北斗導航定位系統在林業生態建設與保護中的應用

王偉 董國棟 張亞寧 冀宏斌

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

引言

北斗重大專項典型示范工程是促進衛星導航重大專項應用推廣與產業化的重要舉措。示范類專題的目標是在具有廣泛影響力的重點領域，實施一系列具有重大影響力、示范帶動性強、推廣前景明確的典型示范應用項目。為了促進和落實好北斗系統在林業領域的示范應用和推廣，“林業生態建設與保護北斗示范應用系統工程”被列入中國第二代衛星導航系統示范類專題[1]。基于林業北斗示范應用工程的實施，研究北斗系統在林業生態建設與保護中的作用。通過不同行業大范圍、規模化的應用，完成對在建系統的技術試驗驗證；以行業示范帶動行業應用，以區域示范帶動區域應用，帶動消費類市場的拓展，建立系統性能、產品質量、用戶市場三者之間的良性互動[2]。

1 論文研究內容

在林業生態建設與保護過程中，北斗系列產品除了在林火方面有小規模應用外，在林業其他領域還未被廣泛應用[3]。本文基于作者團隊開展的北斗林業示范應用專項建設實施工作，將北斗導航定位、授時、短報文通信等特色服務及物聯網、云計算等技術融合搭建北斗林業綜合服務平臺，將北斗導航定位通信終端與林業現有傳感器結合，充分發揮北斗終端在林業應用場景下的數據采集、信息獲取和信息互動能力。開展北斗導航定位系統在林業行業的規模化推廣應用，有助于解決林業野外信息通信難、業務融合度低、數據資源難以共享等系列問題，可有效補齊林業3S技術(衛星導航、遙感、地理信息系統)綜合應用的短板[4]。

2 北斗林業綜合服務平臺設計

本項目的建設充分借鑒“北斗+”和“互聯網+”思維，將北斗示范應用工程建設和林業行業現有的信息化建設的設施、數據、平臺、應用系統相結合[5]。遵循“自主可控、統籌資源、安全共享、示范帶動”的建設思路，集成衛星導航、云計算、移動互聯網、大數據、物聯網等先進技術，采用典型示范引路、以點帶面、整體推進的建設策略，實現北斗在林業的規模化應用，提高林業資源監管能力和信息化水平。

2.1 總體架構

林業生態建設與保護北斗示范應用系統的總體架構與全國林業信息化建設綱要相一致，采用“四橫三縱”式的云服務體系結構[6]。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

感知層，是北斗林業終端的信息采集和匯集層，包括北斗林業示范規劃的6類終端和部分林業數據采集傳感器(土肥、林草環境)，不同類型的北斗終端通過互聯網、專用VPN網絡、4/5G網絡或者北斗短報文通訊的方式與平臺進行數據交互，同時提供國家林草局、氣象、交通、國家遙感中心等第三方平臺數據交換接口；基礎設施層(IaaS)，包括平臺內外網功能分區、網絡資源池、計算資源池、存儲資源池、裸機管理、資源監管和主動防御系統等；平臺層(PaaS層)，包括數據資源池、基礎服務和應用服務，數據資源池包括基礎數據和專題應用數據，基礎服務包括數據連接、匯聚、融合、共享、分析、挖掘、交換等服務，應用服務包括北斗業務、林業一張圖、終端管理與展示等應用服務內容；應用開發層(SaaS層)，提供林業業務應用系統和業務應用系統所需的支撐服務接口，包括基礎服務接口、應用服務接口、數據管理接口、資源管理接口和對外平臺接口；北斗林業安全保障體系、運維體系貫穿林業生態建設與保護北斗示范應用系統的所有層次，為本項目提供設施、數據、應用、網絡、用戶各個層級、數據的安全保障；北斗林業運維體系貫穿林業生態建設與保護北斗示范應用系統的所有層次，提供各個層面的運維依據和方案；北斗林業應用標準規范確保本項目的實施及后續推廣有章可循，包括北斗林業綜合應用框架體系、北斗林業應用設備技術規范類、北斗林業應用數據傳輸協議類、北斗林業應用軟件接口標準類。

2.2 平臺通訊鏈路

平臺通訊鏈路主要集中在北斗林業終端、北斗衛星地面運行中心、第三方北斗數據服務中心、北斗林業綜合應用服務平臺及示范應用用戶之間，系統數據通信鏈路如圖2所示。

圖2 北斗林業終端應用模式示意圖

2.2.1 數據采集階段通訊鏈路

主要是通過林業北斗終端完成對外界數據源的記錄和采集操作，數據采集也可以提供傳感器獲取林業相應的環境數據因子與定位信息進行結合。

2.2.2 數據傳輸階段

將終端采集到的數據通過北斗RDSS、4/5G等鏈路傳輸到北斗林業綜合應用服務平臺。4/5G傳輸鏈路直接通過移動基站或互聯網鏈路接入至平臺；北斗RDSS短報文通信通過具備北斗運營服務資質的第三方企業完成數據接收并與新建北斗林業平臺實現數據的雙向收發。

2.2.3 數據集成、分析和解釋階段

主要是通過平臺完成對已接受數據的抽取、篩選和過濾等操作。當用戶提出查詢時，北斗林業綜合應用服務平臺進行及時地分析與建模，并將結果以用戶可接收的方式返回給用戶。

2.3 平臺數據流

北斗林業綜合應用服務平臺將面向林業業務應用系統、林業業務APP、北斗林業終端提供支撐服務。并與林業“一張圖”、氣象等第三方數據中心有數據交互需求。在進行北斗林業核心平臺設計時，充分考慮后續平臺業務擴展需求進行系統邊界設計。

圖3 平臺數據流圖

2.4 平臺部署

云平臺分為互聯網區和內網區。其中，內網區域的管理節點集群部署保證內網區基礎設施層云功能的正常運行；互聯網區管理節點集群不僅部署了上述內網區域管理節點部署的功能組件，保證互聯網區基礎設施層云功能正常運行，而且部署了Keystone、Horizon等組件，提供全局的鑒權和Portal展示功能，對2個區域的服務進行鑒權以及提供服務訪問界面，即實現在同一個平臺對2個區域進行管理并提供服務。

2個區域通過網閘進行安全隔離。通過對網閘配置安全策略，只允許兩區域之間的管理數據交互，既保證了2個區域的數據隔離，又保證了2個區域的管理節點能夠互通，實現統一管理。互聯網區域通過部署主動安全防御設備保護云平臺業務安全。分別在互聯網區域與內網區域部署一臺防火墻設備，實現邊界安全。

表1 外部接口

表2 系統內部接口表

平臺搭建時充分考慮與現有資源的融合，部分業務遷移至新建云平臺，便于統一管理。其余業務系統直接運行在物理上，服務器資源剩余，不能最大化利用，根據業務不同，進行物理機到云平臺的業務遷移，最終實現數據中心的統一管理。

3 北斗林業終端應用

針對林業業務特點和應用需求，依據“北斗+”的指導思想，結合現有技術水平和北斗產品基礎，規劃并應用的6類北斗林業終端。

3.1 林業手持巡護型

為巡護專用終端，集成BDS/GPS雙模定位，同時支持4/5G多種語音/數據通信、對講和一鍵報警功能，適用于移動通信網絡覆蓋區域，面向基層巡護人員，完成各類巡護任務。

3.2 林業手持智能型

集成北斗RNSS和GPS定位模塊，支持4/5G多種移動通信網絡制式，提供語音通訊和數據通信功能，支持林業數據及圖像、GIS地圖采集功能，可裝載各類業務APP軟件，支持北斗RD短報文通信，適用于移動通信覆蓋區域或盲區，側重應用于森林火災撲救聯合調度與狀態數據采集場景。

3.3 林業應急指揮型

可機動靈活部署在各類應用場景，支持北斗RDSS短報文通信功能，支持有線網絡接入功能，可組網管理具備RD短報文功能，適用于移動通信盲區，面向林業業務應用突發事件的應急指揮調度場景。

3.4 林業車載型

集成BDS/GPS雙模定位和北斗短報文通信和自動位置報告功能，同時支持4/5G數據通信功能，適用于移動通信覆蓋區域或盲區，面向各林業業務應用中對車輛的監控管理及應急指揮調度管理。

3.5 林業勘界測量型

外接型設備，支持亞米級的高精度定位，支持導航定位功能，可支持基于地圖的勘測繪圖功能，滿足林業勘界測量等業務對高精度定位導航的需求，適用于林地更新調查等各類野外調查及勘界測量高精度應用。

3.6 北斗RD通信型

具有北斗RDSS定位通信及藍牙/Wifi傳輸、一鍵遇險求救按鍵，能夠滿足通信盲區林業通信應用需求，適用于移動通信覆蓋區域或盲區，面向需北斗定位及通信支持的林業各類野外業務應用。

4 結論與規劃

當前北斗林業綜合服務云平臺已上線運行具備支撐林業業務系統運行能力。森林火災撲救聯合調度、北斗林政執法管理、北斗林地年度變化更新應用、保護區巡護管理、森林火災動態監控5個典型北斗林業示范應用系統基于北斗林業綜合服務云平臺已完成研制，并初步制定了北斗林業綜合服務平臺與北斗終端的數據交互標準規范，林業終端采集的業務數據已實現正常接入與應用。北斗導航定位系統主要實現林業信息采集、簡單處理和數據傳輸，為北斗林業業務提供基礎信息及信息傳輸通道，實現人與林、林與林之間的相互感知；北斗林業綜合應用服務平臺實現林業業務數據的匯聚、整合，提升林業信息資源的互聯共享能力。北斗導航定位系統在林業行業中的應用能充分挖掘北斗導航定位通信應用潛力和能力，結合北斗林業綜合應用服務平臺可共同為林業業務應用賦能[7]。未來將與各示范省完善平臺數據交互方案，陸續在多個示范省規模化部署北斗林業終端開展應用推廣，擴大應用成效。