基于北斗短報文通信的應用軟件管理與發布系統研究

曾亞　周琦　吳瓊

摘要：本文研究了北斗衛星導航定位系統的應用特色，根據目前應用比較成功的移動應用商店技術，針對北斗導航系統先軍后民、跨平臺以及國產化自主可控的要求，提出了一個利用北斗導航系統終端用戶的唯一識別性進行終端管理和北斗短報文通信的終端應用軟件管理系統，集終端應用軟件的開發、管理、發布和更新于一體，充分發揮北斗特有的短報文功能，滿足多種平臺下的北斗移動終端設備中的應用安裝和更新等需求和特種行業或者特殊情況下通信的需求。

關鍵詞：北斗導航系統；應用軟件；短報文通信

中圖分類號：TN912.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0097-04

1 研究背景

北斗衛星導航定位系統（BDS）是由我國自行研發且具有自主知識產權的全球導航衛星系統（GNSS）。BDS除了具有通用GNSS的定位和授時功能之外，還具有的短報文通信的特有功能，是繼GPS和GLONASS之后的第三個成熟的衛星導航系統。BDS由衛星、地面站、觀測站和用戶終端四部分組成。截止2017年底，BDS擁有25顆導航衛星，已經完全覆蓋亞洲地區，可以提供全天候的定位、通信、授時服務，其能力和GPS基本相當，經過差分信號后的定位精度達到米級，授時精度達十納秒（ns）級，完全滿足通用的導航定位等服務需求。2017年11月，我國開始實施“北斗三號”系統建設。根據系統建設的總體規劃，計劃在2018年底前，BDS將為面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務，到2020年前后，完成35顆衛星發射組網，可以為全球用戶提供服務。

從2004年首次啟用，BDS在軍事化和民事化應用不斷推進，在國民經濟的各個領域發揮著越來越重要的作用，尤其在2008年的汶川地震抗震救災中，BDS全力保障了救災部隊行動，及時挽回了災民的生命和財產。BDS可以說在各行各業都取得了較大的影響和成就，但是，BDS的產業化能力還不足，在軍、民用方面推廣都不夠理想，和GPS的市場份額相比還有很大的差距。當前，雖然各行各業用戶都根據自身行業特點和需求開發了一些應用系統，但是總體看起來，軟件分散、獨立，服務功能有限，缺乏統一的軟件平臺支持，并不能從根本上促進BDS系統的推廣應用。

2 能力及需求分析

2.1 北斗系統提供的主要能力

我國始終秉持和踐行“中國的北斗，世界的北斗”的發展理念，服務“一帶一路”建設發展，積極推進北斗系統國際合作，為我國及周邊的地區提供定位及數據通信服務。在BDS出現之前，定位通信服務一般采用GPS定位加上移動通信進行遠程監控。當時這種模式有很大的局限性，在沙漠或者叢林這樣的邊遠地區，沒有移動通信信號，一旦有人員或車輛發生故障后很難進行有效監控和救援。在BDS應用之后，這一現象得到徹底解決，由于BDS具備位置信息服務和短報文報文服務雙重功能，使得全時域和全地域的服務成為可能。

預計到2020年前后，覆蓋全球的BDS全部建成，可在全球范圍內全天候不間斷地提供高精度、高可靠的定位、導航和授時服務，具體如下所述。

（1）短報文通信：最高傳送速度為120字節/秒。

（2）精度：定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

（3）系統容納的最大用戶數：針對通信功能用戶容量是540000戶/小時，針對導航定位用戶沒有限制。

與其他導航系統相比，BDS具有獨特的短報文通信能力，本文將挖掘其在應用管理與發布系統中的通信服務能力，為終端應用提供不間斷的通信服務。

2.2 報文通信機制

北斗系統用戶終端（下文簡稱北斗終端）具有雙向報文通信功能，根據北斗用戶卡權限等級的不同，提供秒級～分鐘級的通信頻率。在常規通訊不可達的區域（如遠洋、沙漠等）具有非常重要的應用價值。通信原理如圖1所示。

北斗終端可以通過短報文相互通信，終端從屬于指揮機管理。終端之間可以點對點的通信，指揮機和終端之間可以點對點或者點對多。BDS不支持終端之間組群通信，但是可以通過后臺模擬實現。同樣，如圖1所示的A群組內部可以任意通信，如果想和B組內終端通訊，必須經過群組A內的指揮機和B組內的指揮機B之間進行通信轉發，這些復雜的邏輯，可以通過后臺通信服務平臺提供統一的通信服務，從而使得終端用戶不需要了解后臺復雜的流程，這樣一來，必將更加有利于這一功能的推廣。本文研究的系統就是屏蔽了所有的BDS的短報文實現邏輯，為用戶提供統一的、邏輯簡單的通信服務接口。

對于測繪行業或者軍事應用，使用環境不會像民用那么的理想，更多的是面臨沒有網絡情況，那么如何克服這種劣勢，或者如何利用有限的北斗短報文通信手段來滿足用戶需求，實現救援、告警、路書等具有特定應用場景的服務，這個可以說是個新的應用研究方向。本文就是將BDS短報文應用管理與發布平臺進行深度融合，給通用和特殊行業應用提供全地域的通信服務。

2.3 應用管理與發布系統主要功能

體統提供終端軟件的開發、上傳、下載、更新等功能，總體架構如圖2所示。

針對應用軟件的管理與部署需求，吸收網絡化應用軟件管理思想，定制和設計本系統。在服務端采用B/S設計模式，以門戶網站的形式提供應用管理與發布服務，支持終端應用的批量部署等操作。根據BDS授權的唯一用戶識別號來確定移動終端的屬性，避免人為引起的錯誤，所有移動終端由平臺統一管理和調配使用。對終端和終端中的應用程序軟件來說，系統不僅提供終端應用管理客戶端和服務端的通信，還要提供基于北斗短報文形式的終端應用和服務端的通信服務能力，比如為測繪領域應用提供遠端數據采集功能、為單兵應用系統提供路書功能、為森林蟲害防治提供蟲害信息收集功能等等。

3 系統設計與實現

3.1 系統總體框架設計

應用管理與發布系統按照使用場景可以分為服務端（包括門戶網站）和移動終端兩個部分，總體框架如圖3所示。

應用軟件管理與發布系統提供開發環境、開發工具包、終端模擬器等，供設計師開發終端應用軟件所用。設計師開發好終端應用軟件后，必須根據平臺對終端軟件的設計規范打包好應用并上傳，之后，開發人員可以登錄統一的門戶網站查詢軟件狀態，待管理員審核通過后，移動終端用戶才能夠通過應用管理客戶端進行應用下載和使用。

3.2 服務端框架設計

服務端在架構上采用由數據層、服務層和應用層組成的多層框架結構。數據層負責軟件和數據文件的管理，為了更好的適應行業需求，還要求支持主流的商業和國產數據庫；服務層負責整個系統的邏輯實現；應用層負責系統與外部的交互，使用統一的API接口作為用戶的應用界面。在通用的服務層，我們嵌入了BDS系統的短報文服務，提供點對點，組群，廣播等多種形式的消息通信基礎服務，屏蔽了BDS系統短報文的復雜邏輯，使得用戶使用起來簡單易行。整個服務端的功能框架如圖4所示。

3.3 門戶網站設計

本系統采用常用的三分欄式結構門戶設計思路，使用導航來進行分欄。門戶網站主要包括用戶、應用和配置管理三個部分。界面框架設計如圖5所示。

3.4 移動終端框架設計

移動終端程序在架構上采用和服務器端相同的框架結構。數據層負責本地應用和數據的存儲與訪問。為了更好的做到跨平臺設計，數據輕量級數據庫SQLite來實現，負責各類數據的存儲，為架構化存儲提供了基礎（主要為了更好的存儲導航地圖等矢量數據）。服務層負責業務邏輯和接口訪問。移動終端的框架（以Android為例）如圖6所示。

其中UI層負責與用戶的交互，采用通用圖形庫中間件（中國電子科技集團公司第三十二研究所）進行設計，為終端應用軟件的跨平臺提供了良好的支撐，實現一次開發，多平臺復用。使用這一中間件不僅大大減輕開發者開發不同終端平臺的工作量，而且能夠實現跨平臺的顯示一致性。本文僅以安卓作為示例，實際工作中，我們已經在WinCE和銳華國產操作系統上取得成功的驗證。也就是說，在安卓上開發好的應用，可以很容易的移植到WinCE平臺，且保證應用在安卓終端和WinCE終端下界面顯示是完全一致的，做的和平臺無關應用軟件設計。

同時，為了兼容并充分發揮北斗導航系統的功能，本系統對消息推送服務做了定制，實現在移動網絡通暢的條件下優先使用移動網絡，在沒有移動網絡的惡劣環境，諸如戈壁、沙漠、叢林等，自動切換為北斗短報文通信機制，并且根據不同網絡的特點，增強用戶的體驗度，對終端的應用作了一些限制，比如在短報文通信模式下，將圖片傳輸關閉，真的要做到圖片傳輸也是可能的，只是體驗效果太差，期待以后BDS系統能力提升后在增加多媒體的體驗功能。

4 可行性驗證

4.1 驗證環境部署

驗證環境包括北斗通信設備、服務端設備、終端設備和網絡設施四個方面，驗證環境示意圖如圖7所示。

其中安卓移動終端是一臺具備收發北斗短信的移動終端，其內置北斗模塊，使用的北斗用戶卡是北斗導航系統中具有唯一識別號的身份卡，同時其還具備Wifi鏈路通信功能，用以測試其在Wifi信號可用和不可用時的終端通信功能。為了實現北斗短報文服務功能，我們在服務器端接入了一臺指揮機，服務器通過指揮機提供和終端通信服務。在Web端PC機上我們布置了通訊軟件的PC版本，使用服務器提供的通信服務和移動終端進行通信。

4.2 功能測試

開發者用戶首先通過Web登錄系統，注冊一個新的用戶，該用戶必須由管理者審核通過后方有效。然后登錄系統，選擇適合的開發環境和文檔并下載，根據平臺對終端的開發規范在本地進行終端應用軟件的開發工作。為了驗證短報文的通信功能，我們開發了一個簡單的及時通信軟件“軍微通”，開發完成后，打包上傳到服務器，經平臺審核后通過后，使用移動終端進行下載使用，為了更好的完成驗證，可同時在Web端部署桌面端“軍微通”，在服務器部署了“軍微通”服務。

對于上傳的終端應用軟件，管理者通過應用軟件審核及發布界面進行應用審核和發布。對于審核通過的應用，管理者可以根據需要增加或者修改一些必要的發布信息，比如限制哪一類BDS終端用戶不可以訪問等，然后將應用發布到平臺，之后使用者才可以通過移動終端中的應用管理發布客戶端來查詢并且下載使用該軟件。

因為終端帶有北斗用戶卡，我們直接用用戶卡作為用戶名就可以了，此卡號在北斗導航系統中是唯一識別號，后臺會根據卡的屬性分配響應的權限。

提交成功以后，用戶所屬平臺和關聯應用，需要管理者根據用戶特征來指定，審核通過后，用戶才可以使用響應的功能，這里我們將該用戶和軍微通關聯起來。

終端用戶通過應用管理客戶端可以查看瀏覽自身權限范圍內的應用，找到前面上傳的軍微通app，下載安裝后運行。

運行后我們可以通過軟件實現在終端和PC端的即時通信功能，進行圖片和文字的傳輸。關掉無線路由器，可以發現軟件提醒通信方式為北斗模式，此時只可以進行文字通信，圖片傳輸功能被禁止使用。如果開啟無線路由器，軟件將恢復到之前的狀態。從而驗證在沒有數據鏈路的情況下，可以實現通信的無縫切換。

4.3 系統存在的問題及分析

在進行終端軟件通信測試時，當通信模式切換為北斗模式時，消息延遲較大，用戶體驗效果不佳，通過分析后發現主要是兩個原因，一是北斗信號較弱，二是用戶卡的級別較低而導致消息延時大。

5 結語

本文針對北斗導航領域行業應用需求，為了更好地滿足領域用戶多樣化導航等服務，提出了將基于BDS的短報文融入到終端應用管理與發布系統中，提供無縫隙覆蓋的通信服務，進一步推動BDS的領域應用。

參考文獻

[1]曾亞.面向北斗導航的應用軟件管理與發布系統的設計與實現[D].東北大學，2015.

[2]北斗知識產權動態.工業和信息化部電子知識產權中心，2017，1-6.

[3]李冠群.北斗系統及產品應用介紹[產品介紹].北斗星通，2012，（1）：10-18.

[4]胡波.AndroidAppStore架構設計與分析[J].硅谷，2013，（2）：64-65.

[5]范穎，周慶山.移動互聯網商業生態系統的競爭與更迭[J].圖書情報工作，2014.（10）：24-28.

[6]楊文鳳.中國聯通門戶網站網上營業廳系統的設計與實現[D].華中科技大學，2008.

[7]賀松平.基于MVC模式的B/S架構的研究及應用[D].華中科技大學，2007.

[8]姜小艷.基于B/S架構的內容管理系統的設計與研究[J].科技信息，2010，（12）：128-132.

[9]王娟.基于Struts+Spring+Hibernate短信平臺管理系統設計[J].電腦學習，2008，（3）：68-72.

[10]舒文瓊.企業級APP蓄勢待發運營商如何把握市場機遇[J].通信世界，2013，（11）：20-21.

[11]馬友忠，孟小峰，姜大昕.移動應用集成：框架、技術與挑戰[J].計算機學報，2013，（7）：1375-1386.

[12]Barbara Ballard.Designing the Mobile User Experience[M].Wiley，2007.