北斗导航位置服务平台的设计与开发实现

第四届中国卫星导航学术年会电子文集
Design and Development of Beidou Location Based Service Platform
Kaiyuan ZHANG, Rendong YING, Peilin LIU, Wenxian YU
Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China Email:happyeverydayzky@https://www.360docs.net/doc/5312890220.html,
Abstract: Location based services(LBS) has become one of the most rapidly developing scientific industry, and will definitely be extended to Beidou, one of four GNSS systems, as an application. Supported by Beidou satellite navigation system, we have developed a multi-functional LBS platform based on network technologies, GPRS, thread pool and some other techniques. This platform provides the users with a easy to use and friendly user interface. With this platform, many applications can be implemented such as tracking of users and setting digital fence. By system testing and evaluation, the platform is shown to be stable, accurate and reliable. To some extent, it will be helpful to develop the Beidou system in application areas. Keywords: Beidou; LBS; service platform; thread pool; GPRS;
北斗导航位置服务平台的设计与开发实现
张凯渊，应忍冬，刘佩林，郁文贤
上海交通大学，上海，中国，200240
Email:happyeverydayzky@https://www.360docs.net/doc/5312890220.html,
【摘要】位置服务相关产业已经发展成为增长最快的科技产业之一，而北斗作为全球四大卫星导航系 统，也必将重点拓展这一领域的应用。本文由北斗卫星导航系统的支撑，基于WEB网络技术、GPRS 技术、线程池技术等，开发了多功能的位置服务平台，制定了一套内部服务协议，为用户提供了简单、 方便并且美观的界面，实现了北斗终端的实时位置监控、历史轨迹回放、电子围栏报警等基于位置的 应用服务，并预留了扩展接口以待后续增加新的功能。平台经过实际测试，运行稳定，数据准确可靠， 具有较高的使用价值，为北斗卫星导航系统的应用拓展起到了一定的推动作用。 【关键词】北斗；位置服务；平台；线程池；GPRS；
1 引言
近年来，随着全球卫星定位技术的不断提高与完 善，位置服务相关产业已成为全球发展最快的科技产 业之一。基于GNSS卫星定位的位置服务，已在车辆 导航、车辆监控、特殊人群监护、贵重物品追踪等方 面有了相当广泛的应用，并且其应用范围仍在不断扩 大，具有非常大的发展潜力。近些年来，我国第二代 北斗卫星导航系统在不断地成熟与完善，卫星系统日 趋完整，支持北斗信号的终端产品也在渐渐实现从军 用领域到民用领域的覆盖。如何充分利用北斗卫星导 航系统的优势，将北斗系统与位置服务紧密融合并使 北斗起到支撑作用，对于北斗卫星导航系统的应用、 推广、以及完善等都有着非常重大的意义。 位置服务除了需要北斗等卫星导航系统的支撑，
资助信息：本论文由北斗导航与位置服务上海市重点实验室，及 北斗重大专项——北斗导航SoC设计与验证平台项目资助。
还需要一个功能强大的服务平台才能使其具体地实 现。目前，基于GPS卫星系统的位置服务平台已有比 较广泛的应用， 而基于北斗的相应服务仍未形成规模。 在国内外已有的位置服务平台中，也多是功能较单一 且比较依赖终端性能， 如文献[1]~[5]中的服务平台系统。 本文在这些基础上，基于北斗卫星导航系统支撑，设 计并实现一个位置服务平台，满足多用户的连接，并 向用户提供位置监控、轨迹回放、电子围栏以及健康 监测、运动监测等多功能的位置服务，并由一套自定 义的内部服务协议支持后续多功能的扩展；在一些特 殊情况下，还可以充分利用北斗系统特有的短报文功 能，实现高可靠、强实时、并且不受国际环境变化影 响的救援、指挥等功能，丰富北斗卫星导航系统在位 置服务领域的应用实例，为北斗卫星导航系统的应用 拓展起到一定的推动作用。

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2 系统概述
北斗导航位置服务平台是整个位置服务系统的核 心（见图1），负责统一管理终端、接收北斗终端定位 信息、对数据进行解译和存储、根据具体的服务内容 进行相应数据处理、提供用户服务展示界面等一系列 数据处理和服务功能。由位置服务平台管理的北斗终 端包括北斗定位模块和无线通信模块，通过北斗卫星 实现定位，并将定位信息和其他传感器信息（用于扩 展应用） 通过GPRS传输至位置服务平台， 传输的内容 由预设的内部服务协议确定。
心；前台包括基于javascript的浏览器端界面脚本和相 应的基于PHP的后端服务器， 以浏览器端脚本为核心。 具体如下：
Figure 2. LBS service platform overall structure 图 2.位置服务平台总体结构图
Internet
Figure 1. The overall system 图 1.整体服务系统图
位置服务平台最典型的应用服务场景为：北斗终 端根据接收到的北斗卫星信号进行定位，并将定位信 息定时传送到服务平台；位置服务平台接收北斗终端 发来的定位信息，将定位信息解译、转换，并存储于 服务器数据库中；当用户使用位置服务平台提供的服 务界面提出监控终端、轨迹回放等服务请求时，平台 的相应服务模块将提取相应的数据并进行处理，最终 将服务结果通过友好的界面呈现给用户。 除了定位信息相关的服务，位置服务平台也秉承 高扩展性的原则， 充分考虑与可能的其他系统的链接， 具备巨大的网络设备容量及信息处理能力， 并预留软、 硬件接口，使平台扩展简单易行。目前此位置服务平 台已扩展或计划扩展的应用服务包括电子围栏、健康 监控、运动计划、紧急情况救援指挥等多功能服务， 平台已预留了开放接口，未来将会有更多丰富实用的 应用服务在平台上实现。
后端服务器: 接收通过GPRS、 使用TCP/IP协议传 输的LBS定位信息和警报信息，进行数据解译，并将 其存入后台数据库中； 通过GPRS对终端相应参数进行 配置；执行基站定位和地址解译等附加服务操作。 数据库： 存储有终端上传的LBS数据和警报数据、 终端的注册数据、电子围栏数据等，以提供给前端 WEB显示和后台服务器查询所用。 用户界面：完成用户与平台的交互，提供用户 WEB界面，完成实时监控、轨迹回放、电子围栏以及 终端配置等各项功能。 前端服务器：连接前端显示和后端的部分，处理 用户浏览器端提交的请求，并根据不同的请求与后台 服务器、数据库进行交互。
3.2 平台内部服务协议
位置服务平台内部各模块使用自定义的服务协议 进行通信以及服务处理。服务协议以固定格式的报文 实现，通过TCP套接字传输。协议数据包结构如图3 所示。
3 平台设计与开发实现
3.1 平台总体结构
平台总体结构上可以分为前台和后台两部分，其 中后台包括后端服务器和数据库，以后端服务器为核
Figure 3.Message Structure of Protocol 图 3.协议数据包结构

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协议数据包结构包括四部分： 数据头(header)：32比特，用于进行同步和终端识 别(数据头为终端临时注册号token时)； 报文标识符(ID)：8比特，用于标识不同的报文， 报文列表参见表1； 有效负载(payload)：根据不同的报文标识符，装 载相应的数据内容； 校验码(checksum)：为保证内部通信的可靠性和 服务的准确性，每条报文均以8比特的校验码结束。 本套内部服务协议具有效率高、可靠性好、可扩 展实时发布、能够良好应对数据完整性问题等优点， 并支持方便的后续功能的扩展。
Table 1. Protocol messages list
Class LNK UPL DNL ID 0xF0 0xF1 0x01 0x02 0x22 0x70 0x71 0x72 0x75 0x76 0x7A 0x7E 0x7F 0xA0 0xA1 0xA2 0xA3 0xAF Name LNK‐LIN LNK‐RPL UPL‐TRC UPL‐WRN DNL‐WRN CFG‐BSC CFG‐SWS CFG‐LPC CFG‐SUB CFG‐SMS CFG‐IPP CFG‐QRY CFG‐CFM EXT‐ADU EXT‐ADR EXT‐CIU EXT‐CIR EXT‐TST?
Figure 4. Backend receive and send process 图 4. 后端服务器整体收发流程
CFG?
图5和图6展现的是后端服务器分别处理终端服务 请求和前端服务请求的数据处理流程。在处理终端服 务请求时，后端服务器根据接收到的数据长度判断请 求是否结束，若未结束，则根据报文标识符确定下一 步进行解译处理(decode)或者是转发处理(forward)； 在 经过校验码验证之后，正确的报文将转入各自相应的 处理模块进行数据解算和处理。处理前端服务请求与 处理终端服务请求大体相同，不同的是，某些情况下 (如终端配置的服务请求)，后端服务器还要搜索是否 有已连接的终端，如果没有已连接的终端，后端服务 器则需要调用短信模块，将配置信息通过短信方式发 送至终端。
EXT?
表 1.协议报文列表
3.3 后端服务器
后端服务器是整个位置服务平台的核心部件，它 要通过各种通信方式与终端、数据库、前端服务器以 及网络服务等进行交互，处理终端和用户界面的服务 请求，进行数据计算和服务处理。本平台的后端服务 器使用线程池技术，以满足大规模并发连接的需求。 当有终端或者前端服务器的连接请求时，后端服务器 从线程池中取出一个空闲线程，执行相应的操作；当 操作中遇到socket被关闭的情况时，操作退出，该线 程重新进入空闲状态；当线程池中没有空闲线程时， 后端服务器主动关闭新连接的请求，以保证已连接客 户的服务质量。线程之间的通信使用条件变量，通过 使用内部的查找表，保证各个操作的同步与协调。整 体收发流程如图4所示。
Figure 5.Data flow of processing terminal request 图 5 . 处理终端请求的数据流程

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Javascript和XML)技术，它使得WEB应用的交互方面 有了质的飞跃，提供了一种在页面无刷新的情况下与 服务器进行数据交换的一种全新解决方案，可以临时 从服务器端取得信息并可以动态地写入网页局部区 域，从而使得原来缓慢的WEB应用可以像桌面应用一 样快捷。 前端服务器的典型工作流程(如图7所示)：首先用 户在界面上登陆进入系统，通过点击网页按钮提出服 务请求，界面通过ajax方式将请求提交到前端服务器， 前端服务器根据请求的服务种类进行初步处理，选择 是否连接后端服务器或者数据库来进行深入处理。当 处理完成后，前端服务器服务结果通过ajax方式返回， 并在界面上进行动画或者其他相应的显示，一次服务 请求到此成功完成。
4 运行实例
本位置服务平台由北大重大专项——北斗导航 SoC设计与验证平台项目资助，目前已基本完成平台 的整体框架与基本功能， 可以安全稳定的无间断运行， 完成终端用户管理、终端实时监控、历史轨迹回放、 超速报警、低电报警、北斗信号盲区报警、地址解译、 多模定位显示以及电子围栏报警、健康监测等多种功 能。 图8所示为终端实时监控界面， 界面可以自动定时 刷新以获取终端的最新位置，并将其位置、速度、电 量等信息显示出来； 图9所示为历史轨迹回放界面， 可 以回放任意时间段的轨迹动画；图10所示为电子围栏 报警界面，围栏可以由用户自定义绘制，当终端所处 位置超出围栏范围时，将启动报警功能。
Figure 6. Data flow of processing front request 图 6 . 处理前端请求的数据流程
3.4 前端服务器
前端服务器虽然不及后端服务器的处理任务之密 集， 但却是与用户直接交互的部分， 为用户提供简单、 美观而又丰富的服务界面，并把用户的服务请求转译 并提交给后端服务器，将用户与后端服务器有机的联 合起来。
Figure 7. Frontend Structure 图 7 . 前端总体结构图
在本位置服务平台中，前端服务器基于当前最流 行的服务器端脚本语言PHP开发，而用户界面以WEB 页面和智能手机应用程序的形式呈现，基于HTML和 Javascript语言开发，地图使用百度地图API，并使用 了Ajax (Asynchronous Javascript and XML即异步
Figure 8. Terminal monitoring 图 8 . 终端实时监控

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北斗技术、GPRS技术、WEB网络技术等，实现了一 个可以为用户提供实时监控、轨迹回放、电子围栏等 多功能的位置服务平台，能够准确的对用户进行位置 监控，成本较低、结构简单、系统覆盖面广、使用维 护费用低，并具有较高的可靠性和稳定性，可以用在 老人儿童监护、车辆管理、快件追踪、紧急情况救援 指挥等多个场合，作为北斗系统的应用服务，在一定 程度上推动了北斗在民用领域的进一步拓展与推广。 下一步的工作可以针对已有的框架所预留的扩展接 口，增加更多实用的应用服务种类，使位置服务平台 能够更加完善。
Figure 9. History tracks replay 图 9 . 历史轨迹回放
References (参考文献)
[1] Xiaolin Wang, Xiao Pang, Yingwei Luo. LBS-p: A LBS Platform Supporting Online Map Services. IEEE, 2010. [2] Jiho Kim, Jungyu Lee and Ohyoung Song. LBS Convergence Agent for Interoperability between LBS Platforms. ICACT, 2009. [3] Jason C. Hung and Yueh Hsuan Lee. Constructing an Intelligent Travel Information Platform Based on Location Base Service. IEEE, 2009. [4] 吴颖. 一种定位综合服务平台系统: 中国, 201210286071.3. [P].2012-08-13 [5] 刘跃忠.一种用于定位、信息服务和控制的位置 服务平台:中国,200820133033.3.[P].2009-05-06 [6] Baidu Map API: https://www.360docs.net/doc/5312890220.html,/map [7] W3school: https://www.360docs.net/doc/5312890220.html,
Figure 10. Digital fence warning 图 10 . 电子围栏报警
4 结束语
本位置服务平台由北斗卫星导航系统支撑，融合