基于天地圖的實(shí)時(shí)定位跟蹤系統(tǒng)研發(fā)

李 光

（天津市測(cè)繪院，天津 300381）

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）提供了覆蓋全球范圍、全天候、高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)，目前，隨著GNSS技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展和硬件成本的降低，基于GNSS的跟蹤定位服務(wù)逐漸由特殊領(lǐng)域走向普通大眾，被廣泛應(yīng)用于城市巡檢作業(yè)監(jiān)督、車輛調(diào)度、車輛導(dǎo)航定位等領(lǐng)域，成為空間位置服務(wù)（location based services，LBS）的重要內(nèi)容之一，LBS是通過電信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式（本文即GNSS）獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息，在地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）平臺(tái)（本文即天地圖）的支持下，為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)，LBS業(yè)務(wù)需要提供兩方面支持：基于GIS平臺(tái)的實(shí)時(shí)定位和與位置相關(guān)的服務(wù)，由此可知，實(shí)現(xiàn)基于GIS平臺(tái)的實(shí)時(shí)定位跟蹤是LBS的關(guān)鍵所在。

因此，本文采用天地圖提供的地圖數(shù)據(jù)服務(wù)，開發(fā)了基于B／S（Browser／Server，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)）模式的GNSS定位跟蹤平臺(tái)以及Windows CE手持終端下的客戶端軟件，客戶端與定位跟蹤服務(wù)平臺(tái)之間采用通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)由B／S實(shí)時(shí)定位跟蹤平臺(tái)和手持終端兩部分組成，邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)平臺(tái)采用三層B／S結(jié)構(gòu)，基于.NET技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層；手持終端采用配有Windows CE操作系統(tǒng)的GNSS手持機(jī)。BS平臺(tái)各部分功能作用如下所述：

表示層：用戶直接操作的是界面表示層，即B／S平臺(tái)中的Browser，用戶的應(yīng)用程序是一個(gè)通用的瀏覽器軟件，通過該層不同層次的用戶輸入請(qǐng)求操作的參數(shù)，系統(tǒng)將處理的結(jié)果顯示在瀏覽器界面，同時(shí)發(fā)布系統(tǒng)的公告通知等。

邏輯層：該層位于表示層和數(shù)據(jù)層之間，一是對(duì)各類數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理，管理系統(tǒng)用戶信息；二是接受來自瀏覽器的請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，地圖操作，用戶實(shí)時(shí)定位、跟蹤；三是對(duì)歷史軌跡查詢，根據(jù)用戶所有的跟蹤定位點(diǎn)繪制規(guī)定時(shí)段內(nèi)的軌跡圖。

數(shù)據(jù)層：用來定義、維護(hù)、訪問和更新數(shù)據(jù)，并管理和滿足應(yīng)用服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，該層負(fù)責(zé)解析業(yè)務(wù)邏輯層所發(fā)出的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，執(zhí)行相關(guān)的操作。

采用三層結(jié)構(gòu)模式，使系統(tǒng)各層協(xié)調(diào)工作，具備了很高的穩(wěn)定性、延展性和執(zhí)行效率，并且便于維護(hù)和升級(jí)擴(kuò)展。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)流

3.1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)是明確系統(tǒng)的總體架構(gòu)和系統(tǒng)運(yùn)作數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)由三個(gè)子軟件模塊組成，包括運(yùn)行于手持GNSS終端上的定位數(shù)據(jù)采集與發(fā)送軟件、運(yùn)行于服務(wù)器的數(shù)據(jù)接收軟件和基于B／S模式的天地圖跟蹤平臺(tái)，三者之間通過數(shù)據(jù)庫聯(lián)系起來。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

手持GNSS終端軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括，GNSS定位功能，美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（nation－al marine electronics associationNMEA 數(shù)據(jù)解碼功能以及無線GPRS傳輸功能。本論文采用中海達(dá)Q5地理信息采集終端［2］作為實(shí)驗(yàn)的硬件平臺(tái)，其采用的是Windows CE操作系統(tǒng)，因此本文手持GNSS終端軟件基于此操作系統(tǒng)進(jìn)行編寫；數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的重要組成，是系統(tǒng)運(yùn)行的紐帶，終端實(shí)時(shí)用戶將定位信息實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器入庫，與此同時(shí)，內(nèi)業(yè)天地圖跟蹤平臺(tái)用戶則通過瀏覽器實(shí)時(shí)向數(shù)據(jù)庫請(qǐng)求手持終端定位數(shù)據(jù)，完成對(duì)手持終端的定位跟蹤，因此設(shè)計(jì)高效、簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)表至關(guān)重要；定位跟蹤平臺(tái)需要對(duì)手持GNSS終端進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，為了使得用戶能夠直觀的了解終端的實(shí)時(shí)位置情況，本文設(shè)計(jì)天地圖平臺(tái)作為服務(wù)器窗口，用于展繪終端實(shí)時(shí)位置。該平臺(tái)依托于國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái) “天地圖”，以天地圖服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，該平臺(tái)所有的地圖操作、在線跟蹤和歷史軌跡查詢都以天地圖為地理底圖。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)流圖

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

終端端軟件從Windows CE手持機(jī)的COM串口讀取NMEA0183格式的GNSS實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼得到終端的位置、速度、移動(dòng)方向以及協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinated universal time，UTC）等信息，然后對(duì)部分有效信息進(jìn)行自定義編碼并通過GPRS發(fā)送至服務(wù)器；數(shù)據(jù)接收程序負(fù)責(zé)響應(yīng)終端連接請(qǐng)求并接收解碼終端回發(fā)的定位數(shù)據(jù)，將得到的用戶信息、位置存入數(shù)據(jù)庫；天地圖跟蹤平臺(tái)則提供給瀏覽器端用戶數(shù)據(jù)查詢接口，實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫讀取用戶位置并基于天地圖實(shí)時(shí)位置展繪。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 NMEA數(shù)據(jù)解碼

手持GNSS終端輸出的是NMEA0183格式的定位數(shù)據(jù)，這是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前已成為GNSS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有0180、0182和0183這三種，0183可以認(rèn)為是前兩種的升級(jí)，也是目前使用最為廣泛的一種。NMEA0183協(xié)議采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率4 800bit／s，數(shù)據(jù)位8bit，開始位1bit，停止位1bit，無奇偶校驗(yàn)。解碼程序中使用Serial－Port類定義對(duì)象，用該對(duì)象打開終端串口，并讀取COM端口輸出的NMEA數(shù)據(jù)，根據(jù)NMEA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，逐一提取系統(tǒng)所需定位信息。

4.2 多線程實(shí)現(xiàn)多用戶實(shí)時(shí)響應(yīng)

如圖2所示，在實(shí)際應(yīng)用中，往往是多個(gè)GNSS終端同時(shí)在線，同時(shí)天地圖跟中平臺(tái)也會(huì)向系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，為了實(shí)現(xiàn)所有請(qǐng)求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)服務(wù)器必須對(duì)各個(gè)請(qǐng)求操作實(shí)現(xiàn)并行處理，本文引入多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一過程。

在實(shí)現(xiàn)多測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)并行解碼的過程中，首先通過一個(gè)主線程對(duì)各個(gè)GNSS終端和天地圖跟蹤平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)聽，一旦監(jiān)聽到終端向系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)出的請(qǐng)求后，則為該外業(yè)終端開辟一個(gè)子線程，有多少外業(yè)終端請(qǐng)求就有多少個(gè)子線程同時(shí)工作，每一個(gè)子線程負(fù)責(zé)一個(gè)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的解碼計(jì)算過程，主線程負(fù)責(zé)以時(shí)間片為單位使處理器在多個(gè)子線程之間不斷切換，直到所有測(cè)站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求完成，最后結(jié)束主線程。由于處理器運(yùn)行速度很快，因此幾乎所有子線程都在同時(shí)運(yùn)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了多個(gè)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的并行解碼，算法流程如圖3所示。

圖3 多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程圖

4.3 AJAX技術(shù)實(shí)時(shí)位置展繪

以天地圖為底圖的跟蹤平臺(tái)采用B／S架構(gòu)，傳統(tǒng)Web應(yīng)用程序工作模式是首先載入頁面，然后，用戶執(zhí)行一定的操作，比如單擊一個(gè)鏈接，在用戶等待的時(shí)候，頁面就將用戶的動(dòng)作提交到服務(wù)器端的程序那里處理，此時(shí)整個(gè)頁面數(shù)據(jù)清空，用戶處于等待狀態(tài)，屏幕通常是一片空白，直到結(jié)果發(fā)送回來，Web應(yīng)用程序重新載入整個(gè)頁面。

圖4為傳統(tǒng)Web應(yīng)用模式，這種傳統(tǒng)的Web應(yīng)用程序工作模式使得本文的實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行速度變慢，用戶體驗(yàn)降低，因?yàn)榈讏D “天地圖”的數(shù)據(jù)量較大，需要一遍一遍的重復(fù)加載整個(gè)頁面，這樣就導(dǎo)致頁面不變的數(shù)據(jù)也要重新加載顯示，這些重復(fù)的數(shù)據(jù)給服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和客戶端造成了很多額外負(fù)擔(dān)，因此傳統(tǒng)的Web工作模式并不適合本文設(shè)計(jì)的B／S監(jiān)控平臺(tái)，需要引入一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)頁面局部重新加載，實(shí)現(xiàn)地理底圖之類數(shù)據(jù)量較大且一直不變的數(shù)據(jù)內(nèi)容則保持不變，在頁面與服務(wù)器的交互過程中，服務(wù)器僅僅返回部分變化的數(shù)據(jù)，瀏覽器接收到數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行局部更新顯示即可。

圖4 傳統(tǒng)Web應(yīng)用模式

圖5 AJAX Web應(yīng)用模式

如圖5所示，AJAX Web應(yīng)用模式，加入AJAX引擎的Web應(yīng)用程序工作模式，每次用戶操作之后，首先通過JavaScript腳本進(jìn)入AJAX引擎，AJAX將請(qǐng)求以異步的方式發(fā)送給服務(wù)器，與此同時(shí)，瀏覽器端對(duì)支持用戶繼續(xù)使用，而不會(huì)出現(xiàn)空白等待服務(wù)器響應(yīng)的狀態(tài)。用戶只更新頁面中局部?jī)?nèi)容時(shí)，服務(wù)器將結(jié)果以XML數(shù)據(jù)格式返回瀏覽器，首先進(jìn)入AJAX引擎，再利用后臺(tái)JavaScript和CSS腳本更新頁面內(nèi)容，這樣前臺(tái)頁面看起來保持原樣，不會(huì)影響前臺(tái)加載速度。

本文天地圖定為跟蹤平臺(tái)每隔3s需要對(duì)數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行訪問，并更新頁面以達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的效果，頁面刷新非常頻繁，因此設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)時(shí)引入了AJAX技術(shù)，主要應(yīng)用于含有天地圖加載的頁面上，這樣可以避免天地圖數(shù)據(jù)的重復(fù)的刷新、加載。下面以實(shí)時(shí)監(jiān)控功能模塊為例，闡述AJAX技術(shù)如何在其中發(fā)揮作用的，整個(gè)頁面的交互過程如圖6。

圖6 基于AJAX技術(shù)的監(jiān)控頁面交互流程圖

圖7 用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

圖8 用戶軌跡查詢

5 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試選地在山東某地，且底圖采用 “天地圖山東”API接口，手持終端采用中海達(dá)Q5接入系統(tǒng)。如圖7所示，登陸天地圖定位跟蹤平臺(tái)可以看到用戶名為 “張三”的在線用戶，從地圖上能清晰的對(duì)終端位置進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，并且通過信息框的形式展示該用戶的基本信息和實(shí)時(shí)經(jīng)緯度，并且當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)，地圖上的標(biāo)記每3s刷新一次，達(dá)到對(duì)用戶的實(shí)時(shí)定位跟蹤；平臺(tái)同時(shí)可在線查詢用戶歷史軌跡，如圖8所示，選擇用戶名 “張三”并選擇軌跡所在時(shí)間段點(diǎn)擊查詢，測(cè)試時(shí)候終端移動(dòng)1次，也就是采集了兩個(gè)點(diǎn)的位置信息，因此軌跡為一條直線，軌跡放大顯示見圖8。

6 結(jié)束語

隨著天地圖的推廣與應(yīng)用，基于天地圖的位置服務(wù)將越來越多的被推向市場(chǎng)，無論是社交服務(wù)、團(tuán)購服務(wù)還是專業(yè)測(cè)繪服務(wù)，這些基于天地圖的位置服務(wù)功能首要問題都是解決基于天地圖的實(shí)時(shí)定位跟蹤，GNSS實(shí)時(shí)定位跟蹤是位置服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整合了GNSS、天地圖和GPRS技術(shù)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)手持GNSS終端和監(jiān)控中心之間的通信，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)業(yè)平臺(tái)用戶對(duì)GNSS終端的實(shí)時(shí)定位跟蹤；利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多用戶并行處理，保證系統(tǒng)能實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶需求，測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行能夠準(zhǔn)確的對(duì)多個(gè)流動(dòng)客戶端進(jìn)行位置監(jiān)控，而且成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)覆蓋面廣、使用維護(hù)費(fèi)用低且可靠性較高，可拓展并廣泛應(yīng)用于天地圖位置服務(wù)領(lǐng)域、物流車輛監(jiān)控以及船舶導(dǎo)航調(diào)度等位置服務(wù)的諸多領(lǐng)域。

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