中北大学研究生科技立项申请书

1、编号： 中北大学研究生科技立项申请书(自然科学项目)项目名称：基于北斗的救助搜寻定位系统 申 请 人： 杨艺东 联系方式：学 号： S13005027 学 院： 信息与通信工程学院 中北大学研究生院2014 年 9 月 10 日项目概况项目名称 基于北斗的救助搜寻定位系统申请经费9000元起止年限 2014年 9 月至 2014年 9 月 申请人姓 名杨艺东性 别男出生年月1990年6月学历硕士所在院系信息与通信工程学院联系电子信箱m916568265 研究生毕业论文题目基于北斗的定位系统设计 主要研究方向信号与信息处理 导 师姓 名姚金杰性

2、 别男 职 称副教授备注主要研究方向 信号与信息处理合作者情况姓 名性别学历专 业项目中分工为项目工作时间（%）本人签名郭晓光男硕士信号与信息处理数据传输模块20白如玉女硕士信号与信息处理北斗定位10于乐女硕士信号与信息处理北斗定位10杨梦玲女硕士信号与信息处理上位机软件10主要研究内容及技术指标（含研究内容的原创点或创新点，300字左右）1、系统整体设计针对老人、儿童以及智障人士走失难寻的问题设计了一套基于北斗的搜寻救助定位系统，该系统设计分为三个模块：北斗接受模块、数据传输模块、上位机处理模块。北斗接受模块主要实现从北斗卫星接受老人和儿童的位置信息并将位置信息传输给数据传输模块，数据传输模

3、块将位置信息发出，之后接受机接受来自数据传输模块的位置信息，并对位置信息进行相应处理，通过GoogleMaps进行位置信息定位。2、北斗接收模块：北斗卫星定位系统作为空间基础设施，可应用于低动态人员如老人和儿童定位跟踪。3、数据传输模块：通过GSM设备将北斗定位信息发送到监控终端。4、上位机模块：上位机模块主要实现信息的接受和处理，主要通过GoogleMaps的API接口在谷歌地图进行位置信息的确定，方便老人和儿童的救助和搜寻。5、技术指标：定位精度10m。6、功能指标：实时跟踪、路径查询、限制活动范围报警、最优距离计算。一、立项依据（包括项目来源，研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势，选

4、题的独创性、本项目与国内、外同类产品现行指标进行比较等）1、项目来源为了解决了老年人、儿童以及一些智障人士走失后找寻不便的问题，开发了一种基于北斗一代卫星导航系统的报警定位终端。2、研究意义现如今我们在不熟悉的场所唯一依赖的 GPS或卫星电话，但是这些工具对老人、儿童以及智障人士来说无疑是毫无用处的的，有些危险常常在瞬间发生， 如果无法及时掌握这些人的动态信息，可能会导致悲剧的发生。现如今我国自主研发的北斗卫星定位系统，具有自主产权和维护成本低的优势，目前已经向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，2020年左右将建成覆盖全球的导航系统，因此研究一套专门针对老人、儿童以及智障人士的基于北

5、斗的救助搜寻定位系统可行也很有必要。3、国内外发展现状，水平及发展趋势卫星导航定位系统的成功产生,促进了卫星导航定位市场这一新兴产业的发展。全球卫星导航业务一直被美国的 GPS 系统所垄断。目前， GPS 以其技术优势和廉价的使用成本，在国际上已经形成了日本、欧洲和北美三大市场。日本是定位导航产品概念的提出者和市场的推广者，经过数年的技术发展和市场推广，产品的技术和工艺日趋成熟，并在产品技术的先进性方面处于市场领先地位。据资料显示，1999 年日本汽车定位导航市场的销售量是欧洲和北美市场总和的 3 倍。但从市场增长率来看，日本市场的增长率仅为 16%，而北美的市场增长率却高达103，显示了市场

6、成长期的强劲势头。ERTICO 公布的资料表明，2000 年到 2005年中，北美导航产品的市场占有量将从现有的 9 万台增加到 1000 万台，欧洲的市场占有量将从现有的 90 万台增加到 1100 万台。这预示着 GPS 定位导航孕育着巨大的产业潜力。在这种潜在市场的诱惑下，世界各国对定位与导航技术展开了大量的研究。从国际智能交通管理和汽车电子技术展览会上可以看出，发达国家的主要汽车生产厂商均加快对汽车导航设备的研制，如奔驰、宝马、雷诺、大众、丰田等都陆续宣布将在高档汽车上安装导航设备。目前国外推出的车辆定位导航系统可以分为三种：驾驶信息系统，如德国汽车零件公司 Mannesmann 推出

7、的VD0系统、法国的 Carminat 车辆组合导航和信息系统、美国 General Motor 公司研究实验室研制的 TravTek 车辆导航与信息系统以及日本 SUMITOMO 电子公司研制的CruiseMate SNV-AD20 汽车电子导航系统等；交通管理系统，如 Philips Core 的CARIN 系统，该系统采用光盘来存储数字地图信息，包括路线搜索算法，并提供逐步路线导引；车队管理系统，如美国的 Etak 系统和 VELOC 系统等。相对于欧美、日本等国家，我国对 GPS 导航系统的研究起步较晚，在 90 年代初国内若干高校、研究所和一些公司才进行了这方面的研究，但目前还没有特

8、别成熟的产品。我国现在常用于 GPS 定位导航系统的通信手段有：常规无线电台和集群通信系统。常规无线电台通信系统和集群通信系统属于专用移动通信网，由某一部门独立建设和使用，一般都只能在某一特定地区、特定部门中使用，网络覆盖范围较小，这些都严重限制了定位导航的应用范围。并且在通信网络的建设过程中会出现许多重复性建设，投资浪费较大。因此，它们不适合作为大范围(如全国范围)定位的信息传输手段。且我国的 GPS 车辆应用系统主要以 GPS 的指挥监控、调度报警系统为主， GPS 自导航/导向产品却一直没有发展起来。据文献估计，2006 年我国车辆自导航产品的总产值将达到 30 亿元人民币。中国在八十年

9、代中期提出了“北斗导航系统”的发展计划。2000 年 12 月 21日凌晨 0 时 20 分，我国自行研制的第二颗“北斗导航试验卫星”发射升空，并准确进入预定轨道。它与同 10 月 31 日发射的第颗“北斗导航试验卫星”起，构成了“北斗导航系统”，这标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。 北斗导航定位系统又称双星快速定位通讯系统，基本功能有： a.快速导航和定位；b.双向通讯；c.发播标准时间。它是星基区域双向主动式无线电导航系统，具有全天候、高精度、连续、实时、快速的导航定位和多功能、多用途、高可靠性的特点。“北斗一号”地球同步导航卫星的发射，组成了我国区域卫星导航系统，实现了我

10、国卫星导航系统的自主化。北斗卫星导航定位系统解决了 GPS 使用权的问题，但目前，卫星定位系统在国内的装配率很低，究其原因不外乎三个：一是市场尚未形成，人们的认识不够，没有真正的接受这个产品，还没有真正发现导航的优点以及安装后所带来的便利；二是一些核心技术如导航软件、地图、标志点等存在发展瓶颈，阻碍导航的发展；三是产品价格太高，不值得花这么多钱；或是产品体积庞大、携带不便、功能单一、产品性能还达不到用户要求等因素影响。以车载导航器为例，现在市面上的车载导航器 8000 元以下的都不多， 5000 块以下的产品更是基本没有。随着汽车价格一路走低，汽车日益走进普通的百姓家庭，现在 10 万元以下的

11、经济型轿车已经成为当前车市的主流。在这种情况下，一部导航仪价格却要上万元，这显然是消费者难以接受的。可见，现阶段制约着它发展的许多因素中，而价格、技术是制约车辆导航发展主要因素之一。如何开发出高性价比的自导航定位产品是一个十分重要而且很有价值的问题。降低成本、应用新技术可为导航定位产品早日进入家庭和日常生活创造条件。导航定位产品的价格严重影响了它的推广普及。那为何导航仪的身价一直这样居高不下呢？其原因是多方面的，比如电子地图的制作维护成本过高、硬件供应厂商产能严重不足、市场发展的时间尚短等等。 因此研究一款专门针对普通用户的自主定位系统有其市场需求和研究的必要性。3、该系统与国外系统的比较（1

12、）北斗卫星是我国自主开发的，具有自主产权和维护成本低的优势，而GPS 美国陆海空三军联合研制的。（2）该系统可以实现数据传输功能进行实时定位和搜寻而GPS不具备该功能。（3）虽然GPS具有高动态性，高精度被定为，但是本项目所针对的目标是儿童、老人和智障人士，因此北斗定位系统能够完全满足实际需求。4、该系统与国内相关系统的比较首先专门针对儿童、老人及智障人士的跟踪定位系统少之又少，其次该系统设置了活动范围限制报警功能。5、本人声明所呈交的项目是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。二、研究目标、研究内容和拟解决的关键问题1、研究目标为解决老人、儿童及智障人士走失后难寻的问题，欲设计一套

13、专门针对这些弱势人群的搜寻跟踪定位系统，该系统可以对目标进行实时定位，行走路径查询并且可以设定其活动范围，当期活动超出该范围时进行报警提示。2、研究内容该系统主要实现三方面的功能：实时定位，路径查询，范围限制报警。该系统在各个模块实现的功能如下：（1）北斗定位模块：通过卡尔曼滤波算法准确定位老人、儿童及残障人士的位置信息。（2）数据传输模块：通过GSM将信息准确无误的传输到上位机接受模块。（3）上位机模块：将获得的位置信息在谷歌地图上进行坐标位置的显示，并且计算监护者到老人、儿童智障人士的最短距离，给出最优搜寻路线。3、拟解决的关键问题本项目你解决的关键问题是基于 GoogleMaps API

14、 接口实现的监控平台的设计。三、详细说明本项目的基本原理及关键技术内容（论述申请人对所申请的项目提出创新点，包括技术创新、产品结构创新、生产工艺创新、产品性能及使用效果的显著变化等）1、创新点分析：（1）该项目经北斗定位与GSM通信技术相结合，保证了实时定位的范围和精度，解决了只能短距离定位的问题。（2）该项目不需要老人、儿童及智障人士自主发送信息，而是实时将定位信息传输给监护人。（3）计算监护人到被监护者的最短距离。2、关键技术（1）通过GSM技术发送位置信息实现实时定位，没有距离的限制。（2）采用GoogleMaps的API技术进行地图位置确认并计算最短距离四、课题的研究方法、技术路线、实

15、验方案（含创新性）及其可行性分析1、研究方法2014年6月21日，我校与兵器北方通用电子集团、北斗星兴科技有限公司共同签署了战略合作协议，并为在我校成立的位置应用技术联合实验室进行揭牌。通过到公司中学习，熟悉北斗定位系统的开发过程，将其应用到本项目中。整个系统分为三个模块，在北斗接受信息模块，通过研究北斗定位工作原理，得到目标的准确位置信息；在位置信息发送模块，深入研究GSM通信原理，保证信息发送的准确无误；上位机模块主要结合谷歌地图，因此要对谷歌地图的API进行深入学习，再者如果能在谷歌地图的基础上实现手机APP应用程序的开发，就能更加方便用户对被监护人的实时监控。2、技术路线主层亚层前期中

16、期后期需求要素卫星定位熟悉北斗定位工作原理，确定定位算法。进行北斗接收机模块的设计。对该接收机进行位置信息接收调试数据传输熟悉GSM工作原理，确立数据传输模块设计方案着手设计数据传输模块并进行相应调试。结合卫星定位进行调试。上位机学习GoogleMaps的API技术，确定上位机模块的方案的基本方案。着手上位机模块的软件编写。对上位机模块软件进行优化调试。3、实验方案（1）系统整体设计，系统整体设计如图1所示。图 1 系统整体设计框图（2）北斗定位模块北斗一代系统采用3球交会的测量原理进行定位，即已知的2颗同步卫星为2个球心，以2球心至用户的距离为半径可做2个球面；第3个球面是以地心为 球心，以

17、地球半径加上用户所在位置高程为半径的球面，3个球面的交会点排除 镜像点即为用户的位置。定位原理示意图如图2所示。系统的工作过程是：首先由中心控制系统经2颗卫星转发器同时向服务区内的用户广播询问信号，户响应其中 1 颗卫星的询问信号后发送响应信号，经2颗卫星转发回中心控制 系统进行接收解调。对定位申请 ，中心控制系统测出2 个 时间延迟后算出用户到 2 个卫星的距离，同时从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，从而最终计算出用户所在点的三维坐标，经加密后发送给用户。图 1 北斗定位原理图（3）数据传输模块数据传输模块整体框图如图3所示，该模块主要实现数据的单向传输，将接受的数据传输给微控

18、器，通过微控器传输到GSM通信模块，进而以短信的方式将数据传输出去。图 2 数据传输模块框图（4）上位机模块上位机软件模块设计如图4所示，基于 GoogleMaps API 接口实现的监控平台， 软件构架主要分为三大块模块，监控平台模块、地图模块与数据模块。监控平台系统采用 B/S 的构架方式，包含实时位置显示、历史路迹查询、指令发送接收、短消息 查 询与人员设备管理等功能。地图模块系统通过GoogleMap 地图引擎以及 GoogleMap 基础地理数据，来实现监控平台的可视化管理方式。图 3 上位机软件设计框图4、可行性分析首先兵器北方通用电子集团和北斗星兴科技有限公司会给予相应的技术支持

19、，因此在北斗定位模块的实现上可行；其次在数据传输模块，通过设置GSM 的工作频段可以实现通信；再者，GoogleMapsAPI是Google为开发者提供的Maps编程API。它允许开发者在不必建立自己的地图服务器的情况下，将GoogleMaps地图数据嵌入到网站之中，从而实现嵌入GoogleMaps的地图服务应用，并借助GoogleMaps的地图数据为用户提供位置服务。综上所述，该方案无论在定位模块还是在数据传输模块抑或上位机模块均可以实现，因此该项目可行。 五、项目考核指标（技术指标、质量指标、其它指标）1、定位精度10米左右；2、能够实现实时定位；3、能够实现路径查询，路径计算；4、能够限定活动范围，超出活动范围报警。六、研究工作的总体安排及进度1、9月到11月确定整体方案及各个设计细节；2、11月中旬到2月北斗定位系统的设计和调试