基于北斗卫星的野外跟踪定位系统

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基于北斗卫星的野外跟踪定位系统*
□李晨曾国强谭成君葛良全秦鲲成都理工大学核技术与自动化工程学院
随着我国工业化的快速发展，对矿产资源的需求日
趋增加。尽快发现新的矿产资源地，成为地质行业面临的
重大问题，而位于地表浅层及交通便利地区的各种矿产
已经陆续被发现和开发，地质找矿工作不得不转向交通
不便、通讯盲区，甚至无人区。
在地形条件复杂、地理环境恶劣的无人区和通讯盲
区，野外技术人员经常面对各种困难和危险，如遭遇毒蛇
咬伤、高空坠落、沼泽湖泊、牧狗甚至野兽、洪水等。此外，
与当地牧民发生矛盾也常危及工作及生命安全。当险情
发生时，野外人员唯一依赖的GPS 或卫星电话失灵无疑
是最致命的，有些危险常常在瞬间发生，根本来不及通过
卫星电话寻求救援，野外基地或车载中心也由于不能实
时掌握野外工作人员的动态信息，从而失去主动救援的
良机。
细数历来发生野外失踪人员，最终遇难的在多数，幸
免于难的凤毛麟角，主要原因就在于搜救人员是被动的
了解有人可能失踪，失踪时间、失踪位置，都无法知道，只
能靠推测，开展地毯式排查的方法来搜救，这期间不仅浪
费大量财力人力物力，更重要的错失了营救的最佳时期。
这些血的教训历历在目，时有发生。随着我国每年地质勘
查工作任务量不断增大，由于野外地质工作安全保障程
度低、风险大，地质勘查行业每年伤亡人数持续上升，地
质勘查行业已列入高危行业[1]。
由此可见，研发野外无人区、通讯盲区技术人员追踪
定位系统的必要性和紧迫性，本文提出了一种基于北斗卫
星的野外通信盲区追踪定位系统，以实现野外通信盲区对
工作人员实时追踪与定位。
一、系统整体框图
本野外追踪定位系统主要有两部分构成，配备给野外
工作人员的手持定位导航终端与营地的监控指挥中心，系
统总体框图如图1。
【摘要】为了对工作人员在野外通信盲区进行实时追踪定位，本文设计并实现了一种基于北斗卫星的野外追踪定位
系统。该系统由手持定位导航终端、北斗卫星通信系统、监控平台与数据库组成，实现了野外工作人员的实时定位、数
据通信、路径查询、紧急报警等功能，提高了野外勘查路径的精准度与勘查数据处理的准确性，并最大限度的保证了野
外工作人员的生命安全。
【关键词】北斗卫星导航系统地理信息系统GoogleMap API 跟踪定位
Wild track positioning systembased on Beidou Navigation Satellite
LI Chen，ZENG Guo-qiang，TAN cheng-jun，GE Liang-quan，QING kun
（Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China）
Abstract The paper designs and implements the wild track positioning system based on BeiDou Navigation
Satellite in order to track and local the field workers in real time in the communication blind zone. The system,
which consists of handheld navigation and positioning terminal, Beidou satellite communication system, monitoring
platform and the database, achieves the real-time positioning, data communication, path query and?emergency
alarmetc. for the field work people.In the practical application,the precision of the desired field exploration path and
the exploration data is increased,and the life security of the field work people is got the maximumprotection.
Key words Beidou Satellite Navigation System，GIS，GoogleMap API，tracking and positioning
* 基金项目：四川省科技厅科技支撑计划项目（No. 2011FZ0064）。
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手持定位导航终端包括GPS 模块、北斗模块与装载
安卓操作系统组成的一体式手持式设备，实现定位导航、
精密授时、短报文通信和紧急报警等功能；监控指挥中心
由北斗卫星一体机、中心服务器、数据库和监控平台组
成，拥有人员实时定位、数据通信、路径查询与紧急报警
等功能。
二、手持定位导航终端
卫星定位导航系统如今常用的有GPS 卫星定位系统
与北斗卫星定位系统两种，GPS是美国从20 世纪60 年代
提出方1993 年全面建成的卫星导航系统，具有定位精度
高，定位速度快的优势，目前已被广泛应用于各行各业[2]。
北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通
信系统，具有一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力[3]。自2011
年12 月27日起，北斗卫星导航系统开始向中国及周边地
区提供连续的导航定位和授时服务。其范围覆盖中国及周
边国家和地区，24 小时全天候服务，无通信盲区，具备定
位与通信功能，无需其他通信系统支持，比起其他的导航
系统，北斗的短报文通信服务，具有无与伦比的优势，从而
可以使中心控制系统与用户终端之间进行数据通信。
本系统的手持定位导航终端采用的是智星通公司的
BD-S-01A 北斗手持终端，该手持终端包括GPS 模块、北
斗模块与装载安卓操作系统组成的一体式手持式设备。
设备有GPS 卫星和北斗卫星双定位导航系统并内嵌离线
地图，同时具有短报文通信、精密授时与紧急报警功能，
机内配置的电池能够保证终端持续工作8 小时以上（发
射频度不超过1次/分钟）。
将GPS 和北斗定位导航系统结合在一起使用[4]，不仅
可以充分发挥GPS 定位导航的优势，增加定位精度，而且
发挥北斗的用户终端和中心系统的通信功能，有助于实现
野外工作人员的定位、导航、通讯、指挥、调度等工作，同时
为各种突发事件提供安全、可靠、便捷的通讯保障服务。
野外工作人员配备手持定位导航终端后，可查看自
己的当前位置，进行定位和导航，并且接收来自监控指挥
中心的指令或向中心反馈勘查情况。而营地监控人员通
过定位终端返回系统的信息，可以了解勘查人员的行走
路线和出勤情况等，一旦发生紧急情况，营地监控人员可
以根据各野外工作人员所在位置，进行规划抢救，安排人
员最快赶赴现场，确保了野外人员的生命安危。
三、监控指挥中心
营地监控指挥中心可让营地人员实时了解与指挥野
外工作人员，由北斗卫星一体机、监控平台和数据库构成。
北斗一体机是手持定位导航终端与监控平台通信的
枢纽。营地监控指挥中心的北斗卫星一体机不但能够定
位和通信，还可实时监控下属用户的位置和通信信息，实
现对野外工作人员的监控指挥，北斗一体机将各野外人
员的位置及短消息等信息传回营地中心的数据库，供监
控平台调用。
监控平台是营地指挥中心人员的系统操作平台，为
中心人员提供了野外工作人员的位置信息、行走路线信
息、与野外人员互通信、历史工作统计查询等功能。平台
采用B/S 的构架方式，结合GoogleMap API 的GIS（Geographic
Information System，地理信息系统）作为地图定位
基础服务，在地图上直接的实时显示各野外人员的位置
与路径，并了解当地的地形特性信息，为营地中心的指挥
工作提供了支持和帮助。在出现意外事故的时候，监控平
台可实现紧急报警通知，进行紧急救援处理。
数据库是监控平台与数据存储中心，用于存储卫星
地图、野外人员返回的实时与历史位置、通信及指令信
息。监控平台通过调用数据库的数据来实现系统数据的
存储、管理与备份。
3.1 北斗数据接收协议
北斗一体机是将北斗处理芯片与天线合为一体设
备，可获取定位导航终端上传的经纬度、海拔、电池电量
与短消息等信息，营地中心可及时掌握各个野外工作人
员的情况，及时发现异常状况。并向各手持定位导航终端
发送通信信息和命令指令等。
中心服务器与北斗一体机由RS-232 串口通信接口
连接，可对北斗设备进行数据通信、参数配置和故障诊断
等功能。北斗卫星的通信协议主要包括IC 检测、定位申请
与通信数据这三类。接口数据传输基本格式如表1：
其中每段数据包都由‘$’开头，数据包头的“指令”用
以识别各个不同的命令, 传输时以ASCII 码表示，每个
ASCII 码为一个字节，如通信信息的指令为“$TXXX”；“长
度”表示从起始符“$”开始到“校验和”（含校验和）为止的
数据总字节数；“用户地址”为与北斗用户机ID 号，长度为
3 字节，其中有效位为低21bit，高3bit 填“0”；“信息内容”
用二进制原码表示，各参数项按格式要求的长度填充，不
满长度要求时，高位补“0”。信息按整字节传输，多字节信
息先传高位字节，后传低位字节；“校验和”是指从“指令
或内容”起始符“$”起到“校验和”前一字节，按字节异或
的结果。
北斗卫星连续2 次发送通信至少需要1 分钟的时间
间隔，同时北斗二类民用用户一次只能传输最多77 字节
的数据。为了让监控指挥中心能获得各野外工作人员的
位置与情况，本系统将北斗通信协议信息内容的前13 字
节固定用于传输经度、纬度、海拔、电池电量与报警指令
指令长度用户地址信息内容校验和
5 字节2 字节3 字节最长77 字节1 字节
表1 北斗接口协议数据传输基本格式
经度纬度海拔电池电量报警指令短消息
4 字节4 字节2字节2 字节1 字节64 字节
表2 信息内容中数据包77 字节的分配
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参考文献
[1] 李季.地质勘探事故统计分析及对策研究[J].中国安全生产科学技术，2011-3 83-86
[2] 陈磊，梁强. GPS 原理及应用简介[J]. 科技信息（学术研究），2008，（22）：188-190.
[3] 王青，吴一红.北斗系统在基于位置服务中的应用[J].卫星与网络，2010，（4）：40-41.
[4] 陈俊，张雷，王远飞.基于北斗和GPS 的森林防火人员调度指挥系统[J].软件，2012（2）：27-30
[5] 李艳.基于地图API的Web 地图服务及应用研究[J].地理信息世界，2010，04（2）：54~57
等内容，最后64 字节作为短消息使用，数据包协议分配
如表2：
营地中心的北斗将会每隔1 分钟接收一次各野外人
员手持终端传回的信息，将数据包解析后，判断是否触发
紧急短信报警，同时将发送用户ID 号、GPS 位置、设备的
电池电量、短消息等信息保存入数据库，等待监控平台的
调用。
3.2 基于GoogleMaps API 的监控平台系统
GoogleMaps API 通过地图服务应用接口将应用开发
平台和地理信息数据捆绑，将复杂的地理信息系统底层
进行封装，用户可不必了解它的技术细节就能在应用中
快速构建基础地理底图[5]，进行各种专题要素及地图查询
等网络地图服务，从而快速地在网站中构建功能丰富、交
互性强的地图应用程序。该系统正是以GoogleMaps API
为基础，采用Javascript脚本语言进行扩展开发，在地图上
显示野外人员的行走线路。
如图2 所示，基于GoogleMaps API 接口实现的监控
平台，软件构架主要分为三大块模块，监控平台模块、地
图模块与数据模块。监控平台系统采用B/S 的构架方式，
包含实时位置显示、历史路迹查询、指令发送接收、短消
息查询与人员设备管理等功能。地图模块系统通过
GoogleMap 地图引擎以及GoogleMap 基础地理数据，来实
现监控平台的可视化管理方式。
数据模块用于存储所以野外人员的行走路径、通信
及指令信息、各人员设备的基本信息和分配信息、系统实
时运行数据等。数据模块为监控平台系统提供了的数据
存储、管理和备份服务。
监控平台显示实际效果图3。野外人员通过北斗定位
终端的手持设备，将其位置信息实时传回营地中心，营地
中心的监控平台将各人员行程信息显示在地图上，营地
中心的指挥人员可以通过监控平台进行实时监控人员的
经纬度、海拔、设备电池电量与历史通信记录等相关信
息。一旦出现事故，户外人员通过北斗手持设备一键报
警！营地中心最迟会在1 分钟内接收到报警信息。同时，
返回的数据中包括野外人员的北斗设备电池电量，一旦
检测到电池电量不足，会发出警报提醒更换电池。若不幸
失去联络，营地中心可更具最后一次所在地点与断电时
间推断野外人员位置，最大限度的保证了野外人员的生
命安全！
四、结论
本文提出了一种基于北斗卫星的野外定位跟踪系
统，利用我国自发研制的北斗卫星定位系统应用于野外
勘查领域，并通过测试验证了系统的可行性与可靠性。野
外工作人员通过手持式北斗定位导航终端，实时将其位
置信息发送回营地中心。营地中心以GoogleMaps API 接
口实现的监控平台，采用B/S 构架方式，实时显示人员位
置，历史路径查询，短消息查询与设备管理等功能，系统
能为野外勘查路线实时指挥与保障了人员生命健康。
图2 基于GoogleMap的监控平台软件模块构架
图3 监控平台实际效果图
作者简介：李晨（1988—），男（汉），硕士在读研究生，主要从事核仪器与测控技术方向研究；
通信作者：曾国强（1980—），男（汉），博士，副教授,主要从事电子仪器及测量研发方面的研究。
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2014-10-1 06:39 上传

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