基于北斗三号短报文的应急图文信息传输技术

The transmission technology of emergency graphic and text based on BeiDou-3 short message

摘要

为提高应急救援服务能力，提出一种基于北斗三号短报文的应急图文信息传输技术，并设计了基于北斗三号的应急图文信息传输平台。为提高北斗短报文信息传输效率，提出文本和图像压缩编码算法，将文本和图像信息压缩成信息容量更小的数据包，缩短了信息传输所需数据包的长度。实验结果表明，该算法对文本消息的压缩率达到50%，图像信息的压缩率达到2%。平台测试结果表明，在有限的通信资源下，终端与指挥机之间能够高效地进行信息交互，有助于更快速地响应应急情况。该研究成果对应急管理部门提高应急救援服务能力具有一定参考价值。

关键词

应急救援 / 北斗卫星导航系统 / 图像压缩 / 文字编码 / 北斗短报文

Key words

emergency rescue / BeiDou satellite navigation system / graphic compression / text code / BeiDou short message

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，这是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后的第3个成熟的全球卫星导航定位系统，为全球用户提供定位、导航、授时服务^［1］，同时具备特有的短报文通信能力^［2］，可广泛应用于国土测绘、交通运输、农林牧渔、灾害管理等诸多行业领域。北斗短报文功能是北斗卫星系统特有的一项技术，允许卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间通过卫星信号直接进行双向的信息传递，在通信困难地区，可提供可靠的定位、通信能力，进而实现安全监控和应急救援管理。

目前，应急救援领域面临着日益复杂的要求，主要涉及通信和数据传输平台的关键技术应用。在通信方面，研究人员已经采取了多种方法来应对短报文通信的局限性。例如，李志炜等^［3］基于数据分包传输机制，设计了一款远程图像传输系统，该系统能够在应急情况下快速传输图像信息，有助于了解应急事态。李攀等^［4］采用无人机作为空中通信中继站，建立了森林消防指挥通信中继平台，提供了一个稳定的通信架构，适用于复杂环境下的通信需求。Ren等^［5］则提出了一种基于北斗短报文的可靠通信链路，采用多卡协调传输机制，提高了数据传输效率，对应急救援中的快速传递信息至关重要。此外，Zhao等^［6］根据无线Mesh网络的功能特性，对网络节点的位置部署与资源配置进行了规划设计，优化了Mesh网络在矿井下应急救援中的通信功能。李刚等^［7］通过增加丢包率控制字段，构建北斗指挥机阵列，提出一种北斗短报文可靠传输方法，提高了传输效率。Hu等^［8］提出一种基于北斗短报文的海事安全信息双级压缩模型，解决了信息冗余的问题，提高了传输的准确性和可靠性。在数据传输平台^［9］方面，相关研究人员专注于北斗短报文在地质灾害^［10］、野外地质调查^［11］、山地休闲旅游^［12］、应急救援^［13］等领域的应用。以上研究仅强调了应急救援数据传输系统的功能和设计，尚未从软件工程的角度详细讨论系统设计和开发。本文更加关注软件工程方法，包括系统架构、数据安全、性能优化和用户界面设计等方面的细节，以确保系统的可靠性和有效性，从而提高整体救援能力。

本文针对现有研究存在的不足，充分利用北斗三号卫星导航系统独特的短报文功能，深入研究了文字和图像压缩编码算法。尽可能减小数据包的大小，从而减少传输所需要的时间，解决北斗短报文单次传输数据容量限制的问题，优化了北斗短报文的服务能力。设计了应急图文信息传输系统平台，实现了终端和指挥中心之间的信息交互，较好地解决了应急救援过程中救援人员对待救援终端所处环境的判断和需求问题，从而提高应急救援服务能力。

1 应急图文信息传输系统总设计

北斗三号的应急图文信息传输技术基于北斗短报文通信技术、文字压缩编码技术和图像压缩技术等进行设计，编写应急图文信息传输系统软件程序，建立应急图文信息传输系统平台，基于北斗短报文通信链路，实现北斗指挥机与应急救援飞行器的通信、指挥与调度功能，构成基于北斗三号的应急图文信息传输技术体系。

北斗三号的应急图文信息传输系统由北斗卫星、指挥机、待救援终端、PC端（指挥机软件）等组成。系统的通信过程为：待救援终端发起短报文消息，经北斗卫星传递到北斗指挥机处理，消息处理后发送给应急救援飞行器，从而实行救援。总体结构如图1所示。

2 北斗短报文压缩编码技术研究

2.1 文字压缩编码技术

北斗三号短报文通信服务的单次通信内容容量上限为1 750字节^［14］，但由于服务频度的限制，不能在短时间内多次使用该服务。为了解决这个问题，本文的系统采用模式化操作，对不同类型的短报文内容进行编码压缩处理^［15-16］，将需要发送的数据信息进行进制变换，把需要发送的状态信息进行量化表示。例如，在发送经、纬度坐标时，可以将经、纬度数值用十六进制表示。如果经、纬度数值指示为东经、北纬区域坐标，则数值以正数结果表达；如果经、纬度数值指示为西经、南纬区域坐标，则数值以负数结果表达。接收端的短报文可以按照上述思路解析出对应的经、纬度，且结果不会出现歧义。文字压缩编码流程如图2所示。

2.2 图像压缩编码技术

由于北斗短报文通信在数据传输方面的限制，即单次通信容量的限制和通信频率的限制，一般来说，民用北斗卡的通信频率是60 s左右，即每隔60 s才能发送一条报文；此外，北斗卫星通信链路不太可靠，在连续发送多条报文后成功率会大大降低。因此，在进行图像数据传输时，需要对图像数据进行高效压缩，进而提高通信效率。本文采用有损压缩JPEG算法^［17］进行图像压缩，它可以去除冗余的图像数据，在保持压缩率较高的同时较好地展现原始图像。JPEG压缩算法流程如图3所示。

JPEG压缩算法主要有6个步骤：分块、颜色空间转换、色度抽样、离散余弦变换、数据量化和熵编码。其中数据量化是JPEG压缩编码的重要环节，它通过运算丢弃部分对图像视觉质量影响不大的高频信息，或使DCT系数变小，从而减小存储DCT系数值的空间，同时提高编码效率。量化过程如式（1）所示。

{\mathit{F}}^{\mathit{Q}} \left(u,v\right) = \mathrm{r} \mathrm{o} \mathrm{u} \mathrm{n} \mathrm{d} \left(\frac{\mathit{F}\left(u,v\right)}{\mathit{Q}\left(u,v\right)}\right) （1）

式中： \mathit{F} \left(u,v\right) \left(u\ge \mathrm{0},v\le \mathrm{7}\right)为图像块经DCT变换后对应的频域系数矩阵； \mathit{Q} \left(u,v\right)为8×8的量化矩阵； \mathrm{r} \mathrm{o} \mathrm{u} \mathrm{n} \mathrm{d}为四舍五入取整函数， {\mathit{F}}^{\mathit{Q}} \left(u,v\right)为量化后的DCT系数矩阵。量化矩阵 Q 是JPEG图像中存储的量化表，由基本量化表和质量因子（quality factor，QF）共同决定，计算如式（2）所示。

（2）

式中： QT 为JPEG的两张标准量化表，分别用于图像色度通道和亮度通道的量化。 当质量因子 Q F = \mathrm{50}时， \mathit{Q} = \mathit{Q} \mathit{T}，即质量因子为50的JPEG图像中存储的量化表为标准量化表。以Lenna图像的分量中左上角第一块8×8图像块为例，图像质量因子为50时，量化结果如式（3）所示，原本的浮点数都变成了便于后续编码使用的整数。量化DC系数是相对较大的整数，量化AC系数值都较小或为0。

{\mathit{F}}^{\mathit{Q}} = \left[\begin{array}{c}\begin{array}{cccc}\mathrm{16}& \mathrm{1}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{1}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\end{array}\begin{array}{cccc}\mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\end{array}\\ \begin{array}{cccc}\mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\end{array}\begin{array}{cccc}\mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\end{array}\end{array}\right] （3）

2.3 图文信息分包传输方法

由于北斗短报文单次通信能力的限制，一张图片信息必须通过北斗通信模块发送多次才能发送完毕，因此需将图像信息进行分包处理，并按照北斗卫星导航系统通用数据接口4.0协议^［15］进行编排，并且在每个数据包末尾加上序列号，保证指挥机在接收到图像数据包时能够准确地进行解析，从而准确还原图像信息。接收过程中若发现关键包（第一、二包）丢失，则停止图像信息的解析，并反馈给待救援终端，待救援终端重新发送图像数据包，直至序列号检测完整，完成数据接收，还原图像信息。数据分包传输流程如图4所示。

3 应急图文信息传输技术平台软件设计与结果分析

3.1 软件设计

应急图文信息传输技术平台软件按照功能划分，可分为信息收发、信息存取、图文信息处理、定位修正、信息显示、信息交互和应急指令7个模块。平台软件功能框图如图5所示。

应急救援现场图文传输系统平台软件基于Windows操作环境，采用可跨平台的Qt开发环境对系统进行设计开发，以PC机作为软件载体，搭建系统操作及运行的可视化程序。应急救援现场图文传输系统平台软件可视化界面如图6所示。

3.2 实验验证与结果分析

为验证所开发的应急图文传输系统性能，本文进行了一些常见救援指令文本的测试，并选择一些灾害场景的图片，例如地震、洪灾、泥石流等救援场景图片进行测试。图7为文字消息结果图，待救援终端发送一些求救信息，指挥机可以正常接收，并且可以把救援指令发送给应急救援飞行器，从而完成救援任务。

本文的JPEG算法通过调整不同的量化率达到压缩图片的目的，量化率越高，图像的压缩率越小，图像的质量越差，压缩前后图像的大小如表1所示。经过测试，JPEG算法量化率设置超过32%之后的图像品质很差，内容大部分会丢失，图8所示为源图像C、D在量化率为32%、16%时的压缩前后对比图，由图可知量化率为16%时压缩效果最好，压缩率如图9所示。

采用应急图文信息传输系统传输压缩前后的图片进行对比实验，分别发送压缩前后的A、B、C、D、E、F 6张图片，按通信容量14 000 bit分包。对应的分包数如表2所示。由表2可知，压缩后分包数小于压缩前分包数，提高了传输时间和效率，验证了系统的可靠性。

4 结论

本文基于北斗三号卫星导航系统，结合北斗短报文可发送文字和图像信息的功能，设计了应急图文传输系统平台。实验结果表明：文字压缩率约为50%，文字传输的容限由1 000个汉字增加到1 500个汉字，采用JPEG图像压缩算法可以进行有效的压缩传输，图像压缩率可达2%。经过测试，北斗三号指挥机可实时接收应急救援现场的图文信息，并根据所接收的信息进行判断，指挥应急救援飞行器高效完成救援任务。在未来的研究中，可进一步改进文字、图像压缩算法，提高压缩效率，并融合语音压缩编码技术，为应急救援现场提供多模态信息，为应急救援系统发挥更大的效能提供技术支撑。

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基金资助

国家自然科学基金(62173237)

辽宁省应用基础研究计划项目(2022020502-JH2/1013)

沈阳市科技计划项目(22-322-3-34)