第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品一等

第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品1大学组一等奖优秀作品GNSS应急终端节电方法研究...........................................2基于北斗卫星系统的自航系统的研发建议和基本原理实验.................10“北斗超人”——2031...............................................18基于GPS的智能导航救援系统.........................................23第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）科技小论文GNSS应急终端节电方法研究作者：蔡亚平指导教师：吴才聪（北京大学地球与空间科学学院，北京海淀100871）【摘要】针对GNSS应急智能终端（PDA）对电源消耗管理的应用需求，基于用户工作特点和GNSS定位特点，制定了满足心跳程序应用的GNSS应急智能终端卫星搜索策略。搜星策略包括基于用户工作时段的搜星策略和基于GNSS定位特点的搜星策略。试验表明，搜星策略可使PDA的电池使用时间延长3倍，使用时间达到11h45min，基本满足警员的工作需要。【关键词】PDA、GNSS、节电1引言当前，GNSS智能终端（如PDA）应用越来越广泛。这种GNSS终端，集语音通话、短信收发、数据传输、卫星定位、地图导航、位置服务、娱乐阅读等功能于一体，可应用于移动通信、智能交通、应急救灾等各个方面。作者所在课题组在国家科技支撑计划课题《公共安全与应急反应管理系统研发（2007BAH12B06）》的支持下，基于P660智能手机终端，构建移动应急位置服务网，取得了较好的应用效果。多名警员外出处理警务时，需要解决警员间的信息共享、友邻协作、移动监控和移动指挥等技术问题，以提高团队的协作效率。为此，课题组提出的技术路线为：警员手持智能手机，利用手机GNSS获取警员的实时位置信息，通过GSM/GPRS无线网络向中心服务器进行位置报告；警员第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品3间基于PDA中的友邻互视软件查看友邻的位置，实现信息交互。为此，基于智能PDA，作者开发了用于实时位置信息获取与传输的心跳软件和用于团队协作的友邻互视软件。在上述两个软件中，实时运行的软件是心跳软件，也是PDA中耗电量比较大的软件之一，主要包括GNSS实时定位耗电和无线网络传输耗电。而尽可能节约PDA的电池消耗，延长PDA的使用时间，又是应急救灾对PDA应用的基本要求。为此，作者根据警员工作和GNSS定位等特点，开展GNSS应急终端节电方法研究。研究过程中，主要以GPS为研究对象。2研发方法心跳软件工作方式如图1所示：图1心跳软件工作方式1）、基于警员工作特点的节电策略据初步统计，在社会稳定期，警员大部分时间可正常作息。以新疆兵团某师公安局为例，正常时期，该局按照上午10:00-13:30和下午16:00-19:30的作息时间表安排工作。因此，每天的19:30至次日的10:00和每天的13:30-16:00，共计17个小时为非工作时段。GPS手机在该时段实时定位属于无效工作，心跳程序应予以关闭。但是，也不排除警员在非工作时段接受紧急任务和外出执勤。因此，在非工作时段，也应可以通过触发PDA按钮启动心跳软件。2)、基于GPS定位特点的节电策略警员无论在办公室待命、工作，还是外出执行任务，均可能频繁进出房屋。而在房屋内部，由于GPS信号非常微弱，GPS难以正常定位。如果GPS芯片不停顿地搜索卫星信号，将超常耗费PDA的电量。因此，拟根据PDA搜星状态与PDA心跳软件服务器监控终端GPRSInternet第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品进展，及时决定直接停止卫星搜索，还是继续搜索若干次后视卫星数增减情况再做出决定。GPS启动时的搜星状态包括冷启动、温启动和热启动三种。不同的搜星状态，由于GPS存储的位置、时间、历书和星历不尽完全，所需搜星时间长短也不一。下表为三种搜星状态下GPS芯片中保存的数据[1]。表1三种启动模式下GPS芯片中保存的数据数据类型冷启动温启动热启动启动前的位置信息无有有时间无有有历书无有有星历无无有一般而言，首次定位（TTFF）所耗费的时间主要来自星历数据的解调，而且错过一次星历数据的下载，就需要再等30s，特别是在天气恶劣和有遮挡的环境下，星历接收需要较长时间，在这个过程中也特别耗电。此外，如果搜星间隔停顿时间过长，容易造成警员离开房屋后，仍不能及时向中心服务器报告位置，导致警员位置缺失，影响到友邻互视、移动监控和移动指挥。总之，连续定位与终端节电之间是矛盾的。3技术路线心跳程序的总体搜星策略如图2所示，分为工作时段和非工作时段。第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品5图2心跳搜星策略示意图18:0024:00电源按钮按下8:000:00暂停Ti搜索Ts工作时间非工作时间图2搜索T1图3图51)．工作时段搜星流程图3工作时段的TTFF策略工作时段搜索策略如图3所示。在工作时段内（如8:00-18:00），如果心跳程序没有完成定位，则“休息”一段时间，然后再次搜星，直至定位成功，该过程可能会反复进行。搜星时间必须保证足以完成星历下载和解调。心跳程序的“搜星时间”和“休息时间”可根据实际情况更改。2)．非工作时段搜星流程非工作时段搜索策略如图4所示。在非工作时段内（如18:00-24:00和00:00-8:00），如果GPS没有完成定位，则心跳程序只在PDA电源键被按下，使WindowsMobile系统电源状态处于On时才执行规定次数的定位工作，具体流程如下：在规定时间内检查卫星数，如果卫星数符合要求则继续进行定位，否则退出，如果在规定时间内定位失败则进入休息，重复上述过程直到完成规定次数的定位工作或者定位成功。在室内环境下，一般卫星信号很弱，定位往往无法完成。在工作时段，假设搜星时间设为2min、休息时间设为8min，在1h内，将搜星6次，总计耗费12min的时间进行卫星搜索。如果不采用该策略，则将耗费1h进行定位搜索。根据经验，在信号正常的情况下，完成首次定位（温启动）的时间一般为40～50s，因此将“搜星时间”设为大于1min即可。中学组一等奖作品7图4非工作时段的TTFF策略3)．耗电计算使用心跳程序的PDA在待机条件下（即背光灯关闭、系统电源处于Unattended）的使用时间计算如下[2]。参数（时间单位：s，电流单位：mA）：T：总持续时间Tg：每周期GPS搜索时间Ng：搜索次数Ti：休息间隔Ni：休息次数，等于NgQ：电池电量Ig：GPS设备电流Ip：Unattended模式下系统电流根据上述分析，可得：Q=Ig*Tg*Ng+Ip*(Tg+Ti)*Ng联立下面两式：Q1=Ig*T1*[Tg1/(Tg1+Ti1)]+Ip*T1Q2=Ig*T2*[Tg2/(Tg2+Ti2)]+Ip*T2可解Ig和Ip。根据定性分析中的例子，在1h内，心跳程序将进行6次卫星搜索，该过程第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品均匀分布在一个小时之内。由于心跳程序的“搜星时间”和“休息时间”均可更改，因此根据耗电公式，可以进行各项的参数优化，进而找到最佳的定位搜索策略，从而达到两个目的：1）提高定位的成功率；2）提高节电效率。4试验分析图5为无GPS信号条件下，PDA耗电对比图。其中，蓝色线条为不采用TTFF策略的电量消耗曲线，粉色线条为采用TTFF策略的电量消耗曲线。TTFF采用“2-8”搜索与休息策略，即搜索时间为2min，休息时间为8min。从图中可以看出，TTFF搜索策略使得PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11h45min，基本满足了警员的正常工作需要。此外，试验表明，不同的TTFF策略（参数不同）对应的使用时间也不同。图5无GPS信号状况下耗电情况对比图5结论针对GNSS智能终端电源消耗问题，研究了GNSS搜星策略，开展了对比试验，取得了较好的应用效果。1)、根据用户的工作特点，制定了工作时段和非工作时段的GNSS搜星具体策略，既可提高用户定位的成功率，又可有效节约终端的电源消耗。2)、利用仅使用心跳软件的PDA开展了耗电对比试验。采用本文提出的TTFF搜星策略时，PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11h45min，基本满足了警员的工作需要。3)、本次试验的研究对象是GNSS中的GPS。在实际应用中，可以将研究成果直接推广到其它GNSS中，特别是我国的“北斗”。中学组一等奖作品9不同行业对智能终端耗电管理的应用需求不一致，本文下一步拟在搜星策略参数优化的基础上，集成远程遥控等功能，并开发跨平台的心跳软件。6致谢感谢指导教师吴才聪副教授的悉心指导，感谢褚天行、傅成、苏怀洪等所做的前期工作。论文得到了国家科技支撑计划课题“公共安全与应急反应管理系统研发（2007BAH12B06）”的资助。参考文献[1]傅成．基于PDA的移动监控技术研究．北京大学本科生毕业论文，2010：11-19[2]ArjunAnand,ConstantineManikopoulos,QuentinJones,andCristianBorcea.AQuantitativeAnalysisofPowerConsumptionforLocation-AwareApplicationsonSmartPhones.InProceedingsofthe2007IEEEInternationalSymposiumonIndustrialElectronics.2007:1986-1991[3]JoelIvoryJohnson：WindowsMobilePowerManagement，《THECODEPROJECT》，，2011年2月19日[4]田蓓．基于WindowsMobile操作系统手机的GPS模块设计与实现．硕士学位论文，2008：63-64第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）项目建议书基于北斗卫星系统的自航系统的研发建议和基本原理实验作者：任政儒，刘媛，姜帆指导教师：宗智，倪少玲（大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024）【摘要】本文主要提出的是通过以北斗导航卫星为主体，以监测卫星、地面实时数据、历年观测数据为依托，构造完整地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统构想。本系统的研发将有利于企业降低营运风险、劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥和掌控军事主动权和话语权。本文指出该项目核心研究问题与方案，并初步通过实验模拟，验证方案的可行性。【关键词】北斗卫星，船舶，航线划分，避障，自航一、项目背景1.1国内外本项目领域科技创新发展概况和最新发展趋势[1][2]在当今船舶和海洋工程研究领域，卫星导航系统和无人驾驶船是两个重要的研究课题。卫星导航系统，是主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。国内外的学者也一直在研究其在海洋工程方面的应用，现已开发包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位，海平面升降监测等方面的应用，我国也在卫星导航系统上做了相关研究。我国的北斗导航系统，将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、海洋、灾害预报、通信等众多行业提供高效的导航定位服务。无人驾驶船，国际上是以美国、以色列为主导开始研究，至今约十年时间，而中国在这方面的研究才刚刚起步。无人船驾驶有两种方式，一种是人工遥控，另一种为自动驾驶——可按预定航线形式，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。无人船的研究，对应对海洋突发事件和在海洋、大型湖泊等方面的环境监测以及灾害预警等具有重大意义。1.2项目研究的目的、意义中学组一等