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北斗卫星导航在林业中的应用模式研究

2017-07-26 10:05:33来源:卫星与网络 编辑:浏览:

作者 | 胡 鸿,杨雪清(国家林业局调查规划设计院);

黄静华,林志英,吴东亮(北京联合大学)

刊登于《林业资源管理》2017年6月第3期

摘要:将北斗卫星导航与林业业务关联,使北斗卫星导航与多种应用技术结合,如移动互联网技术、北斗短报文和地图服务等,并在与之相关应用系统中实现。同时,通过对卫星导航的基础据采集,将北斗卫星与GPS的单双模导航的卫星个数、信号强度和PDOP综合位置精度因子等进行统计分析,比较了这两种卫星导航精度的差异,结果表明北斗导航在数据的稳定性上具有优势。

长期以来,中国卫星导航应用基本被国外技术垄断,交通运输、电力调度、通信网络、金融系统等重要基础设施过分依赖GPS,风险巨大,后果严重。北斗卫星导航定位系统作为国家重要的基础设施,也是国际导航系统的重要组成部分,发展独立自主的卫星导航系统是国家的重大国策。

根据需求的不同,北斗导航往往采用与其他技术的组合,如移动互联网、导航双模技术,以及自身的北斗短报文通讯,地图服务以满足各种应用的需求。北斗导航系统建成以来,已得到各类不同用户的广泛使用,其性能稳定、使用方便,在我国国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业、交通、水利等行业已发挥了重要作用。

我国林业资源分布广、面积大,资源监测、管理和保护工作多在树冠浓密的林内或地形复杂林区,GPS卫星导航定位信号较易受到影响,需要国产卫星导航技术和设备支持,来提高林业工作效率、 监测精度和管理水平。同时,我国林业任务多样,每年造林、营林、护林任务艰巨,林业执法监管任务繁重,具有特殊的应用环境和工作状态,对卫星导航终端专用设备有较大的需求潜力,在我国林业生产与实践等方面具有广阔的应用前景。

基于以上原因,北斗卫星导航全力打造“互联网 +林业”的发展模式,并与林业公共服务管理无缝对接,成为近几年来林业信息化发展的主流。本文通过“北斗卫星导航在林业中的示范应用工程项目”的实践,在构建北斗卫星导航在林业中的应用系统中,针对北斗卫星导航技术与其他技术的配合,将北斗卫星导航技术与林业业务系统的集成,旨在为加快北斗卫星导航在林业中的应用提供帮助。

在林业应用系统中的实现方式

1、系统需求

北斗卫星导航在林业应用系统中的实现主要是根据具体的应用需求来定。从任务来说,可以是单任务应用和多任务应用,譬如说单任务就是采用一个北斗导航的设备,记录自己的定位和轨迹,多任务是除定位导航外,还通过北斗通讯,可以实施救援;从系统来说,可以是集中式构架和分布式构架两种,这两种都是需要建立后台系统,并与前端(移动端)通过数字通讯的方式,实现数据传输,完成多项任务。

2、系统用户

根据系统的构架不同,系统用户的层次与权限也不相同。分布式系统的用户是分布在不同的层次上,以区域为组,其优势是对中心服务器的压力比较小。对于集中式的构架,按照权限不同可以分为国家、省、市、县四级用户,优点是维护方便,但对于中心服务器的压力很大。

3、应用系统总体架构

以“北斗卫星导航在林业中的示范应用工程项目”为例,采用的是集中式系统构架。该系统主要包括北斗导航(北斗卫星导航和北斗短报文通讯)、移动互联网、林业北斗综合服务平台和北斗林业业务运行系统。 其中,林业北斗综合服务平台主要通过北斗卫星通讯、移动网络、有线链路等方式实现数据的互联、管理与展示;北斗林业业务运行系统主要包括北斗森林资源调查系统(桌面端 +移动端)、北斗森林管护系统(桌面端+移动端)、北斗森林防火监控和应急指挥系统(桌面端+移动端)和北斗森林病虫害防治系统(桌面端+移动端)。 应用系统实现方式如图1所示。本系统构架的特点是数据集中管理,由林业野外工作者负责信息采集、实时或者延时上报与回传给林业北斗综合服务平台,为国家、省、市、县四级用户的林业管理与决策提供可靠的数据来源。

图1 应用系统实现方式构架图

在林业应用系统中的多技术组合

1、林业业务类型

林业业务类型有多种类型,其主要类型与应用需求关系如表1所示。

表1 林业业务类型与应用需求关系表

2、应用技术

2.1 移动互联网技术

移动互联网指通过基站建立起来的2G/3G/4G网络。目前能够在实际中应用的是3G/4G网络,将来会发展到5G网络,大大提高数据的传输速度与带宽容量。而林业应用系统是在移动通讯网络存在的条件下,移动端通过链接移动通讯网络将所采集的数据回传至数据中心。

2.2 北斗卫星导航

北斗卫星导航与GPS导航一样,能够实现接收卫星的定位数据,定位精度为水平精度100m(1σ), 设立标校站之后为20m(类似差分状态);工作频率为2491.75MHz。同时,提供RDSS双向授时授权服务,解决了动态用户的高精度授时。

2.3 北斗通讯(北斗短报文)

北斗的最大特点是实现了导航与通信集成,增强了导航能力和搜索救援能力。可实现用户信息共享和信息交换。北斗系统用户终端具有双向报文通信功能, 用户可以一次传送120个汉字的短报文信息。

2.4 地图数据调用

地图数据是北斗卫星导航在林业中应用的重要部分。后台展示和野外移动端都需要配合使用。

目前,地图数据服务商比较多,主要有谷歌地图、百度地图、高德地图、天地图等。另外,还有一些企业提供它们的地图数据服务。从我国现实情况来看,采用天地图还是一个比较好的方案,它能提供平台和移动端地图数据调用接口,调用速度快,能满足实际应用的需求。本文所提供的实例均采用天地图数据调用。

3、应用技术组合方式

根据林业各种业务的需求不同,在应用系统中采取对北斗定位导航、北斗短报文通信、以及移动互联网等多种技术进行组合的方式,以实现北斗卫星导航技术在林业应用中的多种解决方案。

3.1 定位导航+数据保存本地+数据导出

这类应用主要是使用北斗导航,采集数据无需通过移动网络回传,采用保存本地即可,如有害生物调查。在有些要求更为严格的业务中,如一类、二类、三类森林资源调查,以及更新类森林资源调查,其数据需要与互联网隔离,这类业务系统更需采用此种方式。

1)森林有害生物调查。

在北斗森林病虫害调查系统应用中,野外调查系统移动端获取北斗卫星经纬度数据,定位固定样地,并进行导航,或者设置临时样地。然后对森林病害、虫害、鼠害等进行调查,获取数据后保存本地。完成外业调查后,将调查数据导出,并传输给数据中心(后台),作进一步处理,系统业务流程如图2所示。

图2 北斗森林有害生物调查业务流程

2)森林资源调查。

在北斗森林资源调查软件中,应用系统野外调查移动端获取北斗卫星经纬度数据,定位和导航到标准地或者小班位置,并实现在地面无移动互联网通信情况下,将调查数据保存本地, 结束外业调查后将数据导出,并传输给数据中心(后台),做进一步处理,系统业务流程如图3所示。

图3 北斗森林资源调查系统业务流程

3.2 定位导航+移动互联网+数据实时回传

这类应用需要将野外采集的数据实时回传,并记录轨迹,如森林管护。森林管护是林业生产中的重要一环,系统的野外巡护移动端获取北斗卫星经纬度数据,实现将定位与数据采集(包括业务类型、事件描述、拍照视频等)、火警、巡护轨迹的绑定,并通过移动互联网实时将数据回传给数据中心,系统按照优先级作处理,如火警会第一时间发送给森林防火指挥中心(桌面端),其他数据将会进行统计分析与展示,系统业务流程如图4所示。

图4 北斗森林管护系统业务流程

3.3 定位导航+北斗短报文+数据回传

这类应用主要用于突发事件的处置与救援,特别是森林火警、森林火灾扑救、森林旅游中的伤员救治等。由于这类应用的特殊性,需要在地面移动互联网通讯状况不好,或者无网的情况下,也要与相隔很远的指挥中心进行通讯。所以,采用北斗短报文通讯的功能,以实现在地面无移动互联网通信情况下的实时通信,将现场采集的数据回传或者是命令下达。

如森林防火扑救指挥系统,该系统主要由北斗森林防火指挥中心(火灾损失评估),北斗车载指挥系统和北斗单兵系统组成。北斗单兵系统移动端获取北斗卫星经纬度数据,进行火点定位和导航,并及时通过北斗短报文将火情、火灾因子以及扑救人员情况进行上报,森林防火指挥中心接收上报数据然后下达扑救命令。同时,车载指挥系统和北斗单兵系统实施现场扑救。整个过程的实现在地面无移动互联网通信情况下,3个部分能够顺利联动完成整个森林火灾的扑救任务,整个业务流程如图5所示。

图5 北斗森林防火扑救指挥系统业务流程

北斗卫星定位精度分析

1、卫星导航模式

卫星导航分单模导航和双模导航,即GPS单模(简称单模)、北斗单模和GPS+北斗双模(简称双模)3种。目前,我国绝大多数手机厂商已经采用了双模导航芯片和接口软件,已经很少有北斗单模导航芯片的终端或手机。

2、测试终端或手机选型

为了测试北斗导航的精度,选择GPS+北斗双模终端(HWACREATE P6)和较早机型GPS单模手 机(YQ601)。卫星定位数据采集软件采用NMEA Recorder, 包括的功能有Activate NMEA和record nmea。

3、测试环境

测试共分为4个批次,同样选择在天气较晴朗,云层遮盖较低的城市道路中进行测试,其中前2批次采用双模手机进行测试,后2批次采用GPS单模手机进行测试。第1批次测试剔除0组无效数据,第2批次测试剔除17组无效数据,第3批次测试剔除54组无效数据,第4批次剔除43组无效数据。

4、卫星数量(获取每组定位数据)

每当采集一组定位数据时,参与的卫星颗数,卫星数量值越大,则表明效果越好,如表2所示。

表2 每组导航卫星实验平均数一览表

5、卫星信号强度(获取每组定位数据)

强度即为信噪比,英文名称叫做SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO),又称为讯噪比。信噪比的计量单位为dB,计算方法为10log10(Ps/Pn),其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率。高的信噪比可以提供更好的网络接收率、更好的网络通信质量以及更好的网络可靠率。 在强度数据中,有3组信号强度值,其平均值和方差如表3所示。对于这3组信号的强度值,在双模终端中,对GPS和BD进行方差检验,结果如表4所示。

表3 信号强度对比表

表4 单因素方差分析表

6、PDOP位置精度因子

位置精度因子(Position Dilution Of Precision)取值范围为0.5~99.9,为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值,所以PDOP²=HDOP²+VDOP² (其中,HDOP为水平分量精度因子,VDOP为垂直分量精度因子)。具体含义:归因于卫星的几何分布,天空中卫星分布程度越好,定位精度越高(数值越小精度越高)。PDOP值为卫星分布的空间几何强度因子,一般卫星分布越好时,PDOP值越小。具体结果如表5所示。 对于PDOP综合位置精度因子,在双模终端中,对GPS的PDOP综合位置精度因子和BD的PDOP综合位置精度因子进行方差检验,结果如表6所示。

表5 PDOP综合位置精度因子

表6 PDOP综合位置精度单因素方差分析表

结果与讨论

1)北斗双模导航在我国林业中的应用具有极大的潜力。在以上的应用实例中都能满足业务的需求。特别是北斗短报文的应用,相对于GPS弥补了在地面无移动互联网通讯的缺陷,使得救援等突发事件也能得到及时处置,拓展了应用范围;

2)北斗定位导航精度有了极大的提高,在我国空域上定位导航数据具有更为稳定的特性,与GPS结合的双模导航相互得到了补充,使得定位导航更为方便、准确和快捷;

3)尽管北斗卫星导航在林业中的应用能方便实现,但仍然有许多问题需要解决,如提高北斗终端的接收能力和容错能力。即在应用系统层面上,通过软件的过滤等功能,剔除无效数据,以提高定位精度;

4)本文对于北斗卫星导航的精度分析,所采集的数据环境有限,对于精度的评估不够全面,没有考虑更多的干扰因子;

5)对比其他研究学者的研究,如已经做出的多种定位模式试验与分析,从用户角度探讨北斗卫星导航系统的导航定位性能和潜在的应用价值,本文仅做了北斗卫星双模导航与GPS单模导航在相同条件下的测试。因此,这种应用测试有一定的局限性;

6)目前,北斗卫星导航在林业中的应用还不够广泛,需要进一步开发与林业业务相关的北斗卫星导航应用系统,以适用林业信息化快速发展的要求。

WorldView-2

卫星类型: 对地观测

所属国家: 美国

分辨率: 0.5米

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