：66-68.

[10] 江婉虹. 5G无线网络架构对传输网的影响分析[J]. 中国新通信，2021（24）：17-18.

Implementation of Emergency Rescue System by Using 5G and BDS

LIU Chenfan, YANG Yuting

In order to solve the problems of not getting information in time, poor command and incompletely progress while carrying out rescue operations in complex urban environment or wild environment, combining the technology of 5th Generation Mobile Communication Technology (5G) with Beidou Satellite System together. Along with the wearable equipment, it is able to establish a lightweight command communication system which can easily satisfy the need of rescuers and commanders. The system can timely feedback the emergency situation at the rescue site, direct rescue forces, and share rescue information and action situation globally, effectively supporting the rescue operations.

5G; BDS; Emergency Rescue; Command and Control

TN929

A

1674-7976-(2022)-06-433-05

2022-04-11。

刘晨帆（1985.02—），新疆乌鲁木齐人，博士，工程师，主要研究方向为卫星导航技术在指挥通信中的应用。