北斗RDSS機制下的導航地圖更新設(shè)想及實踐

黃建華

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

北斗RDSS機制下的導航地圖更新設(shè)想及實踐

黃建華

(北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京100094)

導航電子地圖更新是北斗應(yīng)用要解決的一個關(guān)鍵性問題。利用我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具備RDSS與RNSS兼容的特性，提出一個RDSS機制下的導航地圖更新設(shè)想。設(shè)想充分利用北斗具備導航及信息服務(wù)一體化的功能，實現(xiàn)了導航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸、實時更新。最后通過應(yīng)用實踐充分驗證該設(shè)想的可行性。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);導航地圖;空間數(shù)據(jù)模型;短報文通信;數(shù)據(jù)更新

一、引 言

2011年，我國成功發(fā)射第10顆北斗導航衛(wèi)星，北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本系統(tǒng)建設(shè)完成。2011年年底，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式試運行。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)集導航定位、授時、用戶監(jiān)測、短報文通信于一體，技術(shù)體制上有創(chuàng)新［1］。北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其兼容了RDSS與RNSS技術(shù)體制，實現(xiàn)了通信、導航、定位一體化服務(wù)。隨著北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的試運行，它所具備的各方面優(yōu)勢將使其成為國內(nèi)導航應(yīng)用的首選［2］。

導航地圖數(shù)據(jù)的更新問題主要有數(shù)據(jù)生產(chǎn)和數(shù)據(jù)分發(fā)策略兩個方面。在多比例尺地圖數(shù)據(jù)更新的生產(chǎn)方面，D.Mioc等人從時空數(shù)據(jù)模型的角度，基于線Voronoi圖的拓撲特性給出了地圖中變化的一種表示方法來形式化數(shù)據(jù)更新［3］;K.H.Anders等人給出了基于不同比例尺之間數(shù)據(jù)匹配和綜合的增量更新方法［4］;胡振龍和李霖等給出了以地理數(shù)據(jù)庫驅(qū)動的地圖表達為基礎(chǔ)的增量更新制圖方法［5］;徐靜海和李清泉從時態(tài)GIS的角度給出了導航數(shù)據(jù)增量更新的方法［6］。而北斗系統(tǒng)具備的短報文通信功能為地圖數(shù)據(jù)更新的安全策略提供了一種可靠的機制。本文針對北斗用戶終端的導航系統(tǒng)地圖更新問題，將北斗RDSS短報文通信功能融入到導航地圖更新的框架中，利用其較高的可靠性來傳遞導航數(shù)據(jù)更新的關(guān)鍵性信息。本文基于北斗RDSS機制的導航地圖更新設(shè)想主要包括導航地圖更新的數(shù)據(jù)模型、組織架構(gòu)，以及導航地圖更新業(yè)務(wù)流程等。該設(shè)想可充分利用北斗具備的導航、通信一體的功能，實現(xiàn)了導航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸和實時更新。

二、傳統(tǒng)導航地圖數(shù)據(jù)模型及更新

1.傳統(tǒng)導航地圖數(shù)據(jù)模型

在傳統(tǒng)的導航地圖數(shù)據(jù)模型中，面向用戶終端的導航地圖數(shù)據(jù)更新最關(guān)鍵的就是導航地圖數(shù)據(jù)格式。早期車載導航儀在日本、歐美等國家普及率較高，導航數(shù)據(jù)格式基本上以日本、歐美國家定義的數(shù)據(jù)格式為主流格式［7-8］。日本產(chǎn)業(yè)界形成了車載導航電子地圖的物理存儲標準Kiwi格式，該格式主要是日本各大汽車生產(chǎn)商、地圖供應(yīng)商、車載電子廠商共同研發(fā)的物理存儲標準。歐美方面，歐洲以GDF為基礎(chǔ)形成了導航數(shù)據(jù)交換格式，NavteQ和TeleAtlas兩大導航數(shù)據(jù)生產(chǎn)商和一些歐美主要汽車生產(chǎn)商都有自己定義的車載導航數(shù)據(jù)格式(如SDAL格式等)。目前，國內(nèi)外這些針對車載導航數(shù)據(jù)的更新往往是采用光盤做整體替換，其實質(zhì)是一種數(shù)據(jù)替換。日本、歐美導航數(shù)據(jù)公司目前都在做更新方面的格式研究，如Kiwi+、GDF5.0等的研發(fā)，但是這些都還處于一種試驗起步階段，真正成熟的產(chǎn)品級的動態(tài)增量的導航數(shù)據(jù)格式標準并未形成。因此，基于北斗RDSS及RNSS融合模式的導航地圖數(shù)據(jù)模型更是一個需要認真研究的問題。

2.更新方式

在北斗終端用戶與導航信息服務(wù)中心之間往往需要保持導航數(shù)據(jù)的一致性。而在終端和服務(wù)中心之間保持數(shù)據(jù)一致的更新方式主要有:整體更新、部分更新和增量更新3種方式。

1)整體更新:在整體更新方式下，導航數(shù)據(jù)庫中的所有需更新的數(shù)據(jù)記錄全部被更新替代。整體更新往往通過在數(shù)據(jù)庫中一個新的包含整體更新內(nèi)容的更新操作來實現(xiàn)。

2)部分更新:在部分更新方式下，導航數(shù)據(jù)庫中的一個記錄子集被更新替代。被更新替代的記錄形成一個邏輯單元，可以是一個更新區(qū)域或者一個建設(shè)街區(qū)。部分更新往往通過在數(shù)據(jù)庫中一個新的包含對應(yīng)更新內(nèi)容的更新操作來實現(xiàn)。

3)增量更新:在增量更新方式下，導航數(shù)據(jù)庫記錄的一部分子集被更新。其實質(zhì)是新舊版本之間的變化量被更新。增量更新可以通過在關(guān)系表上執(zhí)行對應(yīng)的事務(wù)來實現(xiàn)。

在不同的更新情景下，采用的更新方式往往有區(qū)別。當所有的導航數(shù)據(jù)需要更新時，往往上面3種方式都可以采用;當導航數(shù)據(jù)覆蓋的范圍增加時(如覆蓋范圍從一個省擴充多個省)，往往采用部分更新方式;當某一區(qū)域的導航數(shù)據(jù)有變化時，往往采用增量更新的方式來實現(xiàn)更新。

三、北斗導航地圖更新設(shè)想

1.總體框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)筆者的設(shè)想，基于北斗RDSS的導航地圖更新主要分為北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、導航終端和導航信息服務(wù)中心3個部分(如圖1所示)。整個框架的功能主要為:

圖1 北斗RDSS機制下的導航地圖更新設(shè)想

1)導航終端用戶通過北斗RDSS通信，以短報文的形式首先向北斗指揮機分發(fā)更新指令，其主要包括以下內(nèi)容:用戶權(quán)限認證、地圖更新版本控制、地圖數(shù)據(jù)校驗碼、地圖加密參數(shù)等。這些數(shù)據(jù)主要包含數(shù)據(jù)量不大且安全性要求較高的一些信息，因而采用北斗的短報文方式發(fā)送。

2)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要負責響應(yīng)導航終端用戶的這些控制指令。而北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要基于北斗指揮機，也可基于北斗地面網(wǎng)絡(luò)形式。其中，北斗指揮機提供了基于RDSS方式的通信連接，可以監(jiān)收下屬北斗用戶終端的端對端的更新指令。

3)導航信息服務(wù)中心根據(jù)用戶的不同通信方式，通過無線移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將用戶需要的地圖更新數(shù)據(jù)發(fā)送到導航終端。

2.北斗導航地圖更新數(shù)據(jù)模型

結(jié)合北斗導航系統(tǒng)RDSS與RNSS兼容的特征，設(shè)想給出的基于北斗的導航地圖更新的數(shù)據(jù)模型和傳統(tǒng)導航數(shù)據(jù)模型基本一致，但是加入了數(shù)據(jù)版本信息。一份導航地圖數(shù)據(jù)往往包含有不同的數(shù)據(jù)層(layer)［6］，并在不同的數(shù)據(jù)層下通過空間分割將數(shù)據(jù)分為不同的小塊(partition)。這種分割可以是一種不斷向下的分割，直到分割到滿足一定的制圖限制為止。由于這里給出的數(shù)據(jù)主要是面向更新的，因而在地圖數(shù)據(jù)中都具備一個版本數(shù)據(jù)(version)，該版本信息給出了數(shù)據(jù)在時間軸上具備的一個屬性數(shù)值。而具有同一版本的數(shù)據(jù)在一個更新操作中是作為一個整體來實施的。在導航地圖更新中，更新(update)派生了兩種事件，一種是更新指令(update instruction)，其主要內(nèi)容是一些小數(shù)量的關(guān)鍵信息，并通過北斗RDSS方式傳輸;另一種是更新事務(wù)(update region)，主要包含一些更新數(shù)據(jù)，并通過一般條件的網(wǎng)絡(luò)(如3G、地面寬帶網(wǎng)等)來傳輸。

3.北斗更新指令結(jié)構(gòu)

更新指令數(shù)據(jù)主要是指北斗終端用戶在需要更新導航數(shù)據(jù)時，通過北斗衛(wèi)星的短報文方式向信息中心請求更新數(shù)據(jù)的指令數(shù)據(jù)。由于北斗衛(wèi)星具備比較可靠的通信功能，因而將更新中一些關(guān)鍵性信息形成更新指令數(shù)據(jù)可以避免一些公用網(wǎng)絡(luò)途徑中某些不安全因素對于導航數(shù)據(jù)更新事件的干擾。更新指令數(shù)據(jù)主要包括:北斗用戶驗證信息、坐標加密方式、更新數(shù)據(jù)校驗編碼、更新區(qū)域范圍、版本信息等數(shù)據(jù)。北斗更新指令結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 更新指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.北斗導航數(shù)據(jù)更新的通信過程

北斗RDSS通信功能為導航數(shù)據(jù)更新過程中的安全性提供了保障。筆者將一些安全性較高的控制指令性數(shù)據(jù)通過北斗RDSS的短報文的方式發(fā)送，其時序圖如圖3所示。

圖2 北斗導航數(shù)據(jù)更新通信流程

整個流程主要有以下幾步:①北斗終端有更新地圖的需求時，通過北斗RDSS的短報文向北斗衛(wèi)星發(fā)送更新指令，其中包含用戶授權(quán)信息、導航數(shù)據(jù)版本信息等;②北斗衛(wèi)星通過指揮機的管理調(diào)度服務(wù)器啟動導航信息服務(wù)中心的導航更新服務(wù)，主要驗證終端用戶的權(quán)限、比較查詢并生成相應(yīng)版本的更新數(shù)據(jù);③通過可用網(wǎng)絡(luò)對北斗終端用戶的實施導航數(shù)據(jù)更新事務(wù)。

四、應(yīng)用實踐

基于上述北斗RDSS機制下導航地圖更新設(shè)想，筆者通過一個應(yīng)用系統(tǒng)作了相關(guān)測試。應(yīng)用系統(tǒng)主要包括兩部分:北斗用戶終端導航系統(tǒng)應(yīng)用程序和基于北斗指揮機的導航信息服務(wù)中心。導航信息服務(wù)中心可為分布式的北斗用戶終端提供最新的導航地圖數(shù)據(jù)和其他信息。導航信息服務(wù)中心的導航地圖數(shù)據(jù)源服務(wù)器是基于XML和SOAP的Web服務(wù)技術(shù)架構(gòu)。筆者在此基礎(chǔ)上定義更新界面和調(diào)用地圖的中心服務(wù)器上的遠程更新過程。不同版本的導航數(shù)據(jù)分別由中心服務(wù)器上的Oracle 10g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和空間引擎ArcSDE進行管理。原型系統(tǒng)的具體實現(xiàn)流程及本文提出的數(shù)據(jù)模型如圖3所示。

圖3 北斗RDSS機制下的導航地圖更新實踐

五、結(jié)束語

本文首先分析了傳統(tǒng)的導航地圖數(shù)據(jù)模型在數(shù)據(jù)更新及安全方面的不足，提出了基于北斗RDSS機制下的導航地圖更新方法設(shè)想;然后根據(jù)該設(shè)想，對整個基于北斗RDSS的導航地圖更新框架進行了描述;最后，利用北斗指揮機構(gòu)建了一個包括導航信息服務(wù)中心及北斗用戶終端應(yīng)用軟件的應(yīng)用系統(tǒng)，并通過不同版本的導航地圖數(shù)據(jù)作了試驗。試驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)更新設(shè)想充分利用了北斗具備的導航、通信一體的功能，實現(xiàn)了導航地圖更新數(shù)據(jù)的安全傳輸、實時更新。通過對北斗導航地圖更新的研究探討，論證了北斗二代應(yīng)用模式有著不同于其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢，特別是在提升導航應(yīng)用安全性方面，是其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的。

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The Envisagement of Navigation Map Updating Based on Beidou’s RDSS Mechanism and Practices

HUANG Jianhua

0494-0911(2012)05-0044-03

P228.4

B

2012-01-18

黃建華(1969—)，男，湖南江華人，博士，工程師，主要從事衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究工作。