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2021/12/25
北斗衛星導航在林業中的應用模式研究
摘要：將北斗衛星導航與林業業務關聯，使北斗衛星導航與多種應用技術結合，如移動互聯網技術、北斗短報文和地圖服務等，並在與之相關應用系統中實現。同時，通過對衛星導航的基礎據採集，將北斗衛星與ＧＰＳ的單雙模導航的衛星個數、信號強度和ＰＤＯＰ綜合位置精度因子等進行統計分析，比較了這兩種衛星導航精度的差異，結果表明北斗導航在數據的穩定性上具有優勢。長期以來，衛星導航應用基本被國外技術壟斷，交通運輸、電力調度、通信網路、金融系統等重要基礎設施過分依賴ＧＰＳ，風險巨大，後果嚴重。北斗衛星導航定位系統作為國家重要的基礎設施，也是國際導航系統的重要組成部分，發展獨立自主的衛星導航系統是國家的重大國策。
根據需求的不同，北斗導航往往採用與其他技術的組合，如移動互聯網、導航雙模技術，以及自身的北斗短報文通訊，地圖服務以滿足各種應用的需求。北斗導航系統建成以來，已得到各類不同用戶的廣泛使用，其性能穩定、使用方便，在國防建設、森林防火、抗震救災、海洋漁業、交通、水利等行業已發揮了重要作用。
林業資源分佈廣、面積大，資源監測、管理和保護工作多在樹冠濃密的林內或地形複雜林區，ＧＰＳ衛星導航定位信號較易受到影響，需要國產衛星導航技術和設備支持，來提高林業工作效率、 監測精度和管理水平。同時，林業任務多樣，每年造林、營林、護林任務艱巨，林業執法監管任務繁重，具有特殊的應用環境和工作狀態，對衛星導航終端專用設備有較大的需求潛力，在林業生產與實踐等方面具有廣闊的應用前景。
基於以上原因，北斗衛星導航全力打造「互聯網 ＋林業」的發展模式，並與林業公共服務管理無縫對接，成為近幾年來林業信息化發展的主流。本文通過「北斗衛星導航在林業中的示範應用工程項目」的實踐，在構建北斗衛星導航在林業中的應用系統中，針對北斗衛星導航技術與其他技術的配合，將北斗衛星導航技術與林業業務系統的集成，旨在為加快北斗衛星導航在林業中的應用提供幫助。
在林業應用系統中的實現方式１、系統需求
北斗衛星導航在林業應用系統中的實現主要是根據具體的應用需求來定。從任務來說，可以是單任務應用和多任務應用，譬如說單任務就是採用一個北斗導航的設備，記錄自己的定位和軌跡，多任務是除定位導航外，還通過北斗通訊，可以實施救援；從系統來說，可以是集中式構架和分散式構架兩種，這兩種都是需要建立後台系統，並與前端（移動端）通過數字通訊的方式，實現數據傳輸，完成多項任務。
２、系統用戶
根據系統的構架不同，系統用戶的層次與許可權也不相同。分散式系統的用戶是分佈在不同的層次上，以區域為組，其優勢是對中心伺服器的壓力比較小。對於集中式的構架，按照許可權不同可以分為國家、省、市、縣四級用戶，優點是維護方便，但對於中心伺服器的壓力很大。
3、應用系統總體架構
以「北斗衛星導航在林業中的示範應用工程項目」為例，採用的是集中式系統構架。該系統主要包括北斗導航（北斗衛星導航和北斗短報文通訊）、移動互聯網、林業北斗綜合服務平台和北斗林業業務運行系統。
其中，林業北斗綜合服務平台主要通過北斗衛星通訊、移動網路、有線鏈路等方式實現數據的互聯、管理與展示；北斗林業業務運行系統主要包括北斗森林資源調查系統（桌面端 ＋移動端）、北斗森林管護系統（桌面端＋移動端）、北斗森林防火監控和應急指揮系統（桌面端＋移動端）和北斗森林病蟲害防治系統（桌面端＋移動端）。
應用系統實現方式如圖１所示。本系統構架的特點是數據集中管理，由林業野外工作者負責信息採集、實時或者延時上報與回傳給林業北斗綜合服務平台，為國家、省、市、縣四級用戶的林業管理與決策提供可靠的數據來源。
圖１應用系統實現方式構架圖
在林業應用系統中的多技術組合1、林業業務類型
林業業務類型有多種類型，其主要類型與應用需求關係如表１所示。
表１林業業務類型與應用需求關係表
2、應用技術
２.１移動互聯網技術
移動互聯網指通過基站建立起來的２Ｇ／３Ｇ／４Ｇ網路。目前能夠在實際中應用的是３Ｇ／４Ｇ網路，將來會發展到５Ｇ網路，大大提高數據的傳輸速度與帶寬容量。而林業應用系統是在移動通訊網路存在的條件下，移動端通過鏈接移動通訊網路將所採集的數據回傳至數據中心。
２.２北斗衛星導航
北斗衛星導航與ＧＰＳ導航一樣，能夠實現接收衛星的定位數據，定位精度為水平精度１００ｍ（１σ）， 設立標校站之後為２０ｍ（類似差分狀態）；工作頻率為２４９１.７５ＭＨｚ。同時，提供ＲＤＳＳ雙向授時授權服務，解決了動態用戶的高精度授時。
２.３北斗通訊（北斗短報文）
北斗的最大特點是實現了導航與通信集成，增強了導航能力和搜索救援能力。可實現用戶信息共享和信息交換。北斗系統用戶終端具有雙向報文通信功能， 用戶可以一次傳送120個漢字的短報文信息。
２.４地圖數據調用
地圖數據是北斗衛星導航在林業中應用的重要部分。後台展示和野外移動端都需要配合使用。
目前，地圖數據服務商比較多，主要有谷歌地圖、百度地圖、高德地圖、天地圖等。另外，還有一些企業提供它們的地圖數據服務。從現實情況來看，採用天地圖還是一個比較好的方案，它能提供平台和移動端地圖數據調用介面，調用速度快，能滿足實際應用的需求。本文所提供的實例均採用天地圖數據調用。
３、應用技術組合方式
根據林業各種業務的需求不同，在應用系統中採取對北斗定位導航、北斗短報文通信、以及移動互聯網等多種技術進行組合的方式，以實現北斗衛星導航技術在林業應用中的多種解決方案。
３.１定位導航＋數據保存本地＋數據導出
這類應用主要是使用北斗導航，採集數據無需通過移動網路回傳，採用保存本地即可，如有害生物調查。在有些要求更為嚴格的業務中，如一類、二類、三類森林資源調查，以及更新類森林資源調查，其數據需要與互聯網隔離，這類業務系統更需採用此種方式。
１）森林有害生物調查。
在北斗森林病蟲害調查系統應用中，野外調查系統移動端獲取北斗衛星經緯度數據，定位固定樣地，並進行導航，或者設置臨時樣地。然後對森林病害、蟲害、鼠害等進行調查，獲取數據后保存本地。完成外業調查后，將調查數據導出，並傳輸給數據中心（後台），作進一步處理，系統業務流程如圖２所示。
圖２北斗森林有害生物調查業務流程
２）森林資源調查。
在北斗森林資源調查軟體中，應用系統野外調查移動端獲取北斗衛星經緯度數據，定位和導航到標準地或者小班位置，並實現在地面無移動互聯網通信情況下，將調查數據保存本地， 結束外業調查后將數據導出，並傳輸給數據中心（後台），做進一步處理，系統業務流程如圖3所示。
圖３北斗森林資源調查系統業務流程
３.２定位導航＋移動互聯網＋數據實時回傳
這類應用需要將野外採集的數據實時回傳，並記錄軌跡，如森林管護。森林管護是林業生產中的重要一環，系統的野外巡護移動端獲取北斗衛星經緯度數據，實現將定位與數據採集（包括業務類型、事件描述、拍照視頻等）、火警、巡護軌跡的綁定，並通過移動互聯網實時將數據回傳給數據中心，系統按照優先順序作處理，如火警會第一時間發送給森林防火指揮中心（桌面端），其他數據將會進行統計分析與展示，系統業務流程如圖４所示。
圖４北斗森林管護系統業務流程
３.３定位導航＋北斗短報文＋數據回傳
這類應用主要用於突發事件的處置與救援，特別是森林火警、森林火災撲救、森林旅遊中的傷員救治等。由於這類應用的特殊性，需要在地面移動互聯網通訊狀況不好，或者無網的情況下，也要與相隔很遠的指揮中心進行通訊。所以，採用北斗短報文通訊的功能，以實現在地面無移動互聯網通信情況下的實時通信，將現場採集的數據回傳或者是命令下達。
如森林防火撲救指揮系統，該系統主要由北斗森林防火指揮中心（火災損失評估），北斗車載指揮系統和北斗單兵系統組成。北斗單兵系統移動端獲取北斗衛星經緯度數據，進行火點定位和導航，並及時通過北斗短報文將火情、火災因子以及撲救人員情況進行上報，森林防火指揮中心接收上報數據然後下達撲救命令。同時，車載指揮系統和北斗單兵系統實施現場撲救。整個過程的實現在地面無移動互聯網通信情況下，３個部分能夠順利聯動完成整個森林火災的撲救任務，整個業務流程如圖５所示。
圖5 北斗森林防火撲救指揮系統業務流程
北斗衛星定位精度分析１、衛星導航模式
衛星導航分單模導航和雙模導航，即ＧＰＳ單模（簡稱單模）、北斗單模和ＧＰＳ＋北斗雙模（簡稱雙模）３種。目前，絕大多數手機廠商已經採用了雙模導航晶元和介面軟體，已經很少有北斗單模導航晶元的終端或手機。
２、測試終端或手機選型
為了測試北斗導航的精度，選擇ＧＰＳ＋北斗雙模終端（HWACREATE Ｐ６）和較早機型ＧＰＳ單模手 機（YQ601）。衛星定位數據採集軟體採用NMEA Recorder， 包括的功能有Activate NMEA和record nmea。
３、測試環境
測試共分為４個批次，同樣選擇在天氣較晴朗，雲層遮蓋較低的城市道路中進行測試，其中前２批次採用雙模手機進行測試，后２批次採用ＧＰＳ單模手機進行測試。第１批次測試剔除０組無效數據，第２批次測試剔除１７組無效數據，第３批次測試剔除５４組無效數據，第４批次剔除４３組無效數據。
４、衛星數量
（獲取每組定位數據）每當採集一組定位數據時，參與的衛星顆數，衛星數量值越大，則表明效果越好，如表２所示。
表２每組導航衛星實驗平均數一覽表
５、衛星信號強度
（獲取每組定位數據）強度即為信噪比，英文名稱叫做ＳＮＲ或Ｓ／Ｎ（SIGNAL-NOISE RATIO），又稱為訊噪比。信噪比的計量單位為ｄＢ，計算方法為１０log10（Ｐs／Ｐn），其中Ｐs和Ｐn分別代表信號和雜訊的有效功率。高的信噪比可以提供更好的網路接收率、更好的網路通信質量以及更好的網路可靠率。
在強度數據中，有３組信號強度值，其平均值和方差如表３所示。對於這３組信號的強度值，在雙模終端中，對ＧＰＳ和ＢＤ進行方差檢驗，結果如表４所示。
表３信號強度對比表
表４單因素方差分析表
６、ＰＤＯＰ位置精度因子
位置精度因子（Position Dilution Of Precision）取值範圍為0.5~99.9，為緯度、經度和高程等誤差平方和的開根號值，所以ＰＤＯＰ²＝ＨＤＯＰ²＋ＶＤＯＰ² （其中，ＨＤＯＰ為水平分量精度因子，ＶＤＯＰ為垂直分量精度因子）。具體含義：歸因於衛星的幾何分佈，天空中衛星分佈程度越好，定位精度越高（數值越小精度越高）。ＰＤＯＰ值為衛星分佈的空間幾何強度因子，一般衛星分佈越好時，ＰＤＯＰ值越小。具體結果如表５所示。 對於ＰＤＯＰ綜合位置精度因子，在雙模終端中，對ＧＰＳ的ＰＤＯＰ綜合位置精度因子和ＢＤ的ＰＤＯＰ綜合位置精度因子進行方差檢驗，結果如表６所示。
表５ＰＤＯＰ綜合位置精度因子
表6 PDOP綜合位置精度單因素方差分析表
１）北斗雙模導航在林業中的應用具有極大的潛力。在以上的應用實例中都能滿足業務的需求。特別是北斗短報文的應用，相對於ＧＰＳ彌補了在地面無移動互聯網通訊的缺陷，使得救援等突發事件也能得到及時處置，拓展了應用範圍；
２）北斗定位導航精度有了極大的提高，在空域上定位導航數據具有更為穩定的特性，與ＧＰＳ結合的雙模導航相互得到了補充，使得定位導航更為方便、準確和快捷；
３）儘管北斗衛星導航在林業中的應用能方便實現，但仍然有許多問題需要解決，如提高北斗終端的接收能力和容錯能力。即在應用系統層面上，通過軟體的過濾等功能，剔除無效數據，以提高定位精度；
４）本文對於北斗衛星導航的精度分析，所採集的數據環境有限，對於精度的評估不夠全面，沒有考慮更多的干擾因子；
５）對比其他研究學者的研究，如已經做出的多種定位模式試驗與分析，從用戶角度探討北斗衛星導航系統的導航定位性能和潛在的應用價值，本文僅做了北斗衛星雙模導航與ＧＰＳ單模導航在相同條件下的測試。因此，這種應用測試有一定的局限性；
６）目前，北斗衛星導航在林業中的應用還不夠廣泛，需要進一步開發與林業業務相關的北斗衛星導航應用系統，以適用林業信息化快速發展的要求。
參考文獻（略）
作者簡介：胡鴻（1983－），男，內蒙古包頭人，工程師，主要從事林業信息化和地理信息系統、衛星導航、衛星遙感、衛星通 信在林業中的應用工作。
Email：huhongbest＠163.com
通訊作者：吳東亮（1960－），男，湖南安化人，博士，主要從事地理信息系統在林業中的應用。
Email：314543494＠qq.com
來源知網，點擊「閱讀原文」前往知網查看原文。
本文轉載自「知網」，原標題《北斗衛星導航在林業中的應用模式研究》，作者 | 胡鴻１，楊雪清１，黃靜華２，林志英２，吳東亮２（１.國家林業局調查規劃設計院；２.北京聯合大學）
為分享前沿資訊及有價值的觀點，衛星與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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