北斗三號終端軟件關鍵技術研究及應用

郭 浩，高 揚，吳 強，張軍偉，張帥毅

(1.西安測繪研究所，西安 710054； 2.地理信息國家重點實驗室，西安 710054；3.航天宏圖信息技術股份有限公司，北京 100195)

0 引言

2020年7月31日，北斗三號衛星導航系統正式開通并組網運行，面向全球用戶提供導航定位、短報文通信、信息播發、國際搜救等多類服務，這為進一步豐富北斗應用場景、賦能行業應用提供了良好機遇和有力保障。短報文通信是北斗的特色和優勢，具有全天候、全天時、覆蓋范圍廣等特點，能為境外、遠海、荒漠、復雜地形環境下的用戶提供可靠通信手段，已作為北斗終端軟件的主要功能廣泛應用于國防軍工、救災減災、生態環保、交通運輸、海洋漁業等領域。

現有的北斗終端軟件在短報文通信功能上還比較基礎單一，多采用點對點自由文本的方式，這種方式字符輸入操作不便、信息傳輸效率不高、人工讀寫勞神費力，還停留在“人對機器”的階段，影響了用戶的使用體驗和北斗的應用效能。隨著北斗三號短報文通信能力的大幅提升，行業用戶對北斗終端軟件的應用能力提出了新的更高要求，主要表現如下：(1)北斗短報文通信鏈路作為一種稀缺資源，純文本信息傳輸效率不高，需要進一步優化數據編碼，提高北斗短報文信息密度和傳輸效率。(2)多個終端用戶之間能夠自由臨機組網和動態調整組員，類似于建微信群，群組內用戶可實現短報文信息互聯互通和資源共享。(3)北斗三號區域短報文通信容量顯著增加，使得語音、圖像傳輸成為可能，需要提升北斗短報文傳輸的適用性，拓展多媒體信息傳輸功能。(4)隨著北斗應用持續深入，單個報文的容量已無法滿足大數據量信息的傳送要求，行業用戶對于可靠準確的長報文傳輸需求日益強烈。

為適應北斗技術發展和行業應用需求，本文在繼承北斗終端現有部分功能和底層通信協議的基礎上，定制統一編解碼、可動態擴展的北斗格式化報文協議，研究格式化報文服務、虛擬化動態組網、多媒體壓縮重建、長報文自適應傳輸等應用功能和關鍵技術，設計了新型的北斗三號終端軟件，并在國防軍工、救災減災、生態環保等領域典型場景進行應用，對于發掘北斗短報文應用潛能、提升北斗三號應用水平、促進北斗應用效能發揮具有重要作用。

1 終端軟件設計

北斗三號終端軟件以手持、車載、船載、機載北斗通用終端為應用平臺，為用戶提供輕量便捷的定位導航、地理信息顯示、信息傳輸共享、群組協同等應用服務。軟件按照基礎支撐、數據資源、應用支撐、應用功能的分層架構進行設計(如圖1所示)，滿足結構化、標準化、模塊化設計要求，支撐軟件具備良好的兼容性、靈活性和可擴展性。

圖1 北斗三號終端軟件設計架構

基礎支撐層提供基礎軟硬件設施及協議規范支持，主要包括：北斗衛星、通用終端硬件、操作系統、嵌入式數據庫、北斗終端通信協議、北斗格式化報文協議等。北斗格式化報文協議是在北斗終端通信協議基礎上，結合行業領域應用實際，自定義設計和定制的格式化報文模板，并采用統一的數據字典庫和編解碼規則，實現北斗短報文信息傳輸由原有的自由文本模式向格式化代碼模式轉變。

數據資源層為終端軟件運行、功能實現提供各類數據，主要包括：地理信息數據、北斗位置數據、衛星服務性能數據、北斗短報文數據、通信協議數據、用戶屬性數據、通訊錄數據、系統配置數據等。

應用支撐層為上層應用功能提供相應的插件及控件，主要包括：北斗定位服務、地理信息服務、報文定制服務、編碼解碼服務、收發校驗服務、傳輸調度服務、軟件集成框架、運維保障服務等。按照北斗格式化報文協議，依據各數據元素的信息、數據元素的關聯關系及報文處理規則，進行格式化報文的編碼、解析、數據合法性檢驗以及報文規則處理、數據字典及報文模板管理維護。

應用功能層針對國防軍工、救災減災、生態環保等領域應用需求，提供定位導航、地理信息顯示、格式化報文通信、動態編組、多媒體數據傳輸等功能。

1)定位導航：支持本機定位和位置報告，自動規劃生成導航路線，能夠對途經點位進行增、刪、改、移，具備導航引導、軌跡播放、航行計算等功能。

2)地理信息顯示：加載和顯示影像圖、系列比例尺地形圖、海圖、空中交通圖，提供地理信息查詢、標注、量算等操作，支持圖層管理、底圖切換和地理信息顯示控制。

3)格式化報文通信：除具備普通自由文本通信功能外，還能收發格式化的北斗短信報文。基于北斗格式化報文協議進行短報文快捷編輯、發送和接收，對報文內容進行可視化顯示和圖上標注，支持消息群發和點對點通信。

4)動態編組：通過虛擬隸屬關系，兼收動態組網消息，按需創建和撤銷通信群組，實現多個終端用戶之間自由組群、信息交互、群組管理和組員臨機調整。

5)多媒體數據傳輸：支持長報文、語音、圖像等多種類型數據輸入、發送、接收和顯示，自動完成大數據量信息的拆包組包、壓縮重建和管理調度。

2 關鍵技術研究

2.1 格式化報文服務

格式化報文服務通過定義并維護基礎數據字典，設計動態可擴展的格式化報文協議集，提供跨平臺格式化報文協議處理引擎，定制系列協議應用組件庫實現北斗短報文信息傳輸由原有的自由文電模式向格式化代碼模式轉變。

圖2 北斗格式化報文服務框架

圖2所示為北斗格式化報文服務框架，面向各行業應用，提取基本概念術語和元數據，定義字段類型、索引編號、比特長度等信息，形成基礎數據字典。提供協議定制工具，支持用戶結合行業應用自定義設計協議的信息內容、數據類型、輸入方式、顯示方式、校驗方式等，靈活編排和擴充行業協議集，形成自定義協議庫。在協議庫和數據字典庫基礎上，研制跨平臺協議處理核心庫，實現格式化報文的編碼、校驗、發送、接收、解碼等功能，封裝形成Android和Windows兩個版本協議處理引擎。定制系列協議應用組件，包括自適應編解碼、收發校驗、傳輸調度等非圖形化組件，以及可視化輸入、可視化展示等圖形界面組件，為國防軍工、救災減災、生態環保等行業用戶提供快捷的信息錄入、高效的數據傳輸、直觀的上圖顯示等短報文應用服務。

圖3所示為基于格式化報文服務的短報文信息輸入與編碼過程，用戶通過從協議庫中選擇報文協議模板能夠快速編輯并生成北斗格式化報文。每條報文模板由描述項內容和數據項內容組成，描述項用于串聯、修飾報文中的數據項，僅輔助用戶輸入和閱讀，不進行傳輸和處理；數據項用于輸入靈活多變的信息內容，是實際傳輸載荷，通過在數據字典庫中索引編碼實現信息內容代碼化。傳輸過程中刪除冗余描述項信息，并對數據項內容進行編碼，實現北斗短報文信息傳輸代碼化、精簡化、高效化。

圖3 基于格式化報文服務的短報文信息輸入編碼過程

2.2 虛擬化動態組網

虛擬化動態組網技術是在參加組網的各終端設備中同時保存其他終端的密鑰，在同一波束下，每臺終端都能兼收到其他終端發送的短報文信息，以此構建起一個相互聯通的虛擬化網絡。設置建立群組、群組確認、調整群組、撤消群組、組內信息交互等北斗格式化報文協議。組網發起方(組長)根據需要自主定義群組名稱、群組ID和群組成員，發出“建立群組”消息。網絡內所有用戶都能兼收到此消息，通過解析群組成員列表，判斷自己是否為群組成員，若是，則將群組名稱、群組ID、其他群組成員信息在本地存儲，同時自動向組長發送“群組確認”回執消息；若不是，則忽略不做任何處理。組長根據群組成員消息回執情況，對沒有入網的成員采取點對點(未入網成員較少)或廣播(未入網成員較多)方式再次發送“建立群組”消息，直至收到所有群組成員回執，動態組網成功。組長可根據需要增加和刪除組內成員，實現群組成員動態調整。組長在更新群組成員列表后，發出“調整群組”消息。原群組內成員收到此消息后，判斷自己是否在群組成員列表中，若在，則更新本地存儲的其他成員信息，并發送回執；若不在，則刪除本地存儲的該群組信息，退出并發送回執。群組外用戶收到此消息后，按照“建立群組”消息處理方式，發送確認回執或忽略。當任務結束時，組長可發出“撤銷群組”消息，結束群組。群組內成員收到此消息后，刪除本地保存的該群組信息，退出并發送回執。在組網有效期內，群組成員通過“信息交互”消息報告本機位置和其他目標、狀態信息，進行組內信息共享和短報文通信。圖4所示為北斗終端虛擬化動態組網技術框架，能夠按需管理可動態調整的北斗終端應用網絡，為用戶提供群組內信息互聯互通和資源共享等功能服務。

圖4 北斗終端虛擬化動態組網技術框架

2.3 多媒體壓縮重建

針對北斗短報文通信鏈路特點，基于差值編碼實現語音、圖像等多媒體信號壓縮與還原，如圖5所示，發送端輸出當前樣值與前一樣值的差值，在接收端將該項預測誤差與前一輸出誤差相加，還原出當前樣值。

圖5 基于差值編碼的多媒體信號壓縮與還原

圖6所示為多媒體信號優化處理流程，能夠實現語音、圖像數據保質、高效和穩定傳輸，并通過預處理和后期處理提升用戶體驗。

圖6 語音、圖像優化壓縮處理流程

在語音優化壓縮與重建方面，將多個音頻幀合并成一個“超級幀”，以犧牲部分延時換取更高的壓縮效率；提升線性預測部分整體計算精度，包括短時預測、長時預測和激勵部分；對延時選擇判斷算法進行重寫，增加參數并重新規劃量化范圍；調整計算步驟、增加新參數以減少計算量；重寫碼率控制算法，提升增益控制的準確度；內置數據恢復算法，通過算法恢復丟失數據。

在圖像優化壓縮與重建方面，使用預處理算法對圖像去噪、銳化或者反銳化，突出核心信息，減少冗余信息；優化縮放算法，提升縮放后圖像質量；對圖像進行分塊或者分層處理，便于分片傳輸；增加解碼器的健壯性和魯棒性，減少錯誤數據的影響，避免崩潰；采用漸進式傳輸方式，減少圖像整體恢復時間；將常用變換存入常量表中，通過快速查表增加運算速度。

2.4 長報文自適應傳輸

由于北斗短報文單次通信容量有限，對于語音、圖像等較大數據量信息，需要進行分包傳輸。受北斗設備、通信環境等多種因素影響，長報文傳輸的成功率會隨著分包數量的增加而逐步降低。為此，設計了北斗三號長報文自適應傳輸機制，根據用戶類型、傳輸等級、服務頻度對長報文進行自動拆分，采用隨機線性矩陣和高斯消元法對分包報文進行冗余編解碼，通過增加一定數量的冗余數據包(M≥N)，保證了長報文傳輸的成功率和準確性。同時，針對多用戶長報文分包傳輸需求，建立了會話調度管理模型，根據緊急程度、用戶等級、傳輸完成率等確定傳輸優先級，通過動態調整分包發送隊列，提高多用戶整體的信息傳輸效率。圖7所示為北斗三號長報文自適應傳輸流程，通過自動拆包與冗余編解碼算法、以及多用戶會話管理模型，顯著提升了北斗三號長報文傳輸的成功率和傳輸效率。

圖7 北斗三號長報文自適應傳輸流程

3 典型場景應用

本節以國防軍工、救災減災、生態環保等領域典型場景應用為例，展示北斗格式化報文服務、北斗終端動態編組、語音圖像傳輸等終端軟件功能服務。

3.1 北斗格式化報文典型應用

圖8所示為北斗格式化報文在救災減災領域的應用場景，巡邏分隊發現火災警情后立即向應急指揮中心上報報警信息。巡邏分隊調用北斗終端軟件的“緊急報警”報文協議模板，快速編輯錄入事件發生的時間、地點、警報類型，生成火災報警并請求支援的北斗格式化報文。通過報文協議處理引擎進行規則處理，完成格式化報文的編碼、校驗和發送。在應急指揮中心接收端，利用統一的格式化報文處理規則進行報文接收、校驗和解碼，并通過圖形界面組件在二三維地圖上顯示報文的具體內容，方便用戶查看和處理。

圖8 北斗格式化報文在救災減災領域的典型應用

通過北斗格式化報文服務，實現北斗短報文信息的模板化輸入、代碼化傳輸、自動化處理和圖形化顯示。相比與普通文本報文通信，采用模板化報文輸入，通過菜單和對話框選擇，信息錄入更快捷、操控速率更高；采用代碼化數據傳輸，只傳遞變化的數據項內容，數據量更精簡、價值密度更大；采用自動化規則處理，由機器根據數據字典編碼和解析，數據二義性更小，準確率更高；采用圖形化界面顯示，以符號和標牌展現報文內容，信息顯示更直觀、讀取效果更佳。

3.2 北斗終端動態編組典型應用

圖9所示為北斗終端動態編組在國防軍工領域的應用場景，根據任務需要建立巡邏小組，組內成員互聯互通和信息共享。巡邏小組組長(群組管理員)利用終端軟件的“創建群”工具，編輯生成“建立群組”指令(包括群組名稱、群組ID、群組成員等)后發送；群組成員接收并確認后，發送同意進群的回執信息，創建群組成功。群組成員可以在巡邏小組群內共享本機位置和通報目標，并在二三維地圖中查看位置、屬性等信息。群組管理員可進行群組名稱的編輯和群組成員的添加、刪除、備注修改等操作，也可發出“撤銷群組”消息，結束群組。

圖9 北斗終端動態編組在國防軍工領域的典型應用

3.3 語音圖像傳輸典型應用

圖10所示為語音圖像傳輸在生態環保領域的應用場景，在監測車、微站等設備上安裝北斗終端，開展某區域陸地沙化及水污染日常監測。利用終端軟件的“圖片傳輸”工具，向環保監察中心指揮機回傳現場圖像；中心結合圖像和污染源數據進行分析研判，確定重點核查區，利用終端軟件的“語音傳輸”工具，向現場環保監察執法人員下達執法檢查指令。

圖10 語音圖像傳輸在生態環保領域的典型應用

經實際應用測試，語音壓縮率約為1%，單包北斗三號區域短報文可傳輸20 s語音，基本無失真、無丟字；圖像壓縮率約為2%，10包北斗三號區域短報文可傳輸3MB大容量圖片，且支持漸進式傳輸。

4 結束語

本文研究了基于北斗的格式化報文服務、虛擬化動態組網、多媒體壓縮重建、長報文自適應傳輸等關鍵技術，設計研制了北斗三號終端軟件，能夠較好地實現格式化報文、語音、圖像、長報文等多媒體信息高效傳輸，滿足多用戶之間動態組網和信息共享需求，為北斗三號衛星導航系統規模化、體系化、產業化應用產生引領和推動作用。