中北大學(xué)研究生科技立項(xiàng)申請書

1、編號： 中北大學(xué)研究生科技立項(xiàng)申請書(自然科學(xué)項(xiàng)目)項(xiàng)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(xué) 號： S13005027 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 中北大學(xué)研究生院2014 年 9 月 10 日項(xiàng)目概況項(xiàng)目名稱 基于北斗的救助搜尋定位系統(tǒng)申請經(jīng)費(fèi)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(xué)歷碩士所在院系信息與通信工程學(xué)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(shè)計(jì) 主要研究方向信號與信息處理 導(dǎo) 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(xué)歷專 業(yè)項(xiàng)目中分工為項(xiàng)目工作時(shí)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(jī)軟件10主要研究內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)（含研究內(nèi)容的原創(chuàng)點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)，300字左右）1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)針對老人、兒童以及智障人士走失難尋的問題設(shè)計(jì)了一套基于北斗的搜尋救助定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：北斗接受模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)處理模塊。北斗接受模塊主要實(shí)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(jī)接受來自數(shù)據(jù)傳輸模塊的位置信息，并對位置信息進(jìn)行相應(yīng)處理，通過GoogleMaps進(jìn)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(chǔ)設(shè)施，可應(yīng)用于低動(dòng)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(shè)備將北斗定位信息發(fā)送到監(jiān)控終端。4、上位機(jī)模塊：上位機(jī)模塊主要實(shí)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(jìn)行位置信息的確定，方便老人和兒童的救助和搜尋。5、技術(shù)指標(biāo)：定位精度10m。6、功能指標(biāo)：實(shí)時(shí)跟蹤、路徑查詢、限制活動(dòng)范圍報(bào)警、最優(yōu)距離計(jì)算。一、立項(xiàng)依據(jù)（包括項(xiàng)目來源，研究意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢，選

4、題的獨(dú)創(chuàng)性、本項(xiàng)目與國內(nèi)、外同類產(chǎn)品現(xiàn)行指標(biāo)進(jìn)行比較等）1、項(xiàng)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(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)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(xiǎn)常常在瞬間發(fā)生， 如果無法及時(shí)掌握這些人的動(dòng)態(tài)信息，可能會(huì)導(dǎo)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(chǎn)權(quán)和維護(hù)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(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)，2020年左右將建成覆蓋全球的導(dǎo)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，水平及發(fā)展趨勢衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的成功產(chǎn)生,促進(jìn)了衛(wèi)星導(dǎo)航定位市場這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。全球衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)一直被美國的 GPS 系統(tǒng)所壟斷。目前， GPS 以其技術(shù)優(yōu)勢和廉價(jià)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(dǎo)航產(chǎn)品概念的提出者和市場的推廣者，經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)發(fā)展和市場推廣，產(chǎn)品的技術(shù)和工藝日趨成熟，并在產(chǎn)品技術(shù)的先進(jìn)性方面處于市場領(lǐng)先地位。據(jù)資料顯示，1999 年日本汽車定位導(dǎo)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(dá)103，顯示了市場

6、成長期的強(qiáng)勁勢頭。ERTICO 公布的資料表明，2000 年到 2005年中，北美導(dǎo)航產(chǎn)品的市場占有量將從現(xiàn)有的 9 萬臺(tái)增加到 1000 萬臺(tái)，歐洲的市場占有量將從現(xiàn)有的 90 萬臺(tái)增加到 1100 萬臺(tái)。這預(yù)示著 GPS 定位導(dǎo)航孕育著巨大的產(chǎn)業(yè)潛力。在這種潛在市場的誘惑下，世界各國對定位與導(dǎo)航技術(shù)展開了大量的研究。從國際智能交通管理和汽車電子技術(shù)展覽會(huì)上可以看出，發(fā)達(dá)國家的主要汽車生產(chǎn)廠商均加快對汽車導(dǎo)航設(shè)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(dǎo)航設(shè)備。目前國外推出的車輛定位導(dǎo)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(dǎo)航和信息系統(tǒng)、美國 General Motor 公司研究實(shí)驗(yàn)室研制的 TravTek 車輛導(dǎo)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(dǎo)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(chǔ)數(shù)字地圖信息，包括路線搜索算法，并提供逐步路線導(dǎo)引；車隊(duì)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(dǎo)航系統(tǒng)的研究起步較晚，在 90 年代初國內(nèi)若干高校、研究所和一些公司才進(jìn)行了這方面的研究，但目前還沒有特

8、別成熟的產(chǎn)品。我國現(xiàn)在常用于 GPS 定位導(dǎo)航系統(tǒng)的通信手段有：常規(guī)無線電臺(tái)和集群通信系統(tǒng)。常規(guī)無線電臺(tái)通信系統(tǒng)和集群通信系統(tǒng)屬于專用移動(dòng)通信網(wǎng)，由某一部門獨(dú)立建設(shè)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(luò)覆蓋范圍較小，這些都嚴(yán)重限制了定位導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。并且在通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中會(huì)出現(xiàn)許多重復(fù)性建設(shè)，投資浪費(fèi)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(yīng)用系統(tǒng)主要以 GPS 的指揮監(jiān)控、調(diào)度報(bào)警系統(tǒng)為主， GPS 自導(dǎo)航/導(dǎo)向產(chǎn)品卻一直沒有發(fā)展起來。據(jù)文獻(xiàn)估計(jì)，2006 年我國車輛自導(dǎo)航產(chǎn)品的總產(chǎn)值將達(dá)到 30 億元人民幣。中國在八十年

9、代中期提出了“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”的發(fā)展計(jì)劃。2000 年 12 月 21日凌晨 0 時(shí) 20 分，我國自行研制的第二顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”發(fā)射升空，并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。它與同 10 月 31 日發(fā)射的第顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”起，構(gòu)成了“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”，這標(biāo)志著我國將擁有自主研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 北斗導(dǎo)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(dǎo)航和定位；b.雙向通訊；c.發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。它是星基區(qū)域雙向主動(dòng)式無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全天候、高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)、快速的導(dǎo)航定位和多功能、多用途、高可靠性的特點(diǎn)。“北斗一號”地球同步導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射，組成了我國區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我

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

11、經(jīng)濟(jì)型轎車已經(jīng)成為當(dāng)前車市的主流。在這種情況下，一部導(dǎo)航儀價(jià)格卻要上萬元，這顯然是消費(fèi)者難以接受的?？梢姡F(xiàn)階段制約著它發(fā)展的許多因素中，而價(jià)格、技術(shù)是制約車輛導(dǎo)航發(fā)展主要因素之一。如何開發(fā)出高性價(jià)比的自導(dǎo)航定位產(chǎn)品是一個(gè)十分重要而且很有價(jià)值的問題。降低成本、應(yīng)用新技術(shù)可為導(dǎo)航定位產(chǎn)品早日進(jìn)入家庭和日常生活創(chuàng)造條件。導(dǎo)航定位產(chǎn)品的價(jià)格嚴(yán)重影響了它的推廣普及。那為何導(dǎo)航儀的身價(jià)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(hù)成本過高、硬件供應(yīng)廠商產(chǎn)能嚴(yán)重不足、市場發(fā)展的時(shí)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(chǎn)權(quán)和維護(hù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和搜尋而GPS不具備該功能。（3）雖然GPS具有高動(dòng)態(tài)性，高精度被定為，但是本項(xiàng)目所針對的目標(biāo)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(shí)際需求。4、該系統(tǒng)與國內(nèi)相關(guān)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(shè)置了活動(dòng)范圍限制報(bào)警功能。5、本人聲明所呈交的項(xiàng)目是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。二、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題1、研究目標(biāo)為解決老人、兒童及智障人士走失后難尋的問題，欲設(shè)計(jì)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(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，行走路徑查詢并且可以設(shè)定其活動(dòng)范圍，當(dāng)期活動(dòng)超出該范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。2、研究內(nèi)容該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三方面的功能：實(shí)時(shí)定位，路徑查詢，范圍限制報(bào)警。該系統(tǒng)在各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）北斗定位模塊：通過卡爾曼濾波算法準(zhǔn)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(zhǔn)確無誤的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)接受模塊。（3）上位機(jī)模塊：將獲得的位置信息在谷歌地圖上進(jìn)行坐標(biāo)位置的顯示，并且計(jì)算監(jiān)護(hù)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(guān)鍵問題本項(xiàng)目你解決的關(guān)鍵問題是基于 GoogleMaps API

14、 接口實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)。三、詳細(xì)說明本項(xiàng)目的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容（論述申請人對所申請的項(xiàng)目提出創(chuàng)新點(diǎn)，包括技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新、產(chǎn)品性能及使用效果的顯著變化等）1、創(chuàng)新點(diǎn)分析：（1）該項(xiàng)目經(jīng)北斗定位與GSM通信技術(shù)相結(jié)合，保證了實(shí)時(shí)定位的范圍和精度，解決了只能短距離定位的問題。（2）該項(xiàng)目不需要老人、兒童及智障人士自主發(fā)送信息，而是實(shí)時(shí)將定位信息傳輸給監(jiān)護(hù)人。（3）計(jì)算監(jiān)護(hù)人到被監(jiān)護(hù)者的最短距離。2、關(guān)鍵技術(shù)（1）通過GSM技術(shù)發(fā)送位置信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，沒有距離的限制。（2）采用GoogleMaps的API技術(shù)進(jìn)行地圖位置確認(rèn)并計(jì)算最短距離四、課題的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)

15、驗(yàn)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(tuán)、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(yīng)用技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行揭牌。通過到公司中學(xué)習(xí)，熟悉北斗定位系統(tǒng)的開發(fā)過程，將其應(yīng)用到本項(xiàng)目中。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)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(biāo)的準(zhǔn)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(zhǔn)確無誤；上位機(jī)模塊主要結(jié)合谷歌地圖，因此要對谷歌地圖的API進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，再者如果能在谷歌地圖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP應(yīng)用程序的開發(fā)，就能更加方便用戶對被監(jiān)護(hù)人的實(shí)時(shí)監(jiān)控。2、技術(shù)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(jìn)行北斗接收機(jī)模塊的設(shè)計(jì)。對該接收機(jī)進(jìn)行位置信息接收調(diào)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(shè)計(jì)方案著手設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸模塊并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試。結(jié)合衛(wèi)星定位進(jìn)行調(diào)試。上位機(jī)學(xué)習(xí)GoogleMaps的API技術(shù)，確定上位機(jī)模塊的方案的基本方案。著手上位機(jī)模塊的軟件編寫。對上位機(jī)模塊軟件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試。3、實(shí)驗(yàn)方案（1）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。圖 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖（2）北斗定位模塊北斗一代系統(tǒng)采用3球交會(huì)的測量原理進(jìn)行定位，即已知的2顆同步衛(wèi)星為2個(gè)球心，以2球心至用戶的距離為半徑可做2個(gè)球面；第3個(gè)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(gè)球面的交會(huì)點(diǎn)排除 鏡像點(diǎn)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(zhuǎn)發(fā)器同時(shí)向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶廣播詢問信號，戶響應(yīng)其中 1 顆衛(wèi)星的詢問信號后發(fā)送響應(yīng)信號，經(jīng)2顆衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制 系統(tǒng)進(jìn)行接收解調(diào)。對定位申請 ，中心控制系統(tǒng)測出2 個(gè) 時(shí)間延遲后算出用戶到 2 個(gè)衛(wèi)星的距離，同時(shí)從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值，從而最終計(jì)算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，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(shí)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(jìn)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(jī)模塊上位機(jī)軟件模塊設(shè)計(jì)如圖4所示，基于 GoogleMaps API 接口實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控平臺(tái)， 軟件構(gòu)架主要分為三大塊模塊，監(jiān)控平臺(tái)模塊、地圖模塊與數(shù)據(jù)模塊。監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)采用 B/S 的構(gòu)架方式，包含實(shí)時(shí)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(shè)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(chǔ)地理數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)的可視化管理方式。圖 3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖4、可行性分析首先兵器北方通用電子集團(tuán)和北斗星興科技有限公司會(huì)給予相應(yīng)的技術(shù)支持

19、，因此在北斗定位模塊的實(shí)現(xiàn)上可行；其次在數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過設(shè)置GSM 的工作頻段可以實(shí)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(wù)器的情況下，將GoogleMaps地圖數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)站之中，從而實(shí)現(xiàn)嵌入GoogleMaps的地圖服務(wù)應(yīng)用，并借助GoogleMaps的地圖數(shù)據(jù)為用戶提供位置服務(wù)。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(jī)模塊均可以實(shí)現(xiàn)，因此該項(xiàng)目可行。 五、項(xiàng)目考核指標(biāo)（技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量指標(biāo)、其它指標(biāo)）1、定位精度10米左右；2、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)定位；3、能夠?qū)崿F(xiàn)路徑查詢，路徑計(jì)算；4、能夠限定活動(dòng)范圍，超出活動(dòng)范圍報(bào)警。六、研究工作的總體安排及進(jìn)度1、9月到11月確定整體方案及各個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)；2、11月中旬到2月北斗定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試