中北大學研究生科技立項申請書

1、編號： 中北大學研究生科技立項申請書(自然科學項目)項目名稱：基于北斗的救助搜尋定位系統(tǒng) 申 請 人： 楊藝東 聯(lián)系方式：學 號： S13005027 學 院： 信息與通信工程學院 中北大學研究生院2014 年 9 月 10 日項目概況項目名稱 基于北斗的救助搜尋定位系統(tǒng)申請經(jīng)費9000元起止年限 2014年 9 月至 2014年 9 月 申請人姓 名楊藝東性 別男出生年月1990年6月學歷碩士所在院系信息與通信工程學院聯(lián)系電子信箱m916568265 研究生畢業(yè)論文題目基于北斗的定位系統(tǒng)設計 主要研究方向信號與信息處理 導 師姓 名姚金杰性

2、 別男 職 稱副教授備注主要研究方向 信號與信息處理合作者情況姓 名性別學歷專 業(yè)項目中分工為項目工作時間（%）本人簽名郭曉光男碩士信號與信息處理數(shù)據(jù)傳輸模塊20白如玉女碩士信號與信息處理北斗定位10于樂女碩士信號與信息處理北斗定位10楊夢玲女碩士信號與信息處理上位機軟件10主要研究內容及技術指標（含研究內容的原創(chuàng)點或創(chuàng)新點，300字左右）1、系統(tǒng)整體設計針對老人、兒童以及智障人士走失難尋的問題設計了一套基于北斗的搜尋救助定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計分為三個模塊：北斗接受模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機處理模塊。北斗接受模塊主要實現(xiàn)從北斗衛(wèi)星接受老人和兒童的位置信息并將位置信息傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模

3、塊將位置信息發(fā)出，之后接受機接受來自數(shù)據(jù)傳輸模塊的位置信息，并對位置信息進行相應處理，通過GoogleMaps進行位置信息定位。2、北斗接收模塊：北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為空間基礎設施，可應用于低動態(tài)人員如老人和兒童定位跟蹤。3、數(shù)據(jù)傳輸模塊：通過GSM設備將北斗定位信息發(fā)送到監(jiān)控終端。4、上位機模塊：上位機模塊主要實現(xiàn)信息的接受和處理，主要通過GoogleMaps的API接口在谷歌地圖進行位置信息的確定，方便老人和兒童的救助和搜尋。5、技術指標：定位精度10m。6、功能指標：實時跟蹤、路徑查詢、限制活動范圍報警、最優(yōu)距離計算。一、立項依據(jù)（包括項目來源，研究意義，國內外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，選

4、題的獨創(chuàng)性、本項目與國內、外同類產品現(xiàn)行指標進行比較等）1、項目來源為了解決了老年人、兒童以及一些智障人士走失后找尋不便的問題，開發(fā)了一種基于北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的報警定位終端。2、研究意義現(xiàn)如今我們在不熟悉的場所唯一依賴的 GPS或衛(wèi)星電話，但是這些工具對老人、兒童以及智障人士來說無疑是毫無用處的的，有些危險常常在瞬間發(fā)生， 如果無法及時掌握這些人的動態(tài)信息，可能會導致悲劇的發(fā)生?，F(xiàn)如今我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有自主產權和維護成本低的優(yōu)勢，目前已經(jīng)向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導航定位和授時服務，2020年左右將建成覆蓋全球的導航系統(tǒng)，因此研究一套專門針對老人、兒童以及智障人士的基于北

5、斗的救助搜尋定位系統(tǒng)可行也很有必要。3、國內外發(fā)展現(xiàn)狀，水平及發(fā)展趨勢衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的成功產生,促進了衛(wèi)星導航定位市場這一新興產業(yè)的發(fā)展。全球衛(wèi)星導航業(yè)務一直被美國的 GPS 系統(tǒng)所壟斷。目前， GPS 以其技術優(yōu)勢和廉價的使用成本，在國際上已經(jīng)形成了日本、歐洲和北美三大市場。日本是定位導航產品概念的提出者和市場的推廣者，經(jīng)過數(shù)年的技術發(fā)展和市場推廣，產品的技術和工藝日趨成熟，并在產品技術的先進性方面處于市場領先地位。據(jù)資料顯示，1999 年日本汽車定位導航市場的銷售量是歐洲和北美市場總和的 3 倍。但從市場增長率來看，日本市場的增長率僅為 16%，而北美的市場增長率卻高達103，顯示了市場

6、成長期的強勁勢頭。ERTICO 公布的資料表明，2000 年到 2005年中，北美導航產品的市場占有量將從現(xiàn)有的 9 萬臺增加到 1000 萬臺，歐洲的市場占有量將從現(xiàn)有的 90 萬臺增加到 1100 萬臺。這預示著 GPS 定位導航孕育著巨大的產業(yè)潛力。在這種潛在市場的誘惑下，世界各國對定位與導航技術展開了大量的研究。從國際智能交通管理和汽車電子技術展覽會上可以看出，發(fā)達國家的主要汽車生產廠商均加快對汽車導航設備的研制，如奔馳、寶馬、雷諾、大眾、豐田等都陸續(xù)宣布將在高檔汽車上安裝導航設備。目前國外推出的車輛定位導航系統(tǒng)可以分為三種：駕駛信息系統(tǒng)，如德國汽車零件公司 Mannesmann 推出

7、的VD0系統(tǒng)、法國的 Carminat 車輛組合導航和信息系統(tǒng)、美國 General Motor 公司研究實驗室研制的 TravTek 車輛導航與信息系統(tǒng)以及日本 SUMITOMO 電子公司研制的CruiseMate SNV-AD20 汽車電子導航系統(tǒng)等；交通管理系統(tǒng)，如 Philips Core 的CARIN 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光盤來存儲數(shù)字地圖信息，包括路線搜索算法，并提供逐步路線導引；車隊管理系統(tǒng)，如美國的 Etak 系統(tǒng)和 VELOC 系統(tǒng)等。相對于歐美、日本等國家，我國對 GPS 導航系統(tǒng)的研究起步較晚，在 90 年代初國內若干高校、研究所和一些公司才進行了這方面的研究，但目前還沒有特

8、別成熟的產品。我國現(xiàn)在常用于 GPS 定位導航系統(tǒng)的通信手段有：常規(guī)無線電臺和集群通信系統(tǒng)。常規(guī)無線電臺通信系統(tǒng)和集群通信系統(tǒng)屬于專用移動通信網(wǎng)，由某一部門獨立建設和使用，一般都只能在某一特定地區(qū)、特定部門中使用，網(wǎng)絡覆蓋范圍較小，這些都嚴重限制了定位導航的應用范圍。并且在通信網(wǎng)絡的建設過程中會出現(xiàn)許多重復性建設，投資浪費較大。因此，它們不適合作為大范圍(如全國范圍)定位的信息傳輸手段。且我國的 GPS 車輛應用系統(tǒng)主要以 GPS 的指揮監(jiān)控、調度報警系統(tǒng)為主， GPS 自導航/導向產品卻一直沒有發(fā)展起來。據(jù)文獻估計，2006 年我國車輛自導航產品的總產值將達到 30 億元人民幣。中國在八十年

9、代中期提出了“北斗導航系統(tǒng)”的發(fā)展計劃。2000 年 12 月 21日凌晨 0 時 20 分，我國自行研制的第二顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”發(fā)射升空，并準確進入預定軌道。它與同 10 月 31 日發(fā)射的第顆“北斗導航試驗衛(wèi)星”起，構成了“北斗導航系統(tǒng)”，這標志著我國將擁有自主研制的第一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。 北斗導航定位系統(tǒng)又稱雙星快速定位通訊系統(tǒng)，基本功能有： a.快速導航和定位；b.雙向通訊；c.發(fā)播標準時間。它是星基區(qū)域雙向主動式無線電導航系統(tǒng)，具有全天候、高精度、連續(xù)、實時、快速的導航定位和多功能、多用途、高可靠性的特點。“北斗一號”地球同步導航衛(wèi)星的發(fā)射，組成了我國區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)，實現(xiàn)了我

10、國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自主化。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)解決了 GPS 使用權的問題，但目前，衛(wèi)星定位系統(tǒng)在國內的裝配率很低，究其原因不外乎三個：一是市場尚未形成，人們的認識不夠，沒有真正的接受這個產品，還沒有真正發(fā)現(xiàn)導航的優(yōu)點以及安裝后所帶來的便利；二是一些核心技術如導航軟件、地圖、標志點等存在發(fā)展瓶頸，阻礙導航的發(fā)展；三是產品價格太高，不值得花這么多錢；或是產品體積龐大、攜帶不便、功能單一、產品性能還達不到用戶要求等因素影響。以車載導航器為例，現(xiàn)在市面上的車載導航器 8000 元以下的都不多， 5000 塊以下的產品更是基本沒有。隨著汽車價格一路走低，汽車日益走進普通的百姓家庭，現(xiàn)在 10 萬元以下的

11、經(jīng)濟型轎車已經(jīng)成為當前車市的主流。在這種情況下，一部導航儀價格卻要上萬元，這顯然是消費者難以接受的?？梢?，現(xiàn)階段制約著它發(fā)展的許多因素中，而價格、技術是制約車輛導航發(fā)展主要因素之一。如何開發(fā)出高性價比的自導航定位產品是一個十分重要而且很有價值的問題。降低成本、應用新技術可為導航定位產品早日進入家庭和日常生活創(chuàng)造條件。導航定位產品的價格嚴重影響了它的推廣普及。那為何導航儀的身價一直這樣居高不下呢？其原因是多方面的，比如電子地圖的制作維護成本過高、硬件供應廠商產能嚴重不足、市場發(fā)展的時間尚短等等。 因此研究一款專門針對普通用戶的自主定位系統(tǒng)有其市場需求和研究的必要性。3、該系統(tǒng)與國外系統(tǒng)的比較（1

12、）北斗衛(wèi)星是我國自主開發(fā)的，具有自主產權和維護成本低的優(yōu)勢，而GPS 美國陸?？杖娐?lián)合研制的。（2）該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能進行實時定位和搜尋而GPS不具備該功能。（3）雖然GPS具有高動態(tài)性，高精度被定為，但是本項目所針對的目標是兒童、老人和智障人士，因此北斗定位系統(tǒng)能夠完全滿足實際需求。4、該系統(tǒng)與國內相關系統(tǒng)的比較首先專門針對兒童、老人及智障人士的跟蹤定位系統(tǒng)少之又少，其次該系統(tǒng)設置了活動范圍限制報警功能。5、本人聲明所呈交的項目是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。二、研究目標、研究內容和擬解決的關鍵問題1、研究目標為解決老人、兒童及智障人士走失后難尋的問題，欲設計一套

13、專門針對這些弱勢人群的搜尋跟蹤定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對目標進行實時定位，行走路徑查詢并且可以設定其活動范圍，當期活動超出該范圍時進行報警提示。2、研究內容該系統(tǒng)主要實現(xiàn)三方面的功能：實時定位，路徑查詢，范圍限制報警。該系統(tǒng)在各個模塊實現(xiàn)的功能如下：（1）北斗定位模塊：通過卡爾曼濾波算法準確定位老人、兒童及殘障人士的位置信息。（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：通過GSM將信息準確無誤的傳輸?shù)缴衔粰C接受模塊。（3）上位機模塊：將獲得的位置信息在谷歌地圖上進行坐標位置的顯示，并且計算監(jiān)護者到老人、兒童智障人士的最短距離，給出最優(yōu)搜尋路線。3、擬解決的關鍵問題本項目你解決的關鍵問題是基于 GoogleMaps API

14、 接口實現(xiàn)的監(jiān)控平臺的設計。三、詳細說明本項目的基本原理及關鍵技術內容（論述申請人對所申請的項目提出創(chuàng)新點，包括技術創(chuàng)新、產品結構創(chuàng)新、生產工藝創(chuàng)新、產品性能及使用效果的顯著變化等）1、創(chuàng)新點分析：（1）該項目經(jīng)北斗定位與GSM通信技術相結合，保證了實時定位的范圍和精度，解決了只能短距離定位的問題。（2）該項目不需要老人、兒童及智障人士自主發(fā)送信息，而是實時將定位信息傳輸給監(jiān)護人。（3）計算監(jiān)護人到被監(jiān)護者的最短距離。2、關鍵技術（1）通過GSM技術發(fā)送位置信息實現(xiàn)實時定位，沒有距離的限制。（2）采用GoogleMaps的API技術進行地圖位置確認并計算最短距離四、課題的研究方法、技術路線、實

15、驗方案（含創(chuàng)新性）及其可行性分析1、研究方法2014年6月21日，我校與兵器北方通用電子集團、北斗星興科技有限公司共同簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，并為在我校成立的位置應用技術聯(lián)合實驗室進行揭牌。通過到公司中學習，熟悉北斗定位系統(tǒng)的開發(fā)過程，將其應用到本項目中。整個系統(tǒng)分為三個模塊，在北斗接受信息模塊，通過研究北斗定位工作原理，得到目標的準確位置信息；在位置信息發(fā)送模塊，深入研究GSM通信原理，保證信息發(fā)送的準確無誤；上位機模塊主要結合谷歌地圖，因此要對谷歌地圖的API進行深入學習，再者如果能在谷歌地圖的基礎上實現(xiàn)手機APP應用程序的開發(fā)，就能更加方便用戶對被監(jiān)護人的實時監(jiān)控。2、技術路線主層亞層前期中

16、期后期需求要素衛(wèi)星定位熟悉北斗定位工作原理，確定定位算法。進行北斗接收機模塊的設計。對該接收機進行位置信息接收調試數(shù)據(jù)傳輸熟悉GSM工作原理，確立數(shù)據(jù)傳輸模塊設計方案著手設計數(shù)據(jù)傳輸模塊并進行相應調試。結合衛(wèi)星定位進行調試。上位機學習GoogleMaps的API技術，確定上位機模塊的方案的基本方案。著手上位機模塊的軟件編寫。對上位機模塊軟件進行優(yōu)化調試。3、實驗方案（1）系統(tǒng)整體設計，系統(tǒng)整體設計如圖1所示。圖 1 系統(tǒng)整體設計框圖（2）北斗定位模塊北斗一代系統(tǒng)采用3球交會的測量原理進行定位，即已知的2顆同步衛(wèi)星為2個球心，以2球心至用戶的距離為半徑可做2個球面；第3個球面是以地心為 球心，以

17、地球半徑加上用戶所在位置高程為半徑的球面，3個球面的交會點排除 鏡像點即為用戶的位置。定位原理示意圖如圖2所示。系統(tǒng)的工作過程是：首先由中心控制系統(tǒng)經(jīng)2顆衛(wèi)星轉發(fā)器同時向服務區(qū)內的用戶廣播詢問信號，戶響應其中 1 顆衛(wèi)星的詢問信號后發(fā)送響應信號，經(jīng)2顆衛(wèi)星轉發(fā)回中心控制 系統(tǒng)進行接收解調。對定位申請 ，中心控制系統(tǒng)測出2 個 時間延遲后算出用戶到 2 個衛(wèi)星的距離，同時從存儲在計算機內的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，從而最終計算出用戶所在點的三維坐標，經(jīng)加密后發(fā)送給用戶。圖 1 北斗定位原理圖（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊整體框圖如圖3所示，該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸，將接受的數(shù)據(jù)傳輸給微控

18、器，通過微控器傳輸?shù)紾SM通信模塊，進而以短信的方式將數(shù)據(jù)傳輸出去。圖 2 數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖（4）上位機模塊上位機軟件模塊設計如圖4所示，基于 GoogleMaps API 接口實現(xiàn)的監(jiān)控平臺， 軟件構架主要分為三大塊模塊，監(jiān)控平臺模塊、地圖模塊與數(shù)據(jù)模塊。監(jiān)控平臺系統(tǒng)采用 B/S 的構架方式，包含實時位置顯示、歷史路跡查詢、指令發(fā)送接收、短消息 查 詢與人員設備管理等功能。地圖模塊系統(tǒng)通過GoogleMap 地圖引擎以及 GoogleMap 基礎地理數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)監(jiān)控平臺的可視化管理方式。圖 3 上位機軟件設計框圖4、可行性分析首先兵器北方通用電子集團和北斗星興科技有限公司會給予相應的技術支持

19、，因此在北斗定位模塊的實現(xiàn)上可行；其次在數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過設置GSM 的工作頻段可以實現(xiàn)通信；再者，GoogleMapsAPI是Google為開發(fā)者提供的Maps編程API。它允許開發(fā)者在不必建立自己的地圖服務器的情況下，將GoogleMaps地圖數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)站之中，從而實現(xiàn)嵌入GoogleMaps的地圖服務應用，并借助GoogleMaps的地圖數(shù)據(jù)為用戶提供位置服務。綜上所述，該方案無論在定位模塊還是在數(shù)據(jù)傳輸模塊抑或上位機模塊均可以實現(xiàn)，因此該項目可行。 五、項目考核指標（技術指標、質量指標、其它指標）1、定位精度10米左右；2、能夠實現(xiàn)實時定位；3、能夠實現(xiàn)路徑查詢，路徑計算；4、能夠限定活動范圍，超出活動范圍報警。六、研究工作的總體安排及進度1、9月到11月確定整體方案及各個設計細節(jié)；2、11月中旬到2月北斗定位系統(tǒng)的設計和調試