王　平，巴新峰

（1.同濟大學　嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計算教育部重點實驗室，上?！?00092；2.西華大學　電氣信息學院，四川　成都　610039）

基于北斗定位導航系統(tǒng)的士兵狀態(tài)監(jiān)視與指揮控制系統(tǒng)

王平1，2，巴新峰2

（1.同濟大學嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計算教育部重點實驗室，上海200092；2.西華大學電氣信息學院，四川成都610039）

摘要：戰(zhàn)場救護中，及時發(fā)現(xiàn)士兵傷情并迅速找到傷員是挽救傷員的重要條件，因此，對受傷士兵的定位與獲取需救護傷員的準確個人信息對于救護的有效性具有非常重要的意義?；诒倍沸l(wèi)星的定位導航系統(tǒng)設(shè)計戰(zhàn)場士兵信息采集與指揮控制系統(tǒng)，利用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位通信系統(tǒng)對戰(zhàn)場士兵進行定位，通過由基于藍牙的士兵狀態(tài)監(jiān)視終端對士兵生理狀態(tài)參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)士兵傷情時實時由通信終端向指揮控制中心傳遞傷員個人信息和生理狀態(tài)參數(shù)，指揮中心接收傷員數(shù)據(jù)后，通過GIS系統(tǒng)、根據(jù)地形等信息可實時規(guī)劃救援路線和救援方案，以實現(xiàn)對傷員的及時救治。分析了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的功能與特點，介紹了士兵信息采集與指揮控制系統(tǒng)的組成及功能，詳細闡述了士兵信息采集終端的設(shè)計、生命體征信息監(jiān)測方法、指揮控制系統(tǒng)的組成與功能以及地理信息系統(tǒng)（GIS）設(shè)計。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星定位導航；生命體征信息監(jiān)測；即時救護；指揮控制系統(tǒng)；GIS

0　引言

戰(zhàn)場救護中，迅速發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)士傷情并找到傷員進行及時救治對降低戰(zhàn)斗死亡率有著極其重要的作用。根據(jù)第二次世界大戰(zhàn)中的統(tǒng)計，傷員治療推遲6 h，死亡率由19.5％增加到26％；推遲24 h，死亡率則增加到36％。而美軍在越南戰(zhàn)爭中，所有在到達醫(yī)療機構(gòu)前死亡的人員，90％以上死于受傷后1 h以內(nèi)。前蘇聯(lián)在阿富汗戰(zhàn)爭中也有類似的統(tǒng)計，陣亡者中55％為負傷初期治療不及時，20％為根本未經(jīng)救護［1］。

士兵狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)的研發(fā)從1980年代就得到了發(fā)達國家的重視，1980年代末美國國防部資助了“戰(zhàn)時生命體征監(jiān)測、傷情檢測系統(tǒng)”研究，但由于技術(shù)限制沒有太大進展。隨著嵌入式和微型化技術(shù)的發(fā)展，1990年代末，美國佐治亞理工學院研制出了智能襯衣，可以將心率、呼吸率等生理傳感器嵌入士兵穿著的襯衣中，實現(xiàn)基本生命體征的測量［2］。2002年，美國陸軍提出了單兵生命參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)（WPSM）［3］；2003年，美國海軍研發(fā)了無線生命體征監(jiān)護系統(tǒng)（WVS）［4］，2004年，美國宇航局研發(fā)了生命衛(wèi)士系統(tǒng)（Life guard）［5］；2009年，美國陸軍投入研發(fā)了戰(zhàn)場無線生命監(jiān)視系統(tǒng)（C-WHMS）［6］。

本文設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的士兵狀態(tài)監(jiān)視與指揮控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能迅速發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)士傷情，依靠北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行快速定位，實現(xiàn)對負傷戰(zhàn)士的迅速救治。其研發(fā)目的在于實現(xiàn)單兵戰(zhàn)場救護模式的4大轉(zhuǎn)變：傷情記錄由“紙質(zhì)化”向“數(shù)字化”轉(zhuǎn)變、傷情傳輸由“人工傳遞”向“無線傳輸”轉(zhuǎn)變、傷情采集由“人工采集”向“實時監(jiān)測”轉(zhuǎn)變、傷員搜救由“概略搜尋”向“精確定位”轉(zhuǎn)變。

1　北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的功能與特點

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的定位、通信系統(tǒng)，包括北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)和北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗一號”）是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供全天候、區(qū)域性服務(wù)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前已投入使用，在軍事上有著重要的戰(zhàn)略意義，對我國自主國防能力的提高起著重要的作用。北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)目前還在建設(shè)之中。

1.1“北斗一號”的組成與功能

“北斗一號”是我國自行研制的區(qū)域性有源衛(wèi)星定位、通信系統(tǒng)，采用雙星有源定位體制?！氨倍芬惶枴敝饕杀倍房臻g衛(wèi)星、北斗地面控制系統(tǒng)和北斗用戶終端組成，可以為我國及周邊地區(qū)提供全天候的服務(wù)，其主要功能是：

1）定位：自主或主動快速確定用戶所處地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。

2）通訊：用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間均可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信。

3）授時：中心控制系統(tǒng)定時播發(fā)授時信息，同時為用戶提供時延修正值。

1.2“北斗一號”技術(shù)特點

1）“北斗一號”的定位信息和短報文都是經(jīng)過加密的，適合軍事應(yīng)用。

2）“北斗一號”不但具有定位功能，而且具有短報文通信功能，能實現(xiàn)北斗用戶間的雙向短報文通信。

3）北斗用戶終端具有指揮型和普通型兩種模式。指揮型終端除了具有普通型終端的所有功能外，還可以管理下屬普通型用戶終端，主動定位下屬用戶終端、監(jiān)收下屬普通型用戶終端發(fā)送的數(shù)據(jù)。

1.3“北斗一號”的優(yōu)勢

采用基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位、無線通信技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

1）范圍覆蓋中國及周邊地區(qū)，全天時、全天候，無通信盲區(qū)。

2）同時實現(xiàn)定位、通信功能；衛(wèi)星通信克服短波、超短波等常規(guī)通信能力有限的弱點。

3）“北斗一號”是我國自主研發(fā)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)加密處理；同時擺脫戰(zhàn)時定位導航受制于GPS的局面（戰(zhàn)時GPS可能被定向關(guān)閉），使系統(tǒng)更加安全、可靠。

2　士兵信息采集與指揮控制系統(tǒng)組成及功能

2.1系統(tǒng)組成

如圖1所示，士兵信息采集與指揮控制系統(tǒng)由兩部分組成：士兵手持終端和指揮控制系統(tǒng)。

圖1　士兵信息采集與指揮控制系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Diagram of soldier information acquisition and command control system

士兵信息采集終端實時監(jiān)控士兵的生命狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)以短報文的形式傳送到戰(zhàn)場指揮控制中心；戰(zhàn)場指揮控制中心通過指揮型北斗終端對士兵主動定位，將士兵信息（編號、姓名、血型、職務(wù)、部別等）通過電子地圖顯示出來。

2.2系統(tǒng)功能

2.2.1即時救護功能由士兵信息采集終端實時對士兵生命狀態(tài)進行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)異常時將士兵信息及時傳輸給控制中心，指揮員通過系統(tǒng)獲知傷員信息及其位置，根據(jù)傷員的血型等信息提前制定救護方案，使傷員及時得到救治。

2.2.2提高作戰(zhàn)單元間的協(xié)同能力和單兵作戰(zhàn)效能在戰(zhàn)爭中，尤其是小分隊的特種作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)單元的合理分配以及作戰(zhàn)單元間的協(xié)同對取得作戰(zhàn)的勝利起著至關(guān)重要的作用。戰(zhàn)場指揮員通過系統(tǒng)掌握戰(zhàn)場士兵的位置信息，根據(jù)士兵上報的戰(zhàn)場情況，制定出合理的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)并傳達到每一名士兵，從而大大提高了士兵的協(xié)同作戰(zhàn)能力。另外，配備士兵手持終端的特種作戰(zhàn)人員可以對作戰(zhàn)目標進行偵查、定位以及召喚火力打擊等行動，提高單兵作戰(zhàn)效能。

3　系統(tǒng)方案

3.1士兵信息采集終端方案

3.1.1士兵信息采集終端組成及功能士兵信息采集終端主要完成士兵生命體征信息監(jiān)測和基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位、無線通信兩種功能。生命體征信息包括心率、體溫等諸多項目，本課題設(shè)計的終端主要采集士兵的3種生命體征信息：脈搏、心音和血壓。在正常工作狀態(tài)下，本終端只采集脈搏信號，通過從人體脈搏信號中提取心率，采用動態(tài)差分閾值法實時自動識別單周期脈搏信號的起點和終點，從而提取單周期脈搏信號；在提取心率參數(shù)的同時也為系統(tǒng)的擴展留下了空間和接口，對單周期脈搏信號進行分析可提取人體血壓等反映人體生命體征的參數(shù)。當終端發(fā)現(xiàn)士兵負傷后，啟動心音和血壓的采集，并自動打開通信功能，向指揮控制中心傳輸負傷士兵的實時生理參數(shù)和姓名、性別、血型等個人信息。

如圖2所示，士兵信息采集終端由兩部分組成：手持終端和基于藍牙的無線數(shù)據(jù)采集終端。手持終端硬件平臺是由以ARM920T為內(nèi)核的S3C2410嵌入式處理器、藍牙模塊、北斗衛(wèi)星導航通信模塊以及外圍電路構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，主要完成生命體征信息監(jiān)測、定位、信息數(shù)據(jù)發(fā)送及和指揮中心之間的雙向通信等功能。終端應(yīng)用層軟件設(shè)計是以LabVIEW Mobile Module為開發(fā)平臺，采用多線程、模塊化結(jié)構(gòu)，包括生命體征信息監(jiān)測線程、定位線程、信息融合發(fā)送線程、命令接收線程、（短報文）通信線程等。

圖2　士兵信息采集終端組成框圖Fig. 2 Block diagram of soldier information acquisition terminal

基于藍牙的無線脈搏采集系統(tǒng)主要由MSP430F169單片機、HK-2000B脈搏傳感器和串口藍牙模塊組成。系統(tǒng)采用MSP430F169最小系統(tǒng)，優(yōu)化了軟件設(shè)計，最大限度地降低了采集系統(tǒng)的功耗。用彈性繃帶將傳感器固定在人體腕部，在不影響士兵戰(zhàn)斗操作的情況下采集士兵腕部的橈動脈脈搏信號。

3.1.2心率實時監(jiān)測原理采集的脈搏信號在分析處理之前要進行預處理，主要包括中值濾波（去除由于呼吸和肌體運動引起的隨機噪聲）、高通濾波和低通濾波（其頻率主要集中在1～20 Hz）、滑動均值濾波（對信號進行平滑處理）。

從脈搏信號中提取實時心率參數(shù)的關(guān)鍵是實時識別單周期脈搏信號，也就是實時找出脈搏信號周期的起點和終點。根據(jù)脈搏形成的機理，由于人體心臟周期性的收縮，所以人體的脈搏壓也周期性的急劇升高，即每個心跳周期都有一個時間點脈搏壓上升最快，對應(yīng)著每個周期脈搏信號導數(shù)的最大值。基于此，本文采用動態(tài)差分閾值法實時識別脈搏信號周期的起點和終點，該方法能夠克服傳感器基線漂移帶來的影響。其基本思想就是對脈搏信號進行求導后采用閾值法實時識別出每個周期導數(shù)的最大值所對應(yīng)的信號點，再找出該點往前第一個極小值點即為該周期脈搏信號的起點（上一個周期脈搏信號的終點），然后設(shè)定該周期脈搏信號導數(shù)的最大值的1/2為新的閾值，最大限度降低系統(tǒng)的誤差。其流程圖如圖3所示。

圖3　心率實時監(jiān)測軟件流程圖Fig. 3 Software flow diagram of HR real time monitoring

3.2指揮控制系統(tǒng)方案

3.2.1指揮控制系統(tǒng)組成及功能如圖4所示，指揮控制系統(tǒng)主要由GIS、士兵信息數(shù)據(jù)庫、指揮型北斗終端機及各功能模塊與接口程序組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用LabVIEW開發(fā)平臺。

圖4　指揮控制系統(tǒng)框圖Fig. 4 Block diagram of command control system

1）北斗接口：北斗接口對指揮型北斗終端機進行控制，為系統(tǒng)提供定位、信息查詢、短報文收發(fā)等接口。北斗接口還可以對北斗機的波束、天線高度等參數(shù)進行設(shè)置。

2）短報文收發(fā)模塊：指揮型北斗終端機無需任何指令就可以監(jiān)收所有下屬的士兵信息采集終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型有兩種，一是采集終端以一定的時間機制采用主動自報式向指揮中心發(fā)送的士兵生命體征信息和士兵編號；二是士兵和指揮中心的通信內(nèi)容，如士兵上報的戰(zhàn)場情況、指揮員下達的作戰(zhàn)命令等。系統(tǒng)自動識別兩種數(shù)據(jù)分別進行處理并存儲到士兵信息數(shù)據(jù)庫。

3）北斗定位管理模塊：以一定的時間機制控制指揮型北斗機獲得指揮中心的定位信息并對所有下屬的士兵信息采集終端進行主動定位，獲得定位信息。定位信息經(jīng)過程序處理后更新士兵在電子地圖上的顯示并存儲到士兵信息數(shù)據(jù)庫。

4）戰(zhàn)場指揮模塊：指揮人員通過短報文收發(fā)模塊可以向指定的士兵發(fā)送作戰(zhàn)命令；也可以通過GIS選擇士兵向其發(fā)送作戰(zhàn)命令。戰(zhàn)場士兵上報的戰(zhàn)場情況等信息也可以經(jīng)戰(zhàn)場指揮模塊處理后通過GIS顯示出來。

5）士兵生命狀態(tài)監(jiān)視模塊：通過對士兵生命體征信息進行判斷，改變受傷士兵在地圖上的顯示顏色等使指揮人員及時發(fā)現(xiàn)受傷士兵及其位置，根據(jù)士兵的血型等信息提前制定救護方案，提高戰(zhàn)場即時救護水平。

3.2.2基于LabVIEW與MapX的GIS設(shè)計1）在LabVIEW中調(diào)用MapX。

基于LabVIEW與MapX的GIS開發(fā)采用了基于組件的GIS開發(fā)技術(shù)。MapX是MapInfo公司提供的ActiveX控件，它集成了MapInfo的強大地圖分析功能。由于它是一種基于Windows操作系統(tǒng)的標準控件，所以它支持包括LabVIEW在內(nèi)的大多數(shù)標準可視化開發(fā)環(huán)境。MapX采用的是控件技術(shù)，可以無縫地嵌入到基于LabVIEW的應(yīng)用中，LabVIEW通過ActiveX Container支持MapX控件，調(diào)用MapX的各種工具、屬性和方法；結(jié)合ActiveX自動化功能實現(xiàn)MapX的專題地圖、數(shù)據(jù)綁定、圖層控制、選擇、自動標注等功能。

2）GIS的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

GIS的基礎(chǔ)是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是通過地理空間拓撲結(jié)構(gòu)建立地理圖形的空間數(shù)據(jù)模型，通過定義各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系實現(xiàn)地理圖形和數(shù)據(jù)庫的結(jié)合。基于MapX的GIS的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)地圖空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Spatial data structure of map in the system

從橫向來看，GIS的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用的是基于地圖圖元和空間索引相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。地圖圖元是地理對象的抽象模型，主要包括點、線、區(qū)域3種類型。任何點、線、區(qū)域均用直角坐標點x、y來表示。系統(tǒng)中士兵被抽象為點，用其定位信息來表示。通過空間索引，可以盡快地查詢到給定坐標范圍內(nèi)的士兵及其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

從縱向來看，GIS的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用的是分層存放的結(jié)構(gòu)。通過地圖分層技術(shù)，可以根據(jù)需要或按照一定的標準將地圖圖元分層組合。采用這種結(jié)構(gòu)可以提高地圖的搜索速度，方便不同數(shù)據(jù)的調(diào)用和管理。

3）GIS的地圖對象模型。

GIS二次開發(fā)需要建立地圖數(shù)據(jù)對象模型。圖6為系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)對象模型。MapX組件的基本組成單元是對象和集合，每種對象和集合對應(yīng)著地圖某一方面的功能。圖層集合（Layers）是地圖的一個重要屬性，它本身也是一個對象，由圖層對象（Layer）組成，負責管理所有圖層對象。圖層對象是由特征集合（Features）組成，并包含了創(chuàng)建特征集合的方法；特征集合則包含了操縱特征集合的方法。特征集合由特征對象（Feature）組成，對應(yīng)于地圖中的點、線或區(qū)域，它們定義了自身的屬性并有改變自身的方法。選擇集合和特征集合類似，都是由特征組成的集合，擁有管理特征集合的方法；通過使用選擇集合對象和特征集合對象的方法，可以在地圖上“標記”和選擇符合特定條件的圖元。

圖6　系統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)對象模型Fig. 6 Object model of map in the system

4　結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過使用測試，基本實現(xiàn)了最初的功能設(shè)計要求。但是系統(tǒng)使用基于“北斗一號”的定位、通信技術(shù)，在實戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)仍有一些缺陷。因為“北斗一號”系統(tǒng)容量有限，定位終端比較復雜，定位精度有限；采用有源、主動式工作方式，失去了無線電隱蔽性，在軍事上處于劣勢。目前仍在建設(shè)之中的“北斗二號”系統(tǒng)有效解決了“北斗一號”存在的技術(shù)缺點。“北斗二號”實現(xiàn)了無源定位，在實戰(zhàn)中可以有效避免遭受電磁干擾和攻擊，并且在定位精度上有了大幅度的提高。北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)的結(jié)合，將大大提高我軍“打贏高科技技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭”的能力。

參考文獻（References）

［1］毛玉明.美軍創(chuàng)傷救治信息管理系統(tǒng)［J］.解放軍醫(yī)學情報，1996，10（3）：146-147.

［2］GOPALSAMY C，PARK S，RAJAMANICKAM R，et al. The wearable motherboard?：the first generation of adaptive and re?sponsive textile structures（ARTS）for medical applications［J］. Virtual Reality，1999，4（3）：152-168.

［3］HOYT R W，REIFMAN J，COSTER T S，et al. Combat medical informatics：present and future［C］∥Proceedings of AMIA 2002 Annual Symposium，2002：335-339.

［4］RHEE P，MURRAY S，CARR W. A wireless vital signs system for combat casualties［C］∥RTO HFM Symposium on“Combat Casualty Care in Ground Based Tactical Situations：Trauma Technology and Emergency Medical Procedures”，St Pete Beach，USA，2004（16-18）：261-266.

［5］MONTGOMERY K，MUNDT C，THONIER G，et al. Lifeguard-a personal physiological monitor for extreme environments ［C］∥Engineering in Medicine and Biology Society，2004. IEMBS′04. 26th Annual International Conference of the IEEE，2004，1：2192-2195.

［6］BURNS M P G. The Combat-wireless health monitoring system［J］. The Journal of Defense Software Engineering，2009（11/12）：4-9.

（責任編輯：葉冰）

Soldier Status Monitoring and Command Control System Based on Beidou Navigation System

WANG Ping1，2，BA Xinfeng2
（1.The Key Laboratory of Embedded System and Service Computing（Ministry of Education），Tongji University，Shanghai 200092，China；2. School of Electrical and Information Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，Sichuan，China）

Abstract：For battle field rescue，it is important to find wounded soldiers quickly and treat them time?ly，so it is meaningful for locating the wounded soldiers and acquiring the accurate personal information. The Beidou position and navigation system realizes soldiers information collection and command control，uses China independent developing system namely the Beidou position and navigation system to locate soldiers in battle field，through soldier status monitoring terminal based on Bluetooth to continuously monitor the physiological parameter of soldiers，when find the injury，in real time send the individual in?formation and physiological parameter from terminal to command center，after receiving the data，the command center can plan the rescue route and scheme in real time base on terrain and so on information through GIS system，so realizes the timely rescue to injuries. Analyses functions and features of the Bei?dou navigation system，introduces the functions and components of soldier information collection system and command control system，elaborates on the design of soldier information collecting terminal，thebook=52,ebook=52method of vital sign information monitoring，the components and functions of command control system，and the design of GIS.

Keywords：the Beidou position and navigation system；monitoring of vital sign information；real time rescue；command control system；GIS

作者簡介：王平（1970—），男，教授，博士，研究方向：傳感器與集成微系統(tǒng)、信息融合和圖像處理。

基金項目：教育部春暉計劃資助項目（Z2012029）；同濟大學嵌入式系統(tǒng)與服務(wù)計算教育部重點實驗室開放基金資助項目（201202）；四川省高等學校科技創(chuàng)新重大培育項目（09zz029）

收稿日期：2014-11-03

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.01.009

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：1673-0143（2015）01-0051-07