基于北斗衛(wèi)星的野外跟蹤定位系統(tǒng)

【摘要】為了對(duì)工作人員在野外通信盲區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤定位，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗衛(wèi)星的野外追蹤定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由手持定位導(dǎo)航終端、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)、監(jiān)控平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)組成，實(shí)現(xiàn)了野外工作人員的實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)通信、路徑查詢、緊急報(bào)警等功能，提高了野外勘查路徑的精準(zhǔn)度與勘查數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，并最大限度的保證了野外工作人員的生命安全。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GoogleMap API跟蹤定位

Wild track positioning system based on Beidou Navigation Satellite LI Chen，ZENG Guo-qiang，TAN cheng-jun，GE Liang-quan，QING kun

（Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

AbstractThe paper designs and implements the wild track positioning system based on BeiDou Navigation Satellite in order to track and local the field workers in real time in the communication blind zone. The system， which consists of handheld navigation and positioning terminal， Beidou satellite communication system， monitoring platform and the database， achieves the real-time positioning， data communication， path query and？emergency alarm etc. for the field work people.In the practical application，the precision of the desired field exploration path and the exploration data is increased，and the life security of the field work people is got the maximum protection.

Key wordsBeidou Satellite Navigation System，GIS，GoogleMap API，tracking and positioning

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求日趨增加。盡快發(fā)現(xiàn)新的礦產(chǎn)資源地，成為地質(zhì)行業(yè)面臨的重大問題，而位于地表淺層及交通便利地區(qū)的各種礦產(chǎn)已經(jīng)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，地質(zhì)找礦工作不得不轉(zhuǎn)向交通不便、通訊盲區(qū)，甚至無(wú)人區(qū)。

在地形條件復(fù)雜、地理環(huán)境惡劣的無(wú)人區(qū)和通訊盲區(qū)，野外技術(shù)人員經(jīng)常面對(duì)各種困難和危險(xiǎn)，如遭遇毒蛇咬傷、高空墜落、沼澤湖泊、牧狗甚至野獸、洪水等。此外，與當(dāng)?shù)啬撩癜l(fā)生矛盾也常危及工作及生命安全。當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，野外人員唯一依賴的GPS或衛(wèi)星電話失靈無(wú)疑是最致命的，有些危險(xiǎn)常常在瞬間發(fā)生，根本來(lái)不及通過衛(wèi)星電話尋求救援，野外基地或車載中心也由于不能實(shí)時(shí)掌握野外工作人員的動(dòng)態(tài)信息，從而失去主動(dòng)救援的良機(jī)。

細(xì)數(shù)歷來(lái)發(fā)生野外失蹤人員，最終遇難的在多數(shù)，幸免于難的鳳毛麟角，主要原因就在于搜救人員是被動(dòng)的了解有人可能失蹤，失蹤時(shí)間、失蹤位置，都無(wú)法知道，只能靠推測(cè)，開展地毯式排查的方法來(lái)搜救，這期間不僅浪費(fèi)大量財(cái)力人力物力，更重要的錯(cuò)失了營(yíng)救的最佳時(shí)期。這些血的教訓(xùn)歷歷在目，時(shí)有發(fā)生。隨著我國(guó)每年地質(zhì)勘查工作任務(wù)量不斷增大，由于野外地質(zhì)工作安全保障程度低、風(fēng)險(xiǎn)大，地質(zhì)勘查行業(yè)每年傷亡人數(shù)持續(xù)上升，地質(zhì)勘查行業(yè)已列入高危行業(yè)[1]。

由此可見，研發(fā)野外無(wú)人區(qū)、通訊盲區(qū)技術(shù)人員追蹤定位系統(tǒng)的必要性和緊迫性，本文提出了一種基于北斗衛(wèi)星的野外通信盲區(qū)追蹤定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)野外通信盲區(qū)對(duì)工作人員實(shí)時(shí)追蹤與定位。

一、系統(tǒng)整體框圖

本野外追蹤定位系統(tǒng)主要有兩部分構(gòu)成，配備給野外工作人員的手持定位導(dǎo)航終端與營(yíng)地的監(jiān)控指揮中心，系統(tǒng)總體框圖如圖1。

手持定位導(dǎo)航終端包括GPS模塊、北斗模塊與裝載安卓操作系統(tǒng)組成的一體式手持式設(shè)備，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航、精密授時(shí)、短報(bào)文通信和緊急報(bào)警等功能；監(jiān)控指揮中心由北斗衛(wèi)星一體機(jī)、中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控平臺(tái)組成，擁有人員實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)通信、路徑查詢與緊急報(bào)警等功能。

二、手持定位導(dǎo)航終端

衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)如今常用的有GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)兩種，GPS是美國(guó)從20世紀(jì)60年代提出方1993年全面建成的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位精度高，定位速度快的優(yōu)勢(shì)，目前已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[2]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，具有一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力[3]。自2011年12月27日起，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開始向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。其范圍覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)，24小時(shí)全天候服務(wù)，無(wú)通信盲區(qū)，具備定位與通信功能，無(wú)需其他通信系統(tǒng)支持，比起其他的導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗的短報(bào)文通信服務(wù)，具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，從而可以使中心控制系統(tǒng)與用戶終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本系統(tǒng)的手持定位導(dǎo)航終端采用的是智星通公司的BD-S-01A北斗手持終端，該手持終端包括GPS模塊、北斗模塊與裝載安卓操作系統(tǒng)組成的一體式手持式設(shè)備。設(shè)備有GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星雙定位導(dǎo)航系統(tǒng)并內(nèi)嵌離線地圖，同時(shí)具有短報(bào)文通信、精密授時(shí)與緊急報(bào)警功能，機(jī)內(nèi)配置的電池能夠保證終端持續(xù)工作8小時(shí)以上（發(fā)射頻度不超過1次/分鐘）。

將GPS和北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合在一起使用[4]，不僅可以充分發(fā)揮GPS定位導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)，增加定位精度，而且發(fā)揮北斗的用戶終端和中心系統(tǒng)的通信功能，有助于實(shí)現(xiàn)野外工作人員的定位、導(dǎo)航、通訊、指揮、調(diào)度等工作，同時(shí)為各種突發(fā)事件提供安全、可靠、便捷的通訊保障服務(wù)。

野外工作人員配備手持定位導(dǎo)航終端后，可查看自己的當(dāng)前位置，進(jìn)行定位和導(dǎo)航，并且接收來(lái)自監(jiān)控指揮中心的指令或向中心反饋勘查情況。而營(yíng)地監(jiān)控人員通過定位終端返回系統(tǒng)的信息，可以了解勘查人員的行走路線和出勤情況等，一旦發(fā)生緊急情況，營(yíng)地監(jiān)控人員可以根據(jù)各野外工作人員所在位置，進(jìn)行規(guī)劃搶救，安排人員最快趕赴現(xiàn)場(chǎng)，確保了野外人員的生命安危。

三、監(jiān)控指揮中心

營(yíng)地監(jiān)控指揮中心可讓營(yíng)地人員實(shí)時(shí)了解與指揮野外工作人員，由北斗衛(wèi)星一體機(jī)、監(jiān)控平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成。

北斗一體機(jī)是手持定位導(dǎo)航終端與監(jiān)控平臺(tái)通信的樞紐。營(yíng)地監(jiān)控指揮中心的北斗衛(wèi)星一體機(jī)不但能夠定位和通信，還可實(shí)時(shí)監(jiān)控下屬用戶的位置和通信信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)野外工作人員的監(jiān)控指揮，北斗一體機(jī)將各野外人員的位置及短消息等信息傳回營(yíng)地中心的數(shù)據(jù)庫(kù)，供監(jiān)控平臺(tái)調(diào)用。

監(jiān)控平臺(tái)是營(yíng)地指揮中心人員的系統(tǒng)操作平臺(tái)，為中心人員提供了野外工作人員的位置信息、行走路線信息、與野外人員互通信、歷史工作統(tǒng)計(jì)查詢等功能。平臺(tái)采用B/S的構(gòu)架方式，結(jié)合GoogleMap API的GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）作為地圖定位基礎(chǔ)服務(wù)，在地圖上直接的實(shí)時(shí)顯示各野外人員的位置與路徑，并了解當(dāng)?shù)氐牡匦翁匦孕畔ⅲ瑸闋I(yíng)地中心的指揮工作提供了支持和幫助。在出現(xiàn)意外事故的時(shí)候，監(jiān)控平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)緊急報(bào)警通知，進(jìn)行緊急救援處理。

數(shù)據(jù)庫(kù)是監(jiān)控平臺(tái)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，用于存儲(chǔ)衛(wèi)星地圖、野外人員返回的實(shí)時(shí)與歷史位置、通信及指令信息。監(jiān)控平臺(tái)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與備份。

3.1北斗數(shù)據(jù)接收協(xié)議

北斗一體機(jī)是將北斗處理芯片與天線合為一體設(shè)備，可獲取定位導(dǎo)航終端上傳的經(jīng)緯度、海拔、電池電量與短消息等信息，營(yíng)地中心可及時(shí)掌握各個(gè)野外工作人員的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況。并向各手持定位導(dǎo)航終端發(fā)送通信信息和命令指令等。

中心服務(wù)器與北斗一體機(jī)由RS-232串口通信接口連接，可對(duì)北斗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、參數(shù)配置和故障診斷等功能。北斗衛(wèi)星的通信協(xié)議主要包括IC檢測(cè)、定位申請(qǐng)與通信數(shù)據(jù)這三類。接口數(shù)據(jù)傳輸基本格式如表1：

如圖2所示，基于GoogleMaps API接口實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控平臺(tái)，軟件構(gòu)架主要分為三大塊模塊，監(jiān)控平臺(tái)模塊、地圖模塊與數(shù)據(jù)模塊。監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)采用B/S的構(gòu)架方式，包含實(shí)時(shí)位置顯示、歷史路跡查詢、指令發(fā)送接收、短消息查詢與人員設(shè)備管理等功能。地圖模塊系統(tǒng)通過GoogleMap地圖引擎以及GoogleMap基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)的可視化管理方式。

數(shù)據(jù)模塊用于存儲(chǔ)所以野外人員的行走路徑、通信及指令信息、各人員設(shè)備的基本信息和分配信息、系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)模塊為監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)提供了的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和備份服務(wù)。

監(jiān)控平臺(tái)顯示實(shí)際效果圖3。野外人員通過北斗定位終端的手持設(shè)備，將其位置信息實(shí)時(shí)傳回營(yíng)地中心，營(yíng)地中心的監(jiān)控平臺(tái)將各人員行程信息顯示在地圖上，營(yíng)地中心的指揮人員可以通過監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控人員的經(jīng)緯度、海拔、設(shè)備電池電量與歷史通信記錄等相關(guān)信息。一旦出現(xiàn)事故，戶外人員通過北斗手持設(shè)備一鍵報(bào)警！營(yíng)地中心最遲會(huì)在1分鐘內(nèi)接收到報(bào)警信息。同時(shí)，返回的數(shù)據(jù)中包括野外人員的北斗設(shè)備電池電量，一旦檢測(cè)到電池電量不足，會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒更換電池。若不幸失去聯(lián)絡(luò)，營(yíng)地中心可更具最后一次所在地點(diǎn)與斷電時(shí)間推斷野外人員位置，最大限度的保證了野外人員的生命安全！

四、結(jié)論

本文提出了一種基于北斗衛(wèi)星的野外定位跟蹤系統(tǒng)，利用我國(guó)自發(fā)研制的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于野外勘查領(lǐng)域，并通過測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與可靠性。野外工作人員通過手持式北斗定位導(dǎo)航終端，實(shí)時(shí)將其位置信息發(fā)送回營(yíng)地中心。營(yíng)地中心以GoogleMaps API接口實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控平臺(tái)，采用B/S構(gòu)架方式，實(shí)時(shí)顯示人員位置，歷史路徑查詢，短消息查詢與設(shè)備管理等功能，系統(tǒng)能為野外勘查路線實(shí)時(shí)指揮與保障了人員生命健康。

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