收稿日期:2018-03-08 修回日期:2018-07-03 网络出版时间:2018-11-15
基金项目：国家自然科学基金(61572260,61572261,61672296,61602261)；江苏省科技支撑计划(BE 2015702,BE 2016185,BE 2016777)作者简介：沈磊贤(1998-)，男，研究方向为软件工程；徐 鹤，副教授,CCF 会员(19957M )，研究方向为信息网络与通信软件㊂网络出版地址:http ://knski /kcms /detail /61.1450.TP.20181114.1557.054.html
基于北斗导航的定位服务平台设计与实现
沈磊贤，庞佳逸，张卿云，徐 鹤
(南京邮电大学计算机学院，江苏南京210023)
摘 要：针对目前市场上定位服务的需求以及当前市场上的定位系统部署维护成本高的现状，给出了定位服务平台方案的设计与实现，提供Web 平台化定位服务㊂该平台以北斗卫星导航系统为基础，辅助以GPS 和GNSS 导航系统，综合卫星定位㊁GPRS 通讯等技术设计硬件㊂采用B /S 架构，通过数据库㊁无线通讯和AJAX 等手段实现数据的存储和传输，最后在Web 端展示处理数据的效果㊂目标为用户提供位置查询㊁轨迹查询㊁地理围栏㊁路线规划㊁天气查询以及数据可视化等服务㊂后期还可以结合深度学习等前沿技术提供时间序列预测，驾驶行为分析等大数据功能㊂个人及企业用户只需要使用相应的硬件
即可直接接入平台，方便快捷且降低了部署成本，有利于北斗卫星导航系统的推广和中小企业的业务发展㊂关键词：卫星导航;GPRS 通讯;Web 平台；定位服务中图分类号:TP 302 文献标识码:A 文章编号:1673-629X (2019)01-0173-05
doi :10.3969/j.issn.1673-629X.2019.01.036
Design and Implementation of Positioning Service Platform Based on
Beidou Satellite Navigation System
SHEN Lei -xian ,PANG Jia -yi ,ZHANG Qing -yun ,XU He
(School of Computer Science ,Nanjing University of Posts and Telecommunications ,Nanjing 210023,China )
Abstract :In view of the current market demand for positioning services and the high cost of positioning system deployment and mainte⁃nance in the market ,the design and implementation of positioning service platform scheme is given to provide Web platform positioning services.The platform is based on the Beidou satellite navigation system ,assisted by GPS and GNSS navigation system ,integrated satel⁃lite positioning ,GPRS communications and other technologies to design ha
rdware.B /S architecture is adopted to realize data storage and transmission through databases ,wireless communication ,AJAX and other means.Finally ,the effect of data processing is displayed on the Web.The goal of the platform is to provide users with services such as location query ,track query ,geofencing ,route planning ,weather query and data visualization.We can also combine cutting -edge technologies such as deep learning to provide time prediction ,driving behavior analysis and other big data features.Personal and business users only need to use the appropriate hardware to directly access the platform ,which is convenient ,fast and reduces the deployment cost ,and is conducive to the promotion of Beidou satellite navigation sys⁃tem and SME business development.
Key words :satellite navigation ;GPRS communication ;Web platform ;positioning service哪天入伏天2022
0 引 言
北斗卫星导航系统(Beidou navigation satellite sys⁃tem )是中国正在实施的自主研发㊁独立运行的全球卫星导航系统㊂北斗导航系统是主动式双向测距二维导航㊂地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据㊂它除了具有GPS 卫星定位的功能以外，还增加了通讯功能，能够在海洋监测㊁军事通信等一些领域发挥很大的作用㊂
目前GPS 垄断国内导航产业95%以上，世界范围
内，手机GPS 的集成率超过80%㊂北斗卫星导航系统要挤入市场，在精度没有落后的情况下，降低部署成本是推动企业使用北斗卫星导航系统的最大动力[1-3]㊂而硬件成本和平台搭建维护成本是部署成本中的两大组成部分，其中硬件成本是一次性投入，而平台维护成本是长期投入，尤其对于中小企业来说，维护一个平台需要大量的人力物力㊂定位服务平台的出现可以完美地解决这个问题㊂平台为用户提供各种需要的功能，包括位置查询㊁轨迹查询㊁地理围栏㊁路线规划等㊂用
第29卷 第1期2019年1月 计算机技术与发展COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT
Vol.29 No.1
Jan. 2019
户只需要使用硬件接入平台即可㊂硬件的拥有者可以给用户发放权限㊂任何用户只要拥有相应的权限就可以通过平台了解并管理相应的硬件或硬件组所在的位置㊂
使用定位服务平台的优势巨大㊂对企业用户而言，降低了定位系统平台的研发和维护成本，更有利于中小企业在与定位相关领域的发展；此外，对个人用户而言，可以以更低的成本和更便捷的方式实现
一整套包括老人㊁儿童㊁车辆㊁电脑㊁手机等的监控和寻系统㊂定位服务平台的应用前景很广，市面上已有的任何与定位相关的业务，包括物流管理㊁共享单车㊁外卖㊁公交定位㊁网约车等，都可以直接接入平台管理，降低企业维护负担，提高开发效率㊂还有自行车赛㊁马拉松赛等长途赛事情况监控这样的非持续性业务也可以轻松搞定，此外，敬老院㊁学校，尤其是幼儿园可以轻易地部署地理围栏，减轻管理负担㊂
1 相关研究现状
从定位技术上来说，目前的定位服务平台多使用GPS㊂相比于北斗卫星导航系统,GPS进入市场较早，目前垄断国内导航产业95%以上㊂但是，国内拥有自主产权的北斗卫星导航系统在安全性上处于优势，在定位精准度上，中国的北斗卫星导航由35颗卫星组成，卫星数目的提高，带来的将是定位精度和服务范围的提高㊂北斗是全球第一个提供三频信号服务的卫星导航系统㊂三频信号可以更好地消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，除此之外，北斗还拥有自身特有的短报文通信功能㊂
从服务定位上来说，目前的定位服务专注于实现单一功能，比如实现车辆位置可视化㊁老人儿童位置监控㊁野生动物跟踪㊁物流服务等[4-7]，针对性比较强，自然也就导致普适性较弱，用户无法在同一平台上使用针对不同需求的定位服务㊂如今针对市场上个人和企业不同需求的定位服务，传统的基于行业用户需求而建立的定位服务模式在可靠性㊁扩展性和服务多样性等方面已无法满足大众用户的定
位需求㊂此外，现有的很多移动目标定位平台大都依赖于专用的GIS平台和专用网络，普遍存在价格昂贵㊁维护困难的问题[8-9]㊂
国内的百度地图㊁高德地图等的服务普适性虽好，但其一般只提供定位功能，其他部分功能只是提供了API接口，就专业人员来说开发和维护需要大量成本，而非专业人员就根本无法享用这类功能[10]㊂定位服务可以选择在安卓平台或Web平台开发㊂通过安卓平台开发的定位服务需要通过安卓智能终端使用相应软件才能够进行访问，而Web端定位服务平台只需要浏览器便可轻松访问，避免了用户不必要的软件安装㊂文中提出的基于北斗卫星导航系统的定位服务平台安全性高，推广了中国的专有技术；通用性强，能够满足不同用户的不同需求；在保证基本定位功能的基础上还提供了信息查询㊁轨迹查询㊁地理围栏等功能模块，实用且易操作㊂
2 相关技术
2.1 卫星定位技术
定位原理：卫星定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置㊂如图1所示，设时刻t在测站点P用接收机同时测得P点到四颗卫星S1,S2,S3,S4的距离P1,P2,P3,P4，通过电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标(X i,Y i,Z i),i=1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点三维坐标(X,Y,Z)的观测方程如下:
P21=(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2+cδt
(1) P22=(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2+cδt
(2) P23=(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2+cδt
(3) P24=(X-X4)2+(Y-Y4)2+(Z-Z4)2+cδt
(4)
其中,c为光速;δt为时钟[11]
图1 卫星定位原理
2.2 GPRS通信技术
GPRS是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务,GPRS 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包式来传输，采用分组交换技术，能兼容GSM网络并在网络上更加有效地传输高速数据和信令，允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要电路交换模式的网络资源㊂GPRS的传输速率可提升至56甚至114kbps㊂GPRS技术可以在任何时间㊁任何地点快速
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方便地实现连接，其通信原理如图2所示
㊂
图2 GPRS通信原理
GPRS终端的数据通过传输到移动公司服务器，移动公司服务器再通过互联网转发到具有公网IP 的服务器中，服务器返回的数据再通过互联网发送给移动公司服务器，移动公司服务器再转发给GPRS终端㊂与此同时，客户端可通过访问公网IP服务来查看GPRS终端上传的数据[12]㊂
2.3 AJAX
AJAX即 Asynchronous Javascript And XML”(异步JavaScript和XML)，是指一种创建交互式网页应用的网页开发技术㊂通过在后台与服务器进行少量数据交换,AJAX可以使网页实现异步更新，这意味着可以在不重新加载整个网页的情况下，对网页的某部分进行更新㊂AJAX并非一种新的技术，而是几种原有技术的结合体，主要包括：使用CSS和XHTML来表示；使用DOM模型来交互和动态显示；使用XMLHttpRe⁃quest来和服务器进行异步通信；使用Javascript来绑定和调用㊂AJAX的核心是JavaScript对象XmlHt⁃tpRequest，该对象是一种支持异步请求的技术，可以通过JavaScript向服务器提出请求并处理响应，而不阻塞用户[13-14]㊂
3 系统硬件
3.1 设计方案综述
硬件部分主要有UM220-III双模导航授时模块㊁SIM800C GSM模块㊁Raspberry Pi3Model B开发板以
及相关串口㊁USB口连接线和供电设备[15-17]㊂因为Raspberry Pi只有一对TXD,RXD引脚，所以将定位模块接在USB口上,GSM模块接在串口上，连接图如图3所示㊂
3.2 UM220-III双模导航授时模块
UM220-III双模导航授时模块同时支持GPS和北斗BD定位，同时扩展支持差分GNSS RTCM2.3/ 3.0，支持AGNSS辅助定位功能，集成度高㊁功耗低，非常适合对尺寸㊁功耗要求高的北斗规模应用[15-16]㊂3.3 SIM800C GSM模块
SIM800C GSM模块可支持4频GSM/GPRS，模块的物理接口为42引脚的SMT焊盘，提供了模块的所有硬件接口㊂模块的尺寸很小，可以满足应用中对空间尺寸的要求[16]㊂模块通过AT指令来控制，系统涉及的AT指令如表1所示㊂
图3 硬件模块连接图
表1 系统涉及的AT指令
AT指令功能
AT握手
ATD拨号
AT+CSQ查询网络信号质量
AT+CREG查询网络注册情况
优美诗句AT+CGATT查询模块是否附着GPRS网络
AT+CSMS选择消息服务，可选GSM-MO㊁SMS-MT㊁
SMS-CB
AT+CSCA短信服务中心地址
AT+CMGF优先信息格式
手相婚姻线图解AT+CMGR读短信㊂信息从+CPMS命令设定的存储器
读取
AT+CMGS发送信息
AT+CMGD删除短信息
AT+CSTT设置APN
AT+CIICR激活移动场景
AT+CIFSR获得本地IP地址
AT+CIPSTART=
"TCP","ip"，端口建立TCP/IP连接
AT+CIPSEND向服务器发送数据
AT+CIPSHUT关闭TCP连接
3.4 Raspberry Pi3Model B开发板
Raspberry Pi是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100以太网接口(A型没有网口)，可连接键盘㊁鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口㊂以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能，只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格㊁文字处理㊁玩游戏㊁播放高清视频等诸
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第1期 沈磊贤等：基于北斗导航的定位服务平台设计与实现
多功能[17]㊂树莓派配套使用软件:Putty：通过IP登入树莓派;Xrdp：远程连接登入树莓派;Minicom：访问串口和USB口，实现数据传输㊂
4 系统设计
4.1 数据传输
硬件模块获取相关数据，通过GPRS通信和公网IP传到服务器，服务器上实时将数据存入数据库㊂网页上利用AJAX技术，通过JavaScript请求PHP服务端访问数据库从而读取数据，部分功能需要请求Web 服务获取相应返回参数,JavaScript[18-19]处理数据最后通过HTML显示，数据传输流程如图4所示㊂
图4 数据传输流程
4.2 数据库建模
硬件设备获取物体数据包括经纬度㊁海拔㊁当前接收信号卫星个数㊁信号质量㊁系统误差㊂一个用户可以拥有多个硬件设备，且每个设备拥有唯一id，用户设置用户名和密码登入平台，数据库建模ER
图如图5
所示㊂
图5 数据库建模ER图
4.3 系统功能
系统以高德地图API为基础进行二次开发[20]，功
能模块上主要分为信息查询㊁监控管理㊁本地数据可视
苹果手机nfc怎么复制门禁卡化㊂具体系统功能分析与测试如下:
4.3.1 位置查询
使用方式：用户通过id选择设备(组)后，地图上
会展示该设备(组)的位置信息，同时展示设备的经纬
度，海拔，当前接收信号卫星个数，信号质量和定位误
差信息㊂
应用场景：适用于一切需要获得定位信息的场景,
桶装水保质期比如：物流类场景，了解设备所在位置；共享单车类场
景，展示单车分布，方便调度；寻类场景，查设备㊁
车辆㊁老人㊁儿童等所在位置㊂
4.3.2 轨迹查询
使用方式：用户通过id选择设备(组)并指定时间
(没有指定时间时，默认展示最近4小时的轨迹)，地
图会展示该设备的运动轨迹㊂同时通过巡航栏还原运
动过程，可获得运动距离，时间等信息㊂
应用场景：适用于需要得到物体历史移动信息的
场景，比如网约车㊁出租车的行程轨迹；马拉松等比赛
选手的移动轨迹㊂
4.3.3 地理围栏
使用方式：点击设置电子围栏后，用户可在右侧地
青椒炒鱿鱼图上标记至少三个点，组成多边形围栏，确认后地图上
显示围栏形状，用户同时可以右击显示功能框进一步
编辑围栏㊂点击查看围栏按钮时，地图上展示之前设
置的地理围栏和相关设备与地理围栏的位置关系㊂如
果有短信提醒等功能需求也可以满足，当与围栏绑定
的设备发生预设的行为比如进入㊁离开㊁逗留等时发出
提醒㊂
应用场景：主要适用于监管类场景，比如：共享单
车类场景，停车区域限制；监护管理场景，老人，儿童离
开指定区域时发出提醒㊂
4.3.4 路线规划
使用方式：指定起点终点后系统自动规划最佳行
驶路线，包括驾车㊁骑行和步行的路线规划㊂㊃671㊃ 计算机技术与发展 第29卷
应用场景：调度类场景，为远程调度自动规划路线㊂
4.3.5 天气查询
使用方式：因为卫星定位必须在室外，所以必须要考虑到天气问题，此功能可以展示指定地点当前与最近4天的天气情况㊂
应用场景：快捷地了解目标地址的天气情况㊂4.3.6 上传本地数据
使用方式：上传指定格式的本地数据，可以在地图上展示对应的轨迹㊁分布或热力图像㊂
应用场景：用户拥有相关数据，应用于数据可视化和大数据分析㊂
5摇结束语
文中提出的定位服务平台的设计方案，符合市场需求，具有一定创新性，安全性高，推广了中国的专有技术，通用性强，能够满足不同用户的不同需求，在保证基本定位功能的基础上提供了信息查询㊁轨迹查询㊁地理围栏等功能模块，实用且易操作㊂平台未来可以在已有基础上结合大数据分析㊁深度学习㊁计算机视觉等前沿技术增加时间序列预测，驾驶行为分析等更加智能化的功能，在很多细节上还需要不断完善㊂硬件上需要进一步集成，缩小体积方便使用，硬件功能上也可以进一步增加，比如北斗的短报文功能㊁图片信息的展示等㊂
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