BDS RDSS位置信息共享系统设计

高昆仑，杜 峰，王延昭

BDS RDSS位置信息共享系统设计

高昆仑1，杜 峰1，王延昭2

（1. 中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450047；2. 河南省计量科学研究院，郑州 450047）

为了克服当前主流智能终端位置共享的使用局限性，研究基于BDS RDSS体系架构的位置共享系统：提出一套基于BDS RDSS的位置信息共享系统技术方案；同时依据总体技术方案进行针对指控中心和用户终端的详细设计；并基于该技术方案设计相关应用软件；最后搭建测试验证系统。实验结果验证了技术方案的可行性，可为BDS在抗震救灾、野外勘探、海上搜救及战术协同指挥等领域的应用提供参考。

北斗卫星导航系统；短报文；卫星无线电测定业务（RDSS）；位置信息共享

0 引言

当前，智能手持型终端的位置共享[1]功能因其可以方便实现彼此之间位置的告知，而成为人们日常出行的重要协助工具。然而，现有终端的位置共享的实现必须依赖于卫星定位、公共移动通信网络得以实现[2]。随着人们活动区域的不断扩展，公共移动通信网络覆盖的地域局限性也日渐突出。如在丘陵山区地带，移动通信基站存在或多或少覆盖盲区；而在远海大洋、大漠深处、雪域高原及其他人迹罕至地区，基本不存在移动通信网络。而且移动通信网络极易受到自然或人为性因素的影响而造成通信不畅，如地震、台风等自然灾害造成的通信中断，工程施工造成的主干线光缆损坏等。因而，公共移动通信网络存在的局限性极大地影响了现有手持终端位置共享功能在特定时间、特定场合的使用。北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我国自行建立并运行的卫星导航定位系统，BDS区别其他卫星导航系统的一个显著特点是能够发送与接收短报文。基于BDS短报文通信的位置信息共享技术使得用户终端的位置共享依托于卫星通信信道，从而摆脱地面公共移动通信链路的局限性，能够很好地弥补现有位置共享服务技术体制存在的不足，使得用户的位置共享服务不受使用时间和地域的限制，真正实现全区域和全天候的位置信息共享；进而拓宽了位置信息共享服务的应用领域和使用范围，为抗震救灾、户外探险、野外勘探、海上搜救与联合执法等诸多应用领域提供强有力的技术支撑。

1 BDS RDSS体系架构

BDS由3部分组成，分别是空间段、地面段和用户段[3-4]。空间段由若干中圆轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和静止轨道卫星组成的混合导航卫星星座；地面段包含主控站、监测站和时间同步/注入站等若干功能地面站；用户段包括兼容BDS信号的其他卫星导航模块、芯片等基础产品以及用户终端、应用系统等。目前全球处于运营服务状态的卫星导航系统，采用的定位模式主要有2种，分别是被动定位和主动定位[5]。我国北斗一号采用主动定位模式，北斗二号和北斗三号采用的是被动定位和主动定位相结合的定位模式。

1）被动定位，又称无源定位，即所谓的卫星无线电导航业务（radio navigation satellite system, RNSS），就是用户被动测量来自至少4颗导航卫星连续发送的无线电导航信号，并根据这些信号的不同传输时长来测算用户到这些卫星的不同距离，然后由用户计算得到自身的位置信息和运动速度。该模式也是目前国外大多数卫星导航定位系统采用的基本原理。相较于主动定位，被动定位的精度更高。

2）主动定位，又称有源定位，即卫星无线电测定业务（radio determination satellite system, RDSS），地面中心站不间断地经2颗地球静止轨道导航卫星询问是否需要定位。当用户需要定位时，可分别经2颗地球静止轨道导航卫星向地面中心计算出申请定位信号，地面中心站经过测量信号的往返时间计算出用户到每颗卫星的距离，从而测算出用户的位置信息，并经其中一颗卫星将定位信息发送给申请用户。相比于被动定位，主动定位不仅可以知晓自身的位置，还可以告知其他人自己所处的位置。主动定位是我国BDS特有的技术体制。BDS RDSS功能在北斗一号得到验证，并在北斗二号和北斗三号中得到继承和进一步发展。目前基于BDS RDSS开发的应用系统已经被广泛应用于不同的信息服务领域。

依托BDS RDSS通信信道不仅可以传输导航定位信息，而且还能传输其他用户需要的信息，即所谓的短报文服务[6-7]。基于BDS RDSS的技术原理，针对每个用户每一次的BDS RDSS服务功能，都需要至少2颗BDS静止轨道卫星参与，同时由于BDS静止轨道卫星数目有限，传输带宽也有限，因此BDS RDSS不能像RNSS服务一样被所有用户全天候、无限制使用。为保证服务质量，BDS RDSS服务为申请认证授权服务，需要用户申领BDS通信IC卡（integrated circuit card, IC）（类似于手机用户SIM卡（subscriber identification module, SIM），才能实现RDSS功能。根据用户的不同功能需求，BDS通信IC卡有普通用户通信卡（简称用户卡）和指挥型用户通信卡（简称指挥卡）之分。用户卡装载于普通用户终端中，能够实现导航定位和短报文服务；指挥卡装载于BDS指挥设备中，除具有普通用户卡导航定位和短报文服务功能外，还具备对下属用户的通播和兼收功能。用户卡与指挥卡的配置项如图1所示。

图1 BDS通信卡配置信息项目示意

用户卡的配置项有本卡标识（identity, ID）和通播ID 2项信息。本卡ID是识别用户的唯一身份标识，其他用户可以就此ID号向对应用户发送位置信息和短报文信息（类似于手机用户手机号）；通播ID用于用户接收广播信息，向该ID号发送的广播信息，用户都可以收到。指挥卡的配置项除了具有本卡ID和通播ID之外，还具有下属用户ID配置项。与用户卡通播ID不同，指挥卡通播ID还可用于发送广播信息（用户卡不可以发送广播，只可以接收），指挥卡通过该通播ID发送的广播信息，只要用户卡通播ID与该指挥卡通播ID相同，用户卡都可以接收到该广播信息。指挥卡下属ID是指该指挥卡下辖管理的所有用户的本卡ID，可以配置添加多个用户ID（市场上多数指挥设备可以支持200个下属用户，专用指挥设备可以支持多达5000个用户），指挥卡可以兼收到下属用户的所有RDSS通信信息。

受限于BDS RDSS信道资源[8-9]，BDS RDSS发送数据的频次和单次发送数据长度都有限制。BDS RDSS通信一次最多可传输120个汉字（单次短报文可传输有效数据1920 bit），服务频度最高为1秒/次。以目前向民众广泛开放的通信卡为例，信息的发送频次为1次/分钟，可发送的单条信息长度为最长不超过60个汉字。

2 系统方案设计

系统采用星型拓扑结构，控制中心由服务器平台和BDS指挥机组成，主要完成对下属用户终端位置信息的收集、处理、分发功能。用户终端根据使用场景不同，设计有不同的结构形态，如手持型终端、车载型终端、船载型终端等类型。系统内所有的用户终端都可以实现位置信息的共享服务。系统架构如图2所示。

图2 系统架构

基于系统架构，指控中心应配属BDS指挥卡，用户终端应配属用户卡，根据BDS RDSS体系架构，申领配属的指挥卡和普通用户卡的隶属关系信息如图3所示。

系统指挥控制中心装载BDS指挥卡，用户终端装载用户卡。所有用户卡作为指挥卡的下属用户写入到指挥卡的下属用户卡ID信息配置项中，依托BDS指挥设备的兼收功能，以确保指控中心能够及时获取入网用户终端的位置信息。将指挥卡的通播ID作为所有用户卡的通播ID加以配置，利用BDS RDSS的通播功能，指挥设备能够将获取的入网用户终端的位置信息以广播的方式发送给所有在线用户终端，从而实现终端用户位置信息的共享服务。

图3 系统通信卡配属关系示意

2.1 指控中心系统设计

指挥中心由指挥控制计算机和BDS指挥型用户机组成。指挥控制计算机通过串口（或网口）与BDS指挥机连接，可完成对下属用户机终端的监视、指挥、控制以及对下属用户位置信息的收集、处理、分发功能。BDS指挥型用户机对外提供开放的软件开发接口，以供用户根据自身需要开发对应的应用软件平台。指控中心软件平台采用客户端/服务器（client/server, C/S）架构，对外提供灵活开放的数据交互接口，以方便与其他信息系统的交互与融合。

2.1.1 指控中心软件架构设计

指挥控制中心软件平台架构如图4所示。

图4 指挥中心软件平台系统架构

指挥控制软件平台由登录用户鉴权模块、入网状态监视模块、用户终端管理模块、地图显示模块、自定义信息发送模块、兼收信息监视模块及其他辅助工具模块7个功能模块组成。其中：用户鉴权模块主要完成登录用户认证、用户账号维护、用户权限分配与管理等功能；入网状态监视模块完成对设备定位状态、接收卫星波束及信号质量的实时监视功能；用户终端管理模块完成对下属用户的注册添加与删减，对下属用户的分组管理和对下属用户入网状态的监视功能；地图显示模块可根据下属各个用户上报的位置信息，以直观的标注形式在地图上显示，地图模块可根据需要分别加载2维、3维地图和其他地形地图；自定义信息发送模块主要完成对下属用户终端的短信息发送功能，能够实现对下属用户的点对点信息发送和向所有用户的广播通信功能；兼收信息监视模块主要完成对下属用户位置共享信息的申请服务的监视功能；辅助工具模块主要完成地图放大与缩小、测距、测量面积、位置标注以及地图数据加载与更新等辅助功能。

2.1.2 指挥控制中心工作流程

指挥控制软件平台完成一次用户位置信息共享申请的工作流程如图5所示。

图5 指控中心位置信息共享工作流程

基于BDS RDSS通信链路，指控中心收到下属用户位置共享请求后，依托BDS指挥设备的通播功能，向所有下属用户（包括申请用户）以广播的形式发送位置上报指令。指令发送完成后，指控中心开启接收通道，进入数据接收周期，开始接收并记录下属用户上报的位置数据。数据接收周期结束后，关闭接收通道。对收到的位置信息进行按照距离申请用户位置的距离远近，由远及近依次排序。按照事先约定的数据帧格式打包，并将完整数据帧经BDS RDSS信道发送给申请用户并开启数据接收通道。申请用户接收到该数据包后，对数据包加以解析并还原，以直观的位置数据和地图上标绘的方式展现给用户。由于BDS RDSS信道容量有限，指控中心在响应某一用户共享申请期间，如又收到其他多个用户终端的位置共享申请，则指控中心不需要再次广播位置上报指令，直接利用本次其他用户位置数据分别组帧，依次向申请用户发送临近的其他用户的位置数据，待响应完所有申请用户后，指控中心再开启数据接收通道。

2.1.3 位置共享数据包组帧设计

BDS RDSS通信一次最多可传输的字符长度有限，最长有效长度为120个汉字（随着BDS卫星发射数量的增多，北斗三号短报文长度将大幅度扩容），每个汉字占用14位数据位，则单次短报文可传输有效数据120×14=1680 bit,1680÷8=210个字节，服务频度最高为1秒/次。以目前定位精度10米级计算，经纬度坐标小数点后需保留4位数据。以原始数据乘10000的格式组帧（东经为正，西经为负值；北纬为正值，南纬为负值），一组经纬度坐标需占用6个字节（经度、纬度各占用3个字节）。再加上用户卡ID号标识（2.5个字节）。按此方式计算，一条RDSS短报文最多可传送的临近用户位置信息为210÷8.5=24组。

表1 BDS短报文位置信息组帧格式　　B

当系统较为庞大、用户设备较多（位置信息大于24组数据）时，指控中心BDS指挥机一次不能将所有终端设备上报的位置数据一次发送给位置共享申请用户。为此，指控中心需要将所有终端上报的位置信息进行计算处理，以距离申请用户距离为度量，由近及远依次排序。以一次最多可发送的终端位置信息个数为限，优先发送距离申请用户最近的用户位置信息。本次信息发送完毕后，如申请用户对其他用户的位置信息有进一步的需求，可向指控中心申请，由指控中心按距离最近为优先，顺次发送其他用户的位置信息，依次类推。

2.2 用户终端设计

基于同一硬件电路原理，根据使用场景的不同，用户终端的外观结构形态可依据不同用户的具体需求灵活设计，如便于人员携带手持型、便于车辆安装的车载型、适应海洋船只使用的船载型等。用户终端采用Android操作系统，基于装载的支持BDS短报文的功能模块，开发能够实现位置信息共享功能的应用软件（application, App）。由于硬件原理相同，因而位置信息共享App可适用不同结构类型的用户终端。用户终端应用软件组成架构如图6所示。

图6 用户终端应用软件架构

用户终端应用软件由登录用户鉴权、入网状态监视、位置信息服务、地图显示、自定义信息发送和其他辅助工具6个功能模块组成。与指控中心应用软件相比，除用于共享位置信息申请、接收、解析和显示的位置信息服务模块外，其余模块二者基本雷同，在此不一一赘述。用户终端完成一次位置信息共享申请的工作流程如图7所示。

用户终端开机入网后，启用位置信息共享应用软件。通过位置信息服务模块中的位置共享申请向指控中心发送位置信息共享申请。指控中心收到下属用户位置信息申请后，以通播方式向所有在网终端发送位置上报指令。所有用户终端（包括申请提交用户）收到位置上报指令后，将自己的位置信息上报给指控中心。指控中心将在一个数据接收周期内接收到的用户上报的位置信息整合处理，并按距离申请用户由近及远的次序依次组帧，并发送至申请用户；用户终端收到数据后，对数据进行解析还原，并以直观标注的形式显示在地图界面中，从而完成一次位置信息共享工作。

图7 用户终端位置信息共享工作流程

3 系统测试与分析

为保证测试具有代表性和针对性，测试系统由指控系统若干用户终端设备组成。其中指控系统由指控计算机和市场上主流成熟的BDS指挥机及其配套附件组成，指控计算机装载有开发设计的指控中心应用软件，并与BDS指挥机相连。BDS指挥机天线架设于空旷无遮拦位置，并与指挥机连接。测试用户终端选用具有BDS RDSS通信功能的智能手持终端产品，并装载对应的位置共享服务应用软件。用户终端分别放置于空旷无遮拦的室外测试场。由于BDS导航定位系统当前的定位精度为10 m，因此为保证测试结果的具有普遍代表性，BDS指挥机天线与各个用户终端之间的彼此距离要大于10 m。

依据方案对通信卡的配属要求，指挥机装入指挥卡，用户终端装入该指挥卡的下属用户卡，将各个通信卡的通信号码分别配置于相应软件配置项中，并确保所有卡的通信频次和发送短报文的最长数据长度与应用软件相匹配。相关设备架设完毕并加电开机，开启应用软件，待设备启动完毕并锁定BDS卫星信号后，使用任一用户终端发送位置共享申请，检验能否收到其他临近用户设备的位置信息，以检验位置共享功能。某一用户终端申请位置共享操作后，收到共享位置信息。测试效果如图8所示。

图8 测试效果

指控中心监控平台的主界面上方为菜单栏，可完成对系统和用户终端的相关操控；左侧为用户终端显示列表，可显示系统中在线和离线的所有用户，双击列表任意用户，可弹出该用户属性配置对话框；下方为系统报告消息显示窗口，可显示系统所有的会话信息；右侧为地图显示区，地图显示区的右上方有标准地图与卫星地图切换按钮、测距按钮、全屏显示按钮及搜索对话框；左下角有主动定位、电子罗盘、地图放大与缩小按钮。用户操作软件主界面左侧工具按钮自上而下分别为测距、测坡度、测面积、位置共享申请及指南针按钮，地图界面中小圆点为用户自身位置所处地，旗帜图标为该系统内入网在线的临近其他用户所处的位置。通过测试发现每一台用户终端设备都能够接收到其他用户设备的位置信息，即位置共享功能可实现，验证了该技术方案的可行性。

4 结束语

本文针对当前主流智能终端位置服务技术体制，研究了该技术服务功能使用中的局限性。结合BDS RDSS服务功能和BDS系统体系架构，对基于BDS RDSS的位置信息共享系统方案做出设计。依据总体技术方案，对指控中心和用户终端展开详细设计。基于详细技术方案，开发了相关应用软件，并搭建了相应测试验证系统。实验结果证明了该技术方案的可行性，其能够弥补现有智能终端位置共享服务的局限和不足，进一步拓展BDS的应用领域。文中只针对BDS RDSS的位置信息共享系统做了系统设计与方案测试工作，系统方案的工程化应用实现仍有较多的实际技术问题需要进一步研究，如位置信息组帧格式的更大优化和数据压缩、位置共享实现的数据实时性问题等都成为下一步研究的内容。

[1] 马虹哲.基于Android移动终端的多方位置共享应用系统的设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2012.

[2] 尹士龙. 基于ZigBee网络的手机位置共享系统设计[D]. 成都:电子科技大学, 2015.

[3] 徐颖.北斗的发展之路[J].中国信息安全, 2017(3):73-77.

[4] 周兵.北斗卫星导航系统发展现状与建设构想[J].无线电工程, 2016,46(4):1-4.

[5] 谭述森,李琳.北斗系统导航定位报告体制与工程技术[J].导航定位学报,2013,1(3):1-5.

[6] 何丽,刘茹,屈冬红,等.一种基于北斗短报文通信的动态组网技术[J].科学技术与工程,2015,15(13):149-152，164.

[7] 郑金华.基于北斗RDSS的通用航空应急通讯监视及救援系统设计[J].现代导航,2016,7(1):1-5.

[8] 公茂法,王中刚,肖弘扬,等.北斗短报文通信在抄表系统中的应用[J].自动化与仪表,2015,30(7):33-36.

[9] 郭丹.北斗卫星短报文通信控制系统研究[D].西安:西北大学,2015.

Design of location information sharing system based on BDS RDSS

GAO Kunlun1, DU Feng1, WANG Yanzhao2

（1. The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 450047, China;2. Henan Institute of Metrology , Zhengzhou 450047, China）

In order to overcome the use limitation in the location sharing of current mainstream smart terminals, the paper studied on the location information sharing system based on BDS RDSS architecture: the technological scheme was put forward, and the detailed design for the control center and user terminals was carried out according to the overall scheme, then related application software was developed; finally the test system was established. Result verified the feasibility of the proposed method, which could provide a reference for the application of BDS in the fields of earthquake relief, field exploration, maritime search and rescue, tactical coordination command and so on.

BeiDou navigation satellite system; short-message; radio determination satellite system (RDSS); location information sharing

TN927；TN871

A

2095-4999(2019)03-0057-06

2018-10-12

高昆仑(1986—)，男，河南南阳人，硕士，工程师，研究方向为卫星应用技术、计算机网络与通信技术、电子信息系统设计与集成等。

高昆仑，杜峰，王延昭.BDS RDSS位置信息共享系统设计[J].导航定位学报,2019,7(3):57-62.（GAO Kunlun，DU Feng，WANG Yanzhao.Design of location information sharing system based on BDS RDSS[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(3):57-62.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190310.