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1、移动直播GPS定位系统设计与开发刘晓敏，林耿仕. 移动直播 GPS 定位系统的设计与开发J.广播与电视技术，2017，Vol.44(8).移动直播 S GPS 定位系统的 设计与 开发刘晓敏 林耿仕 （厦门广播电视集团，福建 361012）厦门广播电视集团的技术研发团队，充分利用电信运营商的 GPRS网络和单位现有的技术设备资源以及数传电台技术，自主设计和开发了一套专用数据传输网络和移动直播 GPS 定位系统。该系统在大型体育赛事移动直播中，实现了路面转播车、摩托车与航拍直升机的快速实时定位。该系统定位速度快、精度高，具有较高的稳定性与牢靠性，为导演的指挥调度与直升机的精准航拍供应了千里眼。同
2、时，在电视直播过程中，通过播放系统记录的各种拍摄技术装备在整个竞赛线路中的实时行进轨迹，使观众在观看体育赛事直播时有一种身临其境的真实感受。移动直播，数传电台，微波，GPRS，GPS，GISTN94B10.16171/j. Design and Development of GPS Positioning System for Moving Live BroadcastingLIU XiaominLIN Gengshi (Xiamen Media Group,Fujian 361012,China) AbstractXiamen Media Group makes full use of th
3、e telecom operators’ GPRS network,the existing equipment and digital radio technology to independently develop a set of special data transmission network and GPS positioning system for moving live broadcasting. The system achieves a rapid real-time positioning of the OB vans, motorcycles and a
4、erial helicopters in the mobile live broadcasting of major sports events. The positioning system has advantages of high speed and high precision, as well as high stability and high reliability. Thus, the system is as atelescope for the director to command and for the helicopter to aerial photography
5、 g the live bradcasting process, through the shooting equipment real-time tracks recorded by the playback system, ordinances have immersive feelings while watching sports events. Keywords: : Moving live broadcasting, Digital radio，Microwave, GPS, GPRS, GIS 0 引言 大型体育赛事由于空间跨度大、转播时间长，地面上有拍摄的转播车与摩托车，空中有
6、航拍的直升机，现场状况困难而且多变，驾驭各个移动拍摄机位每个时刻的详细位置，实现统一指挥，这对现场转播的导演来说很重要。尽管导演可以通过特地的对讲通讯调度系统询问各个拍摄机位的位置，但在实际直播中却难以做到精准调度，一方面导演必需专注于竞赛画面与镜头的选取，没有更多时间来反复确认各机位的实时位置，另一方面各拍摄机位也无法知道自己当前的精确位置，反馈给导演也只是也许的位置，因此各机位无法精确快速地执行导演的意图，赛事直播变得很艰难。基于以上的应用场景，如何让导演能第一时间精确驾驭地面各转播车、摩托车与空中航拍直升机在地图上的详细位置，实现统一指挥和精准调度，提高转播效率。同时也让航拍直升机与转播
7、车、摩托车相互清晰对方在地图上的精确位置，实现协同作战，很好地执行导演的指挥调度，进行有针对性的、高效精准的拍摄，成为了我们进行系统设计须要解决的课题。1 系统 建设的需求和目标 1.1 建设 需求 厦门广电移动直播 GPS 定位系统（以下简称厦广 GPS 定位系统）的设计，是以厦门广电马拉松赛事转播为例进行设计。赛事移动直播目前主要包括两架直升机的航拍、五辆摩托车和四辆转播车等技术装备，总体可划分为空中部分与地面部分。主要需求包括空中直升机要能看到路面各转播车与摩托车的位置、导演要能看到直升机和转播车、摩托车的位置，以及系统记录和回放各机位的行动轨迹、行进的公里数、时间等功能。对于路面的转播
8、车或摩托车，假如公共电信运营商网络信号好，可利用公共电信运营商的 GPRS 网络将 GPS 位置数据传输到公网服务器实现定位。但对于空中的直升机，由于空中飞行过高，GPRS 信号覆盖差，在直升机上无法再用 GPRS网络传输 GPS 数据，须要搭建一条新的传输链路，刚好将路面转播车与摩托车的位置信息传送到直升机上，直升机汇总各机位的 GPS 数据后，再将其传送到地面总控机房，实现各机位的定位。系统建设还须要考虑如何充分利用已有的转播技术设备资源，以降低建设成本，提高资源利用率。1.2 建设目标 厦广 GPS 定位系统的建设目标是充分利用无线电技术、GIS 技术、移动通信技术以及计算机网络和软件技
9、术，通过有效地整合厦门广电赛事直播中已有的技术资源，搭建一套适合大型体育赛事移动直播中运用的 GPS 定位系统。该系统能将各种拍摄车与直升机的地理位置在地图上实时展示，使导演时刻能看到各种拍摄机位准确的地理位置，从而实现精准与高效的指挥调度，使赛事直播流程更加高效与顺畅，提升竞赛直播的技术水平。2 技术平台 的具体设计 系统设计充分考虑实时性、稳定性、牢靠性、经济性、可扩展性和可维护性，以及考虑系统能完善与优化体育赛事的直播流程，能给导演的指挥调度带来实质性的便利。系统具体设计主要包括系统功能、系统架构、各模块流程、系统监控平台等模块的设计。2.1 系统 功能的 设计 系统主要实现以下几项功能
10、：1.在总控室的系统调度中心平台上，导演能实时看到各转播车和摩托车在地图上的位置以及两架直升机的位置、速度、高度等信息。2.在两架直升机的系统客户端上，摄像人员能实时看到转播车和摩托车在地图上的位置、移动速度等基本功能。3.在演播室的系统客户端上，实现各拍摄机位行进的公里数、时间和历史轨迹回放、实时位置的语音提示等扩展功能，提升系统的交互性、友好性。2.2 系统 架 构 的 设计 赛事直播中参加拍摄的主要机位有直升机、转播车与摩托车。系统架构设计要考虑设备移动中数据传输的稳定性、实时性以及运用的便捷性，确保各部分模块能协同工作，形成一套运转高效的传输网络。依据两架直升机在系统中所担当的功能不同
11、，将其分为一架主直升机，一架从直升机。2.2.1 网络 架构 系统主要由 GPS 数据终端、传输网络、接收服务器和展示客户端等组成，系统整体网络架构见图 1。数据传输网络包括基于公共电信运营商的 GPRS 网络和自主搭建的专用数据传输网络（以下简称专用网络）两条链路。专用网络利用数传电台、微波与光纤机组建一套高效的数据传输网络，它是一套不依靠于GPRS 公网、完全独立的数据传输网络。两条链路互为备用、互为补充，避开了单链路故障，这样便大大提高了系统的稳定性与牢靠性。 图 1 系统整体网络架构 在专用网络中，GPS 数据在直升机上汇总后，通过直升机上的微波跟视频信号打包一起传送到各个微波接收点，
12、各接收点解码转成 RS-232 数据，再通过多条光纤链路最终传送到总控。总控采纳多串口转 TCP/IP 网络的方式，将多个光纤接收机解码出来的 RS-232 数据转换为 TCP/IP 网络数据包，由服务器程序自动选取完整有效的一组数据。与此同时，总控接收服务器的另一路数据来源于公网 GPRS 接收服务器，总控服务器主动与 GPRS 接收服务器建立 TCP 连接，GPRS 服务器将收到的终端位置信息转发给总控接收机，这样便实现了两条链路的有机集成与互为备用。2.2.2 GPS 数据 终端 的设计 GPS 数据终端主要由 GPS 天线、自主设计的单片机电路板、GPRS 放射模块、数传电台等组成。具
13、体的地面数据终端结构图见图 2 。 图 2 地面数据终端结构图GPS 天线采纳 SIRF 4 代高效能 GPS 芯片组，定位快、灵敏度高、精确度高，同时，数据格式符合国际标准的 NMEA0183 协议。通过接口转换将 GPS 数据以RS232 串口方式把数据输出给单片机电路板。单片机电路板主要作用是在 GPS 天线输出的数据的头部加上唯一的 ID 号，以 3 秒为周期或更短的时间周期不断地将数据输出给 GPRS 放射模块，同时，监听本地电台收到的数据并做分析，假如是询问本终端吩咐则给本地电台返回GPS 数据。2.2.3 主直升机 节点 的设计图 3 主直升机节点组成架构图主直升机节点是专用传输
14、网络的核心与枢纽，主直升机节点组成架构图见图 3，有三个主要功能：1.采集各路面终端的 GPS 数据信息。2.分析各终端返回的 GPS 数据的有效性、完整性以及数据传输的误码率等，依据需求对全网电台的工作频率、串口格式做调整，并向各个路面终端电台与从直升机电台下发调整吩咐，以达到最佳的传输效果。3.将路面终端的 GPS 数据信息输入到微波数据接口，与视频信号一起传输到各微波接收点。2.2.4 从直升机 节点 的 设计 图 4 从直升机节点组成架构图 从直升机作用不但要完成类似于路面转播车或摩托车等位置的数据采集，还要帮助主直升机完成路面终端数据的采集。从直升机节点组成类似于主直升机，但是完成的
15、功能不同，架构图见图 4。从直升机节点功能主要有三个：1.接收主直升机的轮询吩咐，返回本机的 GPS 信息。2.在肯定的状况下，作为中继电台运用，帮主直升机对某特定的路面终端进行询问，并将收到的终端响应转发给主直升机。3.将 GPS 数据输入给微波接口。2.2.5 系统通信协议的设计 系统各个模块之间传输的信息主要分为吩咐信息与 GPS 数据信息。通信协议设计原则要求简洁且高效，使各模块能快速地解析各种吩咐并执行对应的操作。系统消息类型主要有：询问吩咐、代理询问吩咐与 GPS 位置信息。1.询问吩咐格式：XMGDxx，表示询问终端编号为 xx 的 GPS 数据信息，其中xx 为两位 0-9 的
16、数字组合，如XMGD01表示询问编号为 01 的路面终端。2.代理询问的吩咐格式：DLXWxx，主直升机发给从直升机的代理询问吩咐，恳求从直升机帮助询问终端的 GPS 数据。大型体育赛事由于空间跨度大、线路长，增加了电视直播的难度。数传电台的传输距离理论上主要取决于双方天线的高度，假如主直升机与路面终端的距离较远，则路面终端有可能收不到主直升机发送的询问吩咐，对主直升机而言，终端处于失联状态。而此时该终端有可能在从直升机电台信号的覆盖范围之内。代理询问示意图见图 5：图 5 代理询问示意图因为航拍直升机的飞行高度较高，两架直升机上数传电台的传输距离能够更远。在终端没回应的状况下，主直升机向从直
17、升机发送代理询问吩咐，由从直升机广播一条询问吩咐，如终端有回应则从直升机再将该回应转发给主直升机。3.GPS 位置信息格式：终端给直升机返回的带 ID 头部的定位数据信息。即在满意 NMEA0183 协议标准的基础上在头部加上XMGDxx，以#号分割这两部分。终端的 GPS 位置数据实例如下：XMGD02# #$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77 $GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54$
18、GPGSV,3,2,10,21,32,199,23,14,25,272,24,05,21,140,32,26,14,070,20*7E $GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*04 2.3 系统流程的设计 系统主要有三个模块：GPS 数据终端流程、主直升机流程和从直升机流程。2.3.1 GPS 数据终端流程GPS 天线接收卫星的定位数据，经单片机电路板处理后头部加上 ID 号。分别输出给 GPRS 模块与数传电台。GPS 数据终端工作流程图见图 6。图 6 GPS 数据终端工作流程图2.3.2 主直升机流程 主直升机主要负责周期性地给每个数据终端以及从直升机发送询
19、问吩咐，并将收到的回应数据转发给微波接口。主直升机工作流程图见图 7。 图 7 主直升机工作流程图2.3.3 从直升机流程 从直升机主要接收各种电台信号，针对不同的消息类型执行相应的操作。从直升机工作流程图见图 8。 图 8 从直升机工作流程图2.4 系统监看平台 的 设计 2.4.1 GPRS 公网 链路 GPRS 链路的接收服务器部署在 Internet 公网，移动转播车须要看到各个数据终端的地理位置，这里采纳 B/S 架构进行开发与部署，具有较强的可扩展性、可维护性的特点。考虑到系统平安与稳定的因素，服务器运行在 Linux 平台之上，采纳 Apache Tomcat 作为应用服务器。服
20、务器程序采纳 JAVA 网络技术以及 DWR 服务器端主动推送技术。各转播车可干脆用 Web 阅读器联网访问，不需刷新页面即可实现在地图上实时看到各摩托车的地理位置。2.4.2 专用 传输 链路 该链路是个相对独立的传输网络。主直升机、从直升机、总控端均要求能看到摩托车终端的位置，总控端还要求能看到主从直升机的位置。系统在两架直升机上均采纳 B/S 结构进行部署，运行于 Windows 平台之上，采纳 Apache Tomcat 作为应用服务器。服务器程序利用 JAVA 网络技术以及 DWR服务器端主动推送技术。直升机通过 Web 阅读器方式访问本机的服务即可看到各终端的地理位置。总控端则采纳
21、 C/S 与 B/S 相结合的方式进行部署。总控接收服务器也是基于Windows 平台，采纳 Apache Tomcat 作为应用服务器，同时该服务器会与公网上的 GPRS 服务器建立 TCP 连接。总控服务器同时处理专用网络传输过来的数据与公网 GPRS 服务器转发过来的数据。服务器程序采纳 JAVA 网络技术以及 DWR 服务器端主动推送技术。导演通过 Web 阅读器方式访问本机的 Web 服务即可看到两架直升机与各路面终端的地理位置。3 技术亮点 3.1 自主研发创新 厦门广电集团技术中心各种软硬件技术资源丰富，该系统的需求考虑充分并高效地利用这些资源。从 GPS 数据终端、通信协议、传
22、输链路到各链路的接收服务器的设计与详细实现，以及系统的部署实施均全程由技术中心的团队自主担当，摆脱了对第三方集成商的依靠，可依据实际运用需求刚好进行调整。该系统的实现进一步提升了集团技术团队的研发实力与创新实力。 3.2 链路创新 牢靠性与稳定性是该系统考虑的重点，一般的 GPS 定位系统传输链路单一，但从播出平安和赛事转播连续性及完整性的的要求来说，GPS 系统不能依靠单一的传输路径。该系统利用无线数字数传电台与微波链路组建一套实时高效的传输网络，并有机整合 GPRS 无线网络以及互联网。两条链路同时传输，实现互备互补，避开单路径故障，保证 GPS 数据传输的稳定性与牢靠性。3.3 应用创新
23、 以往的马拉松或自行车的赛事直播，总控与导演均无法实时看到各种车辆、直升机在竞赛线路图中详细的位置。该系统的应用创新给赛事直播带来极大的便利，主要包括如下几个方面：1.对总控而言，实时驾驭车辆详细位置可以刚好选择最近微波点以切换到最好的拍摄画面； 2.对导演而言，实时驾驭车辆详细位置可提高指挥调度的效率，能提前做好支配打算； 3.对航拍直升机而言，实时驾驭车辆详细位置则可精确快速地执行导演意图，做到精准的航拍； 4.对从直升机而言，实时驾驭车辆详细位置则可以飞行到最佳的位置以保证接收各车辆的微波的效果最好。3.4 运动轨迹创新 该系统既能在地图上展示各拍摄车辆实时的地理位置，还记录了各路车辆的
24、GPS 历史数据。这样可以在竞赛演练阶段画出完整、精确的竞赛线路图，又可以给电视观众展示某车辆动态的行进轨迹，包括展示当时的运行速度、公里数等信息，进一步丰富电视画面字幕的内容。系统还支持自定义某些特定区域，当车辆运行接近该区域时赐予语音提示，提示总控或导演留意。3.5 离线 的 友好的 电子地图 由于网络地图受限于网络稳定性与网络速度等缘由，本系统开发的电子地图是离线的，即各级地图数据存储在本系统的服务器上，依据地图坐标通过肯定的算法拼接成一张完整的地图，具有良好的直观性、动态性与多维性。结合动画、音频等多媒体表现手段，进一步提高电子地图的交互性与友好性。同时，GPS 定位数据假如干脆在地图
25、中画点显示，则会产生肯定距离的偏移导致显示的位置与真实位置不一样。本系统采纳一套困难的纠偏算法将 GPS 数据的经纬度进行重新再计算，之后再在地图上画点，此时显示的位置即是真实的位置。3.6 RS-232 转 转 TCP/IP GPS 数据通过微波放射到各微波接收点，由于受无线干扰等各种因素的影响，输入给光纤放射机的 GPS 数据有可能是不完整或无效的数据。各路光纤数据几乎同时到达总控，系统须要在多路数据中最快选择完整的一组。这里将 RS-232 串口信号转换为 TCP/IP 协议包，将各路串口数据封装成 IP网络数据包的形式，再通过百兆以太网口发送到总控接收服务器，这样可简化服务器程序的设计
26、与开发，同时提高处理效率。而服务器则利用 JAVA 多线程网络技术针对不同的串口分别建立不同的 TCP 连接，各连接相互独立、互不干扰。服务器并行解析各连接收到的数据包，如 GPS 数据不完整或无效则舍弃，直到选择到最佳一组数据。该模块运行稳定、功耗低、连接快速、转换效率高。 4 效果与展望 厦广 GPS 定位系统的开发完成后，在 2016 酒泉国际戈壁超级马拉松、2016贵州环雷公山超 100 公里国际马拉松和 2016 环中国自行车赛(天津、乐山、巴中、珠海）等一系列的大型户外活动电视直播中，发挥了很重要的作用，赛事直播流程变得更加平顺和流畅，大大提高了导演组的指挥与调度的效率，得到了导演
27、组一样的确定与好评。当然，运用人员也对该系统提出了珍贵的建议，系统还有须要进一步完善的地方。比如：可将体育赛事的规划线路融入到系统的离线电子地图中并实现动态展示；进一步提高车辆里程计算的精确性；进一步提高数传电台的传输距离与覆盖范围等。我们的技术团队将通过接着研发和创新，对系统进行完善和流程进行优化，进一步整合与利用现有的直播技术资源，提升厦门广电集团对外体育赛事直播的技术水平。作者简介：刘晓敏，男，1970 年生，硕士，厦门广播电视集团技术委员会委员，集团首席工程师，主要从事广播电视及计算机网络技术方面的探讨，厦门广播电视集团计算机网络的奠基人和信息化建设的带头人。TEL:，E-Mail:地址：123 号 邮编：361012林耿仕, 厦门广播电视集团，硕士，网络技术部工程师TEL:，E-Mail:地址：123 号 邮编：361012