北斗RDSS机制下的导航地图更新设想及实践

黄建华

(北京环球信息应用开发中心，北京100094)

北斗RDSS机制下的导航地图更新设想及实践

黄建华

(北京环球信息应用开发中心，北京100094)

导航电子地图更新是北斗应用要解决的一个关键性问题。利用我国北斗卫星导航系统具备RDSS与RNSS兼容的特性，提出一个RDSS机制下的导航地图更新设想。设想充分利用北斗具备导航及信息服务一体化的功能，实现了导航地图更新数据的安全传输、实时更新。最后通过应用实践充分验证该设想的可行性。

北斗卫星导航系统;导航地图;空间数据模型;短报文通信;数据更新

一、引 言

2011年，我国成功发射第10颗北斗导航卫星，北斗二代卫星导航系统的基本系统建设完成。2011年年底，北斗卫星导航系统正式试运行。北斗卫星导航系统集导航定位、授时、用户监测、短报文通信于一体，技术体制上有创新［1］。北斗系统的优势主要体现在其兼容了RDSS与RNSS技术体制，实现了通信、导航、定位一体化服务。随着北斗二代卫星导航系统的试运行，它所具备的各方面优势将使其成为国内导航应用的首选［2］。

导航地图数据的更新问题主要有数据生产和数据分发策略两个方面。在多比例尺地图数据更新的生产方面，D.Mioc等人从时空数据模型的角度，基于线Voronoi图的拓扑特性给出了地图中变化的一种表示方法来形式化数据更新［3］;K.H.Anders等人给出了基于不同比例尺之间数据匹配和综合的增量更新方法［4］;胡振龙和李霖等给出了以地理数据库驱动的地图表达为基础的增量更新制图方法［5］;徐静海和李清泉从时态GIS的角度给出了导航数据增量更新的方法［6］。而北斗系统具备的短报文通信功能为地图数据更新的安全策略提供了一种可靠的机制。本文针对北斗用户终端的导航系统地图更新问题，将北斗RDSS短报文通信功能融入到导航地图更新的框架中，利用其较高的可靠性来传递导航数据更新的关键性信息。本文基于北斗RDSS机制的导航地图更新设想主要包括导航地图更新的数据模型、组织架构，以及导航地图更新业务流程等。该设想可充分利用北斗具备的导航、通信一体的功能，实现了导航地图更新数据的安全传输和实时更新。

二、传统导航地图数据模型及更新

1.传统导航地图数据模型

在传统的导航地图数据模型中，面向用户终端的导航地图数据更新最关键的就是导航地图数据格式。早期车载导航仪在日本、欧美等国家普及率较高，导航数据格式基本上以日本、欧美国家定义的数据格式为主流格式［7-8］。日本产业界形成了车载导航电子地图的物理存储标准Kiwi格式，该格式主要是日本各大汽车生产商、地图供应商、车载电子厂商共同研发的物理存储标准。欧美方面，欧洲以GDF为基础形成了导航数据交换格式，NavteQ和TeleAtlas两大导航数据生产商和一些欧美主要汽车生产商都有自己定义的车载导航数据格式(如SDAL格式等)。目前，国内外这些针对车载导航数据的更新往往是采用光盘做整体替换，其实质是一种数据替换。日本、欧美导航数据公司目前都在做更新方面的格式研究，如Kiwi+、GDF5.0等的研发，但是这些都还处于一种试验起步阶段，真正成熟的产品级的动态增量的导航数据格式标准并未形成。因此，基于北斗RDSS及RNSS融合模式的导航地图数据模型更是一个需要认真研究的问题。

2.更新方式

在北斗终端用户与导航信息服务中心之间往往需要保持导航数据的一致性。而在终端和服务中心之间保持数据一致的更新方式主要有:整体更新、部分更新和增量更新3种方式。

1)整体更新:在整体更新方式下，导航数据库中的所有需更新的数据记录全部被更新替代。整体更新往往通过在数据库中一个新的包含整体更新内容的更新操作来实现。

2)部分更新:在部分更新方式下，导航数据库中的一个记录子集被更新替代。被更新替代的记录形成一个逻辑单元，可以是一个更新区域或者一个建设街区。部分更新往往通过在数据库中一个新的包含对应更新内容的更新操作来实现。

3)增量更新:在增量更新方式下，导航数据库记录的一部分子集被更新。其实质是新旧版本之间的变化量被更新。增量更新可以通过在关系表上执行对应的事务来实现。

在不同的更新情景下，采用的更新方式往往有区别。当所有的导航数据需要更新时，往往上面3种方式都可以采用;当导航数据覆盖的范围增加时(如覆盖范围从一个省扩充多个省)，往往采用部分更新方式;当某一区域的导航数据有变化时，往往采用增量更新的方式来实现更新。

三、北斗导航地图更新设想

1.总体框架结构

根据笔者的设想，基于北斗RDSS的导航地图更新主要分为北斗卫星导航系统、导航终端和导航信息服务中心3个部分(如图1所示)。整个框架的功能主要为:

图1 北斗RDSS机制下的导航地图更新设想

1)导航终端用户通过北斗RDSS通信，以短报文的形式首先向北斗指挥机分发更新指令，其主要包括以下内容:用户权限认证、地图更新版本控制、地图数据校验码、地图加密参数等。这些数据主要包含数据量不大且安全性要求较高的一些信息，因而采用北斗的短报文方式发送。

2)北斗卫星导航系统主要负责响应导航终端用户的这些控制指令。而北斗卫星导航系统主要基于北斗指挥机，也可基于北斗地面网络形式。其中，北斗指挥机提供了基于RDSS方式的通信连接，可以监收下属北斗用户终端的端对端的更新指令。

3)导航信息服务中心根据用户的不同通信方式，通过无线移动网络服务器或者宽带网络服务器将用户需要的地图更新数据发送到导航终端。

2.北斗导航地图更新数据模型

结合北斗导航系统RDSS与RNSS兼容的特征，设想给出的基于北斗的导航地图更新的数据模型和传统导航数据模型基本一致，但是加入了数据版本信息。一份导航地图数据往往包含有不同的数据层(layer)［6］，并在不同的数据层下通过空间分割将数据分为不同的小块(partition)。这种分割可以是一种不断向下的分割，直到分割到满足一定的制图限制为止。由于这里给出的数据主要是面向更新的，因而在地图数据中都具备一个版本数据(version)，该版本信息给出了数据在时间轴上具备的一个属性数值。而具有同一版本的数据在一个更新操作中是作为一个整体来实施的。在导航地图更新中，更新(update)派生了两种事件，一种是更新指令(update instruction)，其主要内容是一些小数量的关键信息，并通过北斗RDSS方式传输;另一种是更新事务(update region)，主要包含一些更新数据，并通过一般条件的网络(如3G、地面宽带网等)来传输。

3.北斗更新指令结构

更新指令数据主要是指北斗终端用户在需要更新导航数据时，通过北斗卫星的短报文方式向信息中心请求更新数据的指令数据。由于北斗卫星具备比较可靠的通信功能，因而将更新中一些关键性信息形成更新指令数据可以避免一些公用网络途径中某些不安全因素对于导航数据更新事件的干扰。更新指令数据主要包括:北斗用户验证信息、坐标加密方式、更新数据校验编码、更新区域范围、版本信息等数据。北斗更新指令结构如表1所示。

表1 更新指令数据结构

4.北斗导航数据更新的通信过程

北斗RDSS通信功能为导航数据更新过程中的安全性提供了保障。笔者将一些安全性较高的控制指令性数据通过北斗RDSS的短报文的方式发送，其时序图如图3所示。

图2 北斗导航数据更新通信流程

整个流程主要有以下几步:①北斗终端有更新地图的需求时，通过北斗RDSS的短报文向北斗卫星发送更新指令，其中包含用户授权信息、导航数据版本信息等;②北斗卫星通过指挥机的管理调度服务器启动导航信息服务中心的导航更新服务，主要验证终端用户的权限、比较查询并生成相应版本的更新数据;③通过可用网络对北斗终端用户的实施导航数据更新事务。

四、应用实践

基于上述北斗RDSS机制下导航地图更新设想，笔者通过一个应用系统作了相关测试。应用系统主要包括两部分:北斗用户终端导航系统应用程序和基于北斗指挥机的导航信息服务中心。导航信息服务中心可为分布式的北斗用户终端提供最新的导航地图数据和其他信息。导航信息服务中心的导航地图数据源服务器是基于XML和SOAP的Web服务技术架构。笔者在此基础上定义更新界面和调用地图的中心服务器上的远程更新过程。不同版本的导航数据分别由中心服务器上的Oracle 10g数据库系统和空间引擎ArcSDE进行管理。原型系统的具体实现流程及本文提出的数据模型如图3所示。

图3 北斗RDSS机制下的导航地图更新实践

五、结束语

本文首先分析了传统的导航地图数据模型在数据更新及安全方面的不足，提出了基于北斗RDSS机制下的导航地图更新方法设想;然后根据该设想，对整个基于北斗RDSS的导航地图更新框架进行了描述;最后，利用北斗指挥机构建了一个包括导航信息服务中心及北斗用户终端应用软件的应用系统，并通过不同版本的导航地图数据作了试验。试验结果表明，该数据更新设想充分利用了北斗具备的导航、通信一体的功能，实现了导航地图更新数据的安全传输、实时更新。通过对北斗导航地图更新的研究探讨，论证了北斗二代应用模式有着不同于其他卫星导航系统的巨大优势，特别是在提升导航应用安全性方面，是其他卫星导航系统所不具备的。

［1］ 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战［J］.测绘学报，2010，39(1):1-6.

［2］ 谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考［J］.宇航学报，2008，29(1):391-396.

［3］ MIOC D，ANTON F，GOLD C M，et al.Map Updates in a Dynamic Voronoi Data Structure［C］∥ISVD’06 Proceeding of the 3rd International Symposium on Voronoi Diagrams in Science and Engineering.Washington:［s.n.］，2006:264-269.

［4］ ANDERS K H，SESTER M，BOBRICH J.Incremental Update in an MRDB［EB/OL］.［2012-01-18］.http:∥citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.71.5719.

［5］ 胡振龙，李霖，朱海红，等.地理数据库驱动的增量更新制图研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2010，35(12):1478-1481.

［6］ 李清泉，徐静海，李明峰.导航地图数据模型研究现状与趋势［J］.测绘信息与工程，2007，32(6):22-25.

［7］ 徐敬海，李清泉.基于时态GIS的导航电子地图增量更新研究［J］.武汉大学学报:信息科学版，2008，33(11):1182-1185.

［8］ 徐敬海，李清泉.导航电子地图数据物理存储［J］.东南大学学报:自然科学版，2008，38(2):346-350.

［9］ 李楷，钟耳顺.面向车载导航地图的动态交通信息存储模型［J］.计算机工程，2009，35(7):245-246，252.

［10］ 杨殿阁，连小珉，张涛，等.基于北斗卫星的车辆组合导航系统开发［J］.清华大学学报:自然科学版，2008，48(5):856-859.

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

黄建华(1969—)，男，湖南江华人，博士，工程师，主要从事卫星导航系统应用技术研究工作。