面向林业的北斗多模导航终端采用了多模块化、组合式优化设计，内置高性能芯片，各模块之间的接口采用标准接口，充分利用系统平台、移动通讯网络、因特网络，将林业数据采集记录仪、激光测距仪、导航定位、GIS服务等功能集于一体，通过无线数据通讯接口和北斗接口，与监控中心系统进行数据通信和移动位置定位，具有重量轻、体积小、交互友好、安全性高等特点，具有独立的操作系统和图形化的人机界面，可以进行全天候的准确定位和安全通信，满足林业资源调查用户的多种需求。
北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航定位系统，是我国重要的空间基础设施。北斗系统自运行以来，已成功应用于国防、测绘、电信、水利、渔业、交通运输、气象探测、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生了显著的社会效益和经济效益。特别是在新疆“7.5”事件、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。然而在民用方面，还远远未达到产业化、市场化的水平。
目前，全球卫星导航定位技术在林业上的研究还集中在GPS系统上[[1]]。美国从20世纪80年代起就开始发展GPS，其技术现在已经十分成熟，并且应用极为广泛，全球95%以上的卫星定位用户使用该系统。因此，研究面向林业的北斗/GPS多模导航系统将会提高整个北斗系统的使用率，推动北斗导航系统向着市场化和国际化的应用方向发展。
1 软件总体架构
面向林业的北斗多模导航终端采用了多模块化、组合式优化设计，内置高性能芯片，各模块之间的接口采用标准接口，充分利用系统平台、移动通讯网络、因特网络，将林业数据采集记录仪、汽车行驶记录仪、激光测距仪、卫星定位、卫星导航、GIS服务功能集于一体（如图1所示），通过无线数据通讯接口（GSM、GPRS、CDMA）和北斗接口，与监控中心系统进行数据通信和移动位置的定位，具有重量轻、体积小、交互友好、安全性高等特点，具有独立的操作系统和图形化的人机界面，可以进行全天候的准确定位和安全通信，满足林业资源调查用户的多种需求。
图 1 系统总体架构图
2 系统设计
面向林业的北斗导航终端主要包括北斗多模导航终端硬件设备和终端智能监控调度与管理平台软件，整个系统设计开发了适合林业行业特点的终端软件，解决了终端产品稳定性、多模的互操作及内存合理分配应用等技术问题。
2.1 硬件设计
面向林业的北斗导航终端研制是根据终端设备的资源需求选择合适的处理器以及北斗多模定位芯片类型，从而对终端硬件平台进行设计与实现。其中包括处理器、通信模块、定位模块、显示模块的无缝集成、整体电源电路的设计以及与Android操作系统的整合，最终与导航终端软件一起构成完整的满足林业资源调查需求的移动通信导航终端。整体设计图2所示。
图 2 终端设备组成结构图
面向林业的北斗导航终端硬件研制关键技术主要包括以下几个方面。
GPS/BD基带信号处理的低功耗设计技术
基带信号处理单芯片和低功耗：采用单芯片设计，包含高速的卫星信号捕获电路和16个完全独立的全数字通道和接口电路，每个通道可以任意配置成为GPS（L1）/北斗（B1）频点；模块采用45nm工艺器件，并采用低功耗设计方法，平均工作功耗不足1W。
GPS/BD基带信号的快速跟踪捕获技术
高精度的捕获跟踪技术：捕获电路采用基于匹配滤波器和快速傅立叶变换（FFT）的电路，可在一次相关处理中同时完成码相位和多普勒相位的二维搜索，快速完成卫星信号的捕获，捕获精度可以达到1/4到1/8码片。全数字高精度的信号跟踪环路采用了三阶Jaffe_Rechtin滤波器，运用了可调积分时间和可调噪声带宽技术，理论跟踪精度可以达到0.001周。
多星座高精度定位解算方法
定位解算算法：在经典的最小二乘算法的基础上，采用对流层误差精确修正、电离层模型误差/双频电离层误差修正、载波相位平滑伪距、差分修改等方法，提高解算的精度；通过自适应的卡尔曼滤波技术，提供解算的稳定性；使用自主完好性RAIM算法，提供定位结果的可用性。
整机电磁兼容设计技术
在用户终端研制过程中针对电磁兼容设计采取如下措施：将各频点低噪放电路与功放电路分别用屏蔽腔进行屏蔽，减小各频点信号相互干扰；采用分腔设计其隔离度可达60dB以上；在发射端功放输出加隔离器、滤波器，在各接收端低噪放输入分别加滤波器，避免功放发射时输出信号对B1/L1信号接收产生影响。
2.2 软件设计
2.2.1 北斗多模导航终端软件
(1) 架构设计
依据林业资源调查导航终端要功能要求，设计了导航终端的软件体系结构如下图所示。本设计是在Android操作系统上实现应用软件程序，应用软件主要包括：数据管理、地图操作、数据采集、属性查看、导航定位等几部分。图形用户界面(GUI)设计和空间数据库设计是实现各功能模块的基础，分别由开源软件MieroWindows及FLNX、SQLite实现。软件要达到的目标主要是能有效的显示电子地图信息，并将北斗/GPS信号引入，随着北斗/GPS信号的变化能在屏幕上有相应的显示变化。对于电子地图信息的提取，采用了SQLite构建空间数据库作为管理工具，方便进行数据管理。对于北斗/GPS信号的提取，通过对串口的操作能得到可靠的数据信息。通过MieroWindows和FLNX实现用户界面和电子地图绘制等显示程序，通过JAVA语言实现导航算法和设备驱动程序。综合以上各部分功能，能很好的实现系统设计的目标。软件整体架构图如图3所示。
图 3 林业导航终端软件框架图
(2) 技术路线
基于Android开发，采用了超图的移动GIS平台进行二次开发和空间数据管理， 采用SQlite作为本地数据库，采用GPSR/WCDMA等与服务端进行交互， 采用北斗导航模块进行导航、定位、数据采集等，具体技术路线如图4所示[[2]]。
图 4 林业导航终端软件技术路线图
北斗多模导航终端软件研制关键技术主要包括以下几个方面。
实时定位与数据传输技术
进行北斗/GPS模块驱动的开发，通过在Android平台上通过编写的导航应用程序，实现对北斗/GPS模块接受的经纬度信息进行提取[[3]]，经过相应的数据处理和解析获取，并通过电子地图将位置信息在移动终端所配备的地图上显示，通过建立专用无线通信链路实现移动端与服务端之间的链接，同时可以借助该专用链路实现直接操作服务端的数据库。
数据库同步技术
由于移动终端与服务端的数据同步问题实质上是本地数据库与服务端数据库的同步，在外业调查结束之后，将外业数据采集、人员设备数据、任务数据等等，通过人工同步技术或者网闸技术（在固定时间段进行自动同步）实现数据的同步，保证数据的一致性。
不同的数据管理方式采用不同的数据备份方法，常见的主要是文件数据和表格数据。在外业调查结束之后，主要是文件数据，采用增量备份方式，定期进行人工备份。同时有针对性地实现故障后数据库中丢失的数据信息的快速恢复，保障数据的完整性。
2.2.2 智能监控平台软件
(1) 架构设计
研制与导航终端软件相匹配的服务器后台智能监控调度与管理软件，包括通信服务模块、地图服务模块、数据服务模块和监控平台等功能模块。实现实地调查人员位置信息的可视化显示，车辆信息动态监控、行驶记录、轨迹回放、工作统计查询，与外业调查或巡护人员互通信等功能[[4]]，整体架构如图5所示。
图 5 智能监控平台软件总体架构图 图 6 智能监控平台软件技术路线图
(2) 技术路线
智能监控平台软件主要实现外业调查的实时监控和调度管理功能，并为决策人员提供辅助。 因此，智能监控平台采用Flex实现前端功能展示，采用.Net开发服务器端， 采用Oralce11g进行数据库管理， 前端与服务端通过中间件FlruorineFX进行通讯，并采用了AMF协议。前端的地图展示和绘制采用了Open Scales提供的API[[5]]。具体技术路线如图6所示。
智能监控平台软件研制关键技术主要包括以下几个方面。
实时获取位置信息
智能监控平台所获取的位置信息是由前端从服务端数据库中实时获取移动端传过来的位置信息，一般地前端获取的位置信息会直接传输到服务端的数据库，再由数据库传到智能监控平台，因此整体信息的获取有滞后性。整个技术的关键是快速将数据库中的位置信息传输到监控平台，采用轮询的方式，即前端每隔一段时间访问服务端，看是否有位置信息更新，将更新的数据传到监控平台，从而实现位置信息的准实时显示。
与移动端的通讯
为了是监控平台更加人性化，采用服务端进行消息推送的方式，服务端采用XMPP协议，可以实时的推送一些信息到移动端，同时，移动端可以实时的接收到该信息，并在通知栏进行显示，如向移动端发布短信(如调度信息、天气信息等)。
3 小结
将北斗多模导航技术应用到林业信息化中（预计该产品将于九月将投入使用），进行面向林业的北斗多模导航终端的研制将突破终端集成技术，将促进北斗系统的大规模产业化推广应用，带动芯片、设备、终端、软件集成等一系列高新技术产业的发展。结合GPS基于Android的软件的开发将极大地提高卫星定位精度，促进了北斗走进民用市场，同时借助于在全球发展比较成熟的GPS导航系统，将有助于作为新产物的北斗导航系统走入国际市场。
参考文献
[[1]] 陈改英．GPS技术及其在林业中的应用[J]．北京农学院学报，2004，19(3)：45-46．
[[2]] 农丽萍，王力虎，黄一平．Android 在嵌入式车载导航系统的应用研究[J]．计算机工程与设计，2010，3（11）：73-76．
[[3]] 刘胜前，陈立定．基于Android 平台的车辆导航系统设计与实现[J]．专题研究，2012(4)：1-4．
[[4]] 郭宏志．Android 应用开发详解[M]．北京：电子工业出版社，2010．
[[5]] 孙炜锋．基于手机终端的林业物流信息平台的开发[J]．福建电脑，2011(6)：28-29．
作者：倪金生 杨劲林（北京东方泰坦科技股份有限公司，北京，100083）
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