1、大学组二等奖优秀作品基于 CNSS 同步的 MOA 阻性电流带电检测系统 .2基于北斗导航系统的运钞车监控管理系统设计 .10基于北斗二代定位技术的移动导航客户端设计 .16基于 GNSS 山体滑坡地质灾害实时监测与预警系统 25北斗问鼎 .34星际征途 .38多功能自航遥测系统 .43DIY 嵌入式导航系统 .482第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）科技小论文基于 CNSS 同步的 MOA 阻性电流带电检测系统作者：陈妍君，杨德祥，杜文曾指导教师：曾奕（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 闵行区 200240）【摘要】 定期测量运行中氧化锌避雷器（MOA）阻性泄漏
2、电流的变化，利于正确诊断MOA的运行状况，及时发现和消除隐患，防止事故发生。 本文主要提出了基于北斗卫星导航系统（COMPASS Navigation Satellite System：CNSS）和无线通信的 MOA 阻性电流带电检测的方法。该方法利用CNSS 秒脉冲和无线通信实现 MOA 电压和泄漏电流的同步测量，无需电压互感器（Potential transformer：PT）二次侧频繁接线，减小安全隐患。文中对传统测量方法的接线进行了说明，并阐述了传统方法的缺陷，并在此基础上提出了基于 CNSS 的阻性电流检测系统。MOA 阻性电流检测系统由 CVT 监测装置和MOA 便携式检测装置组成
3、，当测量阻性电流时，需要两侧同时对电网电压和流过 MOA 的全电流进行采样，该系统利用了 CNSS 的全方位、全天候、高精度、快速实时的导航、定位、授时功能，对 CVT 监测装置和 MOA 便携式检测装置进行同步测量，进而得到一个精确地 MOA 阻性电流基波分量值。【关键词】 MOA、阻性电流、 CNSS 授时、同步测量1 背景及意义电力系统的安全关系国民生活的各个方面，所以保证电力系统的安全就显得尤为重要。在电力系统中，为了保证电力系统的免受过电压的影响，电力设备上经常要挂接避雷器，避雷器的存在能够有效的抑制过电压对电力系统的影响。氧化锌避雷器（MOA） 1以其优良性能已经取代传统的碳化硅避
4、雷器广泛应用于我国电力系统。当MOA出现阀片老化、内部进水受潮、内部绝缘部件受损、表面严重污秽等状况时，其绝缘特性遭到破坏，表现为阻性泄露电流增加，总泄漏电流、损耗也随之增加，最终引起热击穿甚至爆炸事故的发生，严重影响电网的安全运行。为保证MOA的安全可靠运行，应采取有效方法对MOA 的运行状况进行检测与分析，及时发现和消除隐患，防止事故发生 2。3同时，电力系统是一个地理分布十分广泛的复杂系统，在对电网中的高压电力设备进行监测时，需要在多个不同的地理位置同时采集多个物理量。有时由于地理条件的限制，实地测量存在一定难度。特别是对高压电力设备的运行参数进行测量时，必须考虑到测量人员的安全以及由于
5、测量时的误操作对电力系统的影响。而基于CNSS 的MOA阻性电流检测系统在 MOA阻性电流基波分量检测时通过CNSS的授时功能同步测量计算电压基波瞬时相角，将测得的初始相位通过无线通讯传输的方式传递给MOA便携式检测装置进行进一步的运算。利用CNSS 模块的秒脉冲（PPS）信号作为同步触发信号可以提高测量精度，同时通过无线通讯传输的方式在保证测量人员的人身安全和系统的安全运行，还可以在同一时间对不同地点的设备进行在线检测，所以研究应用基于CNSS时钟的同步技术与无线通讯技术具有重要的现实意义。2 工作（实验）原理及性能分析基于传统的MOA阻性电流测量方式在安全性以及测量简便性上的缺陷，本文使用
6、了CNSS对阻性电流测量系统进行了改进。在设计新系统的过程中考虑省去测量过程中的CVT二次侧接线，将原有的单一设备分为两个，一个固定安装于CVT侧，另外一个做成便携式装置，两者通过CNSS同步实现MOA 电压和泄漏电流相角的测量，从而计算获得阻性电流。将二次侧的接线固定安装于CVT监测装置内，省去了测量过程中的接线，并可监测CVT的工作状态。基于CNSS 的阻性电流测量系统由三部分组成：CVT监测装置、MOA 便携式检测装置与上位机。系统的测试示意图如图1所示。 CVT监测装置安装在运行现场的CVT处，将CVT的二次侧直接接入并固定安装于设备。CVT监测装置负责采集和监测三相电压，并在MOA阻
7、性电流基波分量检测时通过CNSS 的授时功能同步测量计算电压基波瞬时相角，将测得的初始相位通过无线通讯传输的方式传递给MOA便携式检测装置进行进一步的运算。平时监测的三项电压数据将存储于Flash内，当MOA发出下载命令时，将数据传输给 MOA。图1 改进后系统的测量示意图MOA便携式检测装置做成一个便于携带的手持端，携带一个MOA 便携式检测装置便可以对多个安装了CVT监测装置的变电站进行测试MOA阻性电流测试。测量的过程中通过无线数据通讯告知CVT监测装置进行同步测量。MOA便携式检测装置还可以通过无线传输的方式将CVT监测装置上所记录的CVT二次侧电压历史数据下载到MOA检测设备内存储，
8、并可以通过数据连接口将CVT历4史电压数据和MOA阻性电流测量数据上传至上位机中。 上位机可将MOA中上传的数据进行收集储存，并可以将CVT二次侧电压历史数据和MOA电压与全电流的相位差、全电流值、阻性电流值、容性电流值图形化，便于后续的分析和研究。 新系统实现的难点在于相位差的测量。相位差测量需要对CVT二次侧的电压以及流过MOA的全电流进行同步测量，传统方法中，由于使用的是将CVT二次侧的电压信号与MOA的全电流信号引入同一个测量设备，测量设备在开始测量时，对两套采样设备同时发出指令即可实现两路信号的同步测量 3。而在新设备中，由于CVT监测装置与MOA便携式检测装置是通过无线方式通讯，无
9、线通讯的方式的通讯传输延时较大，对于相位差测量来说并不可忽略，且传输延时并不稳定，无法通过修正消除；并且MOA便携式检测装置和CVT监测装置使用各自的控制器进行控制，更增加了在同步测量的问题上的难度。本系统使用CNSS来解决同步测量的问题，CNSS 可以输出一个1Hz的方波，称为PPS波。这个方波通过卫星信号进行同步，不同设备间PPS波上升沿之间的时间误差极小，在1s 以下，对应于一个工频周期中的0.018，足够用来作为同步测量的信号 4。 实现的方法为在MOA便携式检测装置和CVT监测装置上分别安装CNSS 模块，用来获取同步的时钟信号。需要进行MOA阻性电流测量时，先由MOA 便携式检测装
10、置发出测量信号然后进入等待状态，CVT监测装置接收到侧两信号后也开始等待，两侧的设备等待同样的秒数之后开始测量。CVT监测装置将测量到的电压相位信息传回MOA便携式检测装置处，由MOA 便携式检测装置对两个数据进行处理，得到相位差信号，这样就既保证了测量过程的简便性，又保证了测量结果的精确性。3 设计方案或实验过程本文基于CNSS同步技术设计了MOA阻性电流带电测量系统。在设计新系统的过程中省去测量过程中的CVT二次侧接线，将原有的单一设备分为两个，一个固定安装于CVT侧，另外一个做成便携式装置，两者通过CNSS同步实现MOA电压和泄漏电流相角的测量，从而计算获得阻性电流。将二次侧的接线固定安
11、装于CVT监测装置内，省去了测量过程中的接线，并可监测CVT的工作状态。基于CNSS的阻性电流测量系统由三部分组成：CVT监测装置、MOA 便携式检测装置与上位机。系统结构如图2所示5图2 检测系统构成框图MOA便携式检测装置为一个便携手持端，手持设备可以作为多个变电站的阻性电流测量系统的主机，即携带一个MOA便携式检测设备便可以对多个安装了CVT监测装置的变电站进行测试MOA阻性电流基波分量测试。MOA便携式检测装置的系统结构图如图3所示。 MOA便携式检测装置由微控制单元（Micro Control Unit：MCU），保护部分、放大倍数自调整无相差放大模块、CNSS授时模块、无线通讯模块
12、、键盘、掉电存储器、液晶屏幕和上位机接口构成。MCU选用C8051F040，其内部有12位的A/D 转换器，可以满足采样的精度；计算频率为24MHz，能满足系统对于计算能力的要求。无线通讯使用RFC-30A模块，在无障碍的情况下，通讯距离能达到3000m ，满足通讯距离的要求。图3 MOA便携式检测装置系统结构图CVT监测装置的系统结构图如图4所示，由MCU，保护部分、无相差放大部分、CNSS授时模块、无线通讯模块和掉电存储器构成。6图4 CVT监测装置设备系统结构图4 理论设计计算对于MOA阻性电流基波分量检测系统，能否精确测量流过MOA 的阻性电流基波分量的关键在于能否精确测量MOA上电压
13、与流过MOA 的全电流之间的相位差，而相位差测量的关键就在于是否能使CVT监测装置和MOA便携式检测装置对电压和电流信号进行同步采样，即是否能有一个精确的同步采样触发信号，本系统考虑使用CNSS 模块的秒脉冲（PPS）信号作为同步触发信号。 本文所描述的系统分为两个部分：MOA便携式检测装置和CVT监测装置。电流和电压信号分别接到两个设备上，设备间无有线连接，数据传送通过无线完成。由于无线传输的延迟还与接收的模块有关，具有一定的不确定性，不能用其作为同步采样起始信号，增加了在同步测量的问题上的难度。 由于无线通讯无法使MOA便携式检测装置和CVT监测装置对电流和电压信号进行同步测量，考虑使用其
14、它时间标志。CNSS模块的PPS管脚可以输出周期方波 5，方波频率有两种：1PPS，每秒输出一个脉冲；100PPS，每秒输出100个脉冲，此脉冲在CNSS通信正常的情况下是卫星去同步的，同一型号的不同接收器的PPS脉冲之间有一定的同步精度，可以用做同步时标。本系统选用了1PPS的CNSS模块，这是为了降低由于系统处理不及导致不同步的可能性。7同步测量的示意图如图5所示：图5 测量时序示意图需要进行MOA阻性电流测量时，先由MOA便携式检测装置等待下一个PPS脉冲，当PSS 脉冲来临，用其上升沿触发控制器，对CVT监测装置发出测量命令，并从下一个PPS 脉冲开始对PPS 脉冲计数。CVT 监测装
15、置收到测量命令后，也从下一个PPS 脉冲开始对 PPS脉冲计数，当计数到一个预定数值时，两侧装置就开始采集电压电流信号并计算。计算完成后，CVT监测装置将计算得到的相位数值通过无线传输的方式传回MOA，由MOA便携式检测装置负责算出相位差并将数据存储。 MOA便携式检测装置之所以要等待PPS信号来触发测量命令，是为了避免如图6所示的情况。MOA便携式检测装置在count所示的第2个PPS 来临之前发送了测量命令，然后开始对PPS脉冲计数，图6中count的第2个PPS被MOA便携式检测装置认为是第1个PPS脉冲，如MOA count所示；而CVT监测装置在count 所示的第2个PPS 脉冲之
16、后才收到开始测量的命令，然后开始对PPS计数，所以将count中的第3 个PPS认为是第一个脉冲。两侧都对PPS脉冲计数到一定数值后开始测量，从图中可见，两侧的测量不是同时开始，而是相差1秒开始。如果系统的频率是精确的50Hz ，那么以上所述的情况从理论上说并不会造成测量上的误差，这是因为1秒相对50Hz的工频周期是二十个整周期。但电气系统的频率并不一定维持在50Hz ，而是会在49.5-50.5之间浮动，会造成一定的误差。8图6 测量出现问题的示意时序图本系统对于相位差的测量误差的容许量在0.1以下，而普通的定位用CNSS模块的PPS上升沿时间误差在10s左右，相对于一个工频周期内的1.8，
17、故不能作为本系统的同步时钟源。需要相对于系统要求选择一个PPS上升沿误差在5s以下的模块，才能使得两侧的相位差测量误差低于0.1。由于系统需要精确测量电压和电流的相角值，滤波电路会对不同频率的信号产生不同的相移。在本系统中，采集放大电路中没有加入滤波结构，将含有谐波干扰和白噪声的工频电压电流信号直接输入MCU的A/D 模块。全电流的测量范围较大，在10A到10mA之间。为了使测量在全量程内保持较高的精确度，在放大电路中加入了可自动调节放大倍数的结构。信号经过保护结构和自调整无相差放大电路输入到MCU内部的12位A/D 模块进行下一步的计算。输入AD的信号最大峰峰值不大于3V，12位AD具有的1
18、/4096的分辨率，最小可分辨电压为3V/4096=0.732mV，能满足精确测量的需要。5 创新点及应用本文在说明和分析了传统MOA阻性电流基波分量测量方法与设备在测量接线和测量安全性方面缺陷的基础上，提出了基于CNSS的阻性电流基波分量测量系统。新系统将原有的单个测量设备改为MOA便携式检测装置和CVT监测装置两个独立的设备，使用CNSS 作为设备间的同步时钟。新系统具有以下特点： 采用CVT监测装置测量电压信号，由于设备接线固定，测量时无需对CVT二次侧进行接线，消除了传统MOA阻性电流基波分量测量过程中的一些安全隐患，使得测量安全化； 使用CNSS作为MOA 便携式检测装置和CVT监测
19、装置同步采样的开始信号，使用无线通讯方式在两个设备之间传输数据，测量时只需接取MOA阻性电流信号，简化了接线； CNSS作为时标信号具有极高的时间精度， PPS脉冲上升沿误差在100ns9以下，使得系统有很高的同步测量精度。参考文献1 Yunge Li, Wei Shi, Xiaomin Xiu. A composite exponential and linear MOA model for switching transient simulationJ. IEEE transactions on power delivery. 2002.17(3)：730-7352 严璋.电气绝缘在线检测
20、技术M. 水利电力出版社, 1995 3 肖登明，电力设备在线监测与故障诊断M，上海交通大学出版社，20054 熊志昂, GPS 技术与工程应用M, 北京：国防工业出版社5 刘基余,GPS 卫星导航定位原理与方法M, 北京：科学出版社,200310第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）科技小论文基于北斗导航系统的运钞车监控管理系统设计作者：杨凯淇，陈卓立指导教师：李桓（电子科技大学通信与信息工程学院，四川 成都 611731）【摘要】 针对目前车辆监控系统所采用的GPS/GSM和GPS/GPRS 系统存在通信盲区，GPS由他国控制等问题，提出了基于北斗导航系统的车辆监控系统的
21、设计，可实现对金融业运钞车的定位与跟踪，路线导航，电子地图显示，偏离路线报警及异常停留报警等功能。【关键词】 北斗导航系统、车辆监控、路线偏离算法、异常停留算法1 背景及意义在社会现代化、信息化和数字化发展的进程中，交通运输、公安消防、特种车辆以及军事等方面对车辆跟踪与调度的需求日益增长。特别地，随着我国金融行业的快速发展，现金流通量与日俱增，流通速度也越来越快，运钞车的安全问题也因此显得格外重要。为了保护国家与人民的财产安全，亟需一种可靠高效的监控系统对运钞车进行定位与监控。目前这类系统大多采用的是GPS/GSM 或是 GPS/GPRS 组合方式来实现对车辆的定位通信功能，GPS 本身并不具
22、备通信的功能，而作为通信手段的 GSM 以及 GPRS 都存在通信盲区，当运钞车驶于信号盲区时，通信的实时性就得不到满足。此外，GPS 是他国掌控的全球定位系统，在特殊时期我们可能无法正常使用 GPS 信号，也就不能正常地对车辆进行定位。为了提高运钞车监控管理系统的综合性能，我们设计了基于北斗导航系统的运钞车监管平台。2 设计方案2.1 总体设计方案本监管系统由北斗卫星，地面控制中心，北斗系统的指挥型用户机（监控中心）以及北斗系统的普通型用户机（车载单元）构成，可实现全天候，无通信盲区的车辆监控与调度。11其总体结构示意图如图 1。图 1 总体结构示意图由图，北斗卫星导航定位系统采用双星定位体
23、制,其基本定位原理为三球交会测量原理：地面控制中心通过两颗卫星向用户广播询问信号（出站信号） ，并根据用户响应的应答信号（入站信号）测量并计算出用户到两颗卫星的距离；然后根据中心存储的数字地图或用户自带的测高仪测出的高程算出用户到地心的距离，根据这三个距离就可以通过三球交会测量原理确定用户的位置，并通过出站信号将定位结果告知用户 1。北斗系统将所有的用户信息都汇集到地面控制中心，且系统中的各用户可以通过地面中心间接地实现双向通信功能。所以，该系统并不存在无线通信的困难，监控中心发向车载单元的控制信息，以及地面中心发向车载单元和监控中心的定位信息都通过北斗卫星转发，由于北斗卫星的信号覆盖了整个中
24、国大陆，所以这种通信是真正的无盲区通信。2.2 车载单元设计方案图 2 是基于北斗导航系统运钞车监管系统的车载设备组成方框图。当该设备工作时，普通型用户机通过自带的天线接收来自地面中心的定位信息，并将其经过一系列的处理后送入微处理器，在微处理器中对数据按信号格式进行拆包，提取出定位、通信或定时信息，并将信息内容送 GIS 地图显示。当需要进行定位或是通信时，由微处理器按信号格式组成数据包输入缓存并发出发送指令，发射执行模块按规定的时序开始发送。12图 2 车载单元组成框图其中，车载单元里内嵌的北斗普通用户机是实现运钞车定位的关键单元，它的组成可分为天线、高频模块、中频数字信号处理模块、数据处理
25、终端软硬件模块以及电源模块，其主要组成及信号流程如图 3。图 3 基本型用户机主要组成及其信号流程由图，天线接收到的信号经低噪声放大、滤波、变频以后，由 A/D 变换器采样，送入中频信号处理器完成对信号的一系列处理。在完成接收信号的处理后，将接收数据送入 CPU，由 CPU 提取出定位、通信或是定时信息 2。2.3 监控中心设计方案图 4 是监控中心的构成。由图可见，监控中心以北斗系统的指挥型用户机为基础。指挥型用户机除了具有普通型用户机所拥有的定位，位置报告以及双向授时功能外，还能够与所属用户一起接收地面中心发送给所属用户的定位信息，并完成播发指挥控制信息的功能，指挥、调度所属用户。此外，监
26、控中心还包括 GIS 地图模块，数据存储服务器，通信服务器，网络设备以及大型显示13屏等。监控中心完成的主要功能是：1、在押运任务开始前制定押运路线并发送给运钞车上的车载单元；2、在押运过程中接收来自地面中心的其所属的普通型用户机的定位信息，将该信息通过 GIS 电子地图在显示屏上显示，实现对车辆的跟踪；3、通过相关算法判断运钞车的位置是否偏离指定路线以及是否在某位置停留过久。如果监控中心判断运钞车偏离了指定路线或者在非规定的位置停留过久，则通过北斗卫星通信系统向运钞车发出警告信息，同时通过内部专用网络向相关安全部门报警；4、通过相关的技术遥控控制运钞车，使车辆断油，断电。图 4 监控中心的构
27、成3 理论设计计算3.1 偏离路线算法由于现钞押运的特殊性，为保证安全，在每次押运之前监控中心都会为这次押运制定唯一的一条押运路线。若在押运过程中运钞车偏离了指定的押运路线，并且偏离距离超过了一定的阈值（阈值由所在的道路路况决定） ，监控中心会向运钞车报警，并采取相应的限制车辆行驶的措施。这就要求监控中心通过一个算法得出运行的车辆偏离指定路线的距离，而GIS 地图中，路线一般是由若干直线段近似的表示，所以押运前监控中心需要将组成指定路线若干线段在内部保存，这里为一系列的点列表。具体思路是：监控中心在取得运钞车的现行位置后，将其转换到 GIS 地图中，然后分别计算转换后的那一个点到组成指定路线的
28、一系列的线段的距离，取其中的最小值，便可以得出偏离路线的距离。点到直线的计算方法如下 3：/定义平面上点的坐标struct POINTdouble x; /横坐标double y; /纵坐标double GetPointToLineDistance(POINT pt1, POINT ptLineStart, POINT ptLineEnd,) 14/先计算以 pt1，ptLineStart，ptLineEnd 为顶点的三角形的各边长/pow 为 math.h 中计算浮点数平方的库函数double lenA = sqrt(pow(pt1.x - ptLineStart.x) + pow(pt1.
29、y - ptLineStart.y);double lenB = sqrt(pow(pt1.x - ptLineEnd.x) + pow(pt1.y - ptLineEnd.y);double lenC = sqrt(pow(ptLineEnd.x - ptLineStart.x) + pow(ptLineEnd.y - ptLineStart.y);/根据余弦定理，计算 AB 角的余弦值double CosAB=(lenA*lenA+lenB*lenB 一 lenC*lenC)/2*lenA*lenB;/根据余弦值得出角 AB 的正弦值double SinAB=sqrt(1 - CosAB*
30、CosAB);/计算运钞车偏离规定路线的距离double distanceA = lenA*SinAB;/返回结果return distanceA;3.2 异常停留算法在偏离规定路线之外，运钞车在某处停留时间过久也视为异常情况，所以需要对这种异常进行判断。每一次监控中心从北斗卫星接收到所辖用户机的位置信息后，都将位置信息数据保存在监控中心的数据存储服务器中，并将其与前一次的位置信息作比较。设置一计数器用于保存运钞车停留在某处的时间，如某次获得的位置信息与前一次的值相同，计数器值自动加一，否则清零。当计数器值对应的时间大于预先设定的阈值，就表明运钞车在该处停留时间过久。阈值根据路况，天气等情况综
31、合决定。4 工作原理及性能分析4.1 工作原理押运任务实施之前，监控中心会为本次押运任务制定唯一的一条押运路线，并将这条路线保存在数据服务器中并通过北斗通信系统发送给运钞车。运钞车接收到这条路线后，将其显示在 GIS 地图上，实现导航功能。押运任务实施过程中，车载单元每隔一定的时间向地面控制中心发送定位请求以获取自身的位置信息。地面控制中心接收到请求后，通过向北斗卫星发送信号，命令其反馈卫星与车载单元的距离，地面控制中心根据返回的距离数据计算出运钞车的位置信息，并再次发送给北斗卫星，由北斗卫星将此位置信息发送给车载单元。运钞车通过车载单元内的北斗普通型用户机获取自身的位置信息，并显示在电子地图
32、上。由于监控中心内安装的是北斗指挥型用户机，它能获取其下属用户机的位置信息，并显示在电子地图上，完成了对运钞车的实时跟踪。同时，监控中心在获取了运钞车的位置信息后，通过偏离路线算法以及异常停留算法判断运钞车的运行是否出现异常，并根据判断的结果进行下一步的操作。如果监控中心判断出运钞车已经发生异常，则通过地面中心站向运钞车发出报警信息，并可以通过相关的技术遥控控制运钞车，使其断电、断油或是15熄火。同样，因为北斗系统拥有双向通信功能，运钞车在遇到紧急情况时，也可以主动向监控中心报警，监控中心会命令车载单元执行相应的应急及调度措施。通过对北斗系统双向通信功能的有效应用，监控中心就可以实现对所辖运钞
33、车的有效管理与监控。4.2 性能分析（1）系统定位精度为：平面位置精度 20m（设有标校机） ；高程控制精度10m。（2）其定位通信数据误码率小于 10-5。（3）系统阻塞率小于 10-3。（4）授时精度（相对于控制中心时间系统）：单向传递精度为 100ns；双向为 20ns。5 应用本文设计的运钞车监控系统利用我国自主研发的北斗定位系统来对运钞车进行监控及调度，北斗系统同时实现定位与通信的功能，降低了设计难度，节约了系统构建成本，且弥补了传统的通信手段存在通信盲区的不足，提高了系统的实时性与可靠性。除可对金融运钞车实现跟踪与监控，电子地图显示以及路线导航等功能外，该系统设计还利用了偏离路线算
34、法与异常停留算法来对运钞车是否发生异常情况进行判断，从而让运钞车的运输安全变得更加可靠，可广泛运用于金融银行系统中。参考文献1 刘建业，曾庆化，赵伟，熊智 导航系统理论与应用 西北工业大学出版社，2010：194-2242 边少锋，李文魁 卫星导航系统概论 电子工业出版社，2005：147-1763 宋人杰 基于 GIS 的移动目标定位与监控系统 复旦大学，20084 李跃，邱致和 导航与定位信息化战争的北斗星（第二版） 国防工业出版社，2008：471-4765 李德亮 基于北斗的车辆运输监控调度系统的设计及实现 北京化工大学，20086 宋戈 基于 GIS 的移动目标定位与监控系统 上海交
35、通大学，200916第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）科技小论文基于北斗二代定位技术的移动导航客户端设计作者：方 毅，丁 璐，武红宇指导教师：袁修孝（武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉，430079）【摘要】 本文针对即将建成的北斗二代卫星定位系统具有的定位和特有的通信功能，设计了包含查询浏览、导航定位和用户通讯功能的移动导航客户端。并对其系统层次结构、功能模块和用户界面进行了详细的介绍。同时对该系统的设计难点进行了分析，讨论了如何对北斗数据进行纠正提高精度和如何实现路径规划。【关键词】 北斗二代导航、移动客户端、Android、路径规划1、引言2000 年以来，中国已成
36、功发射了 7 颗“北斗导航试验卫星” ，建成北斗一号即北斗导航试验系统。该系统虽存在缺陷，但它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，并且它不仅能实现定位功能还具备 GPS 所不具备的通讯功能。2007 年至今，我国又发射了 7 颗卫星，北斗二号即北斗卫星导航定位系统的组网工作正在按计划顺利推进。第二代系统将克服一代系统覆盖范围小，定位精度低等缺点，同时继续具备通信功能，成为国产的 GPS，为我国及周边地区的我军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、收拾夫妇功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导的需要，满足导航定位信息交换的需要。即将建成的北斗定
37、位系统不仅能完成 GPS 所能完成的工作，还具有通信功能。它具有收发的功能，不仅能解决我在哪里的问题，还能将信息传给其他用户。本文针对北斗卫星定位系统具有定位和通讯功能的特点，进行了北斗二代定位技术的移动导航客户端设计探讨。2、移动导航客户端体系设计移动导航的终端应该具有良好的移动性与便携性，因此常选用嵌入式系统作17为客户端运行系统。根据嵌入式系统的特点及移动导航客户端软件的功能需求，其客户端体系应该具有如图 1 显示的层次结构。应用层地图显示 路径规划信息查询用户通讯地图匹配地点检索G I S 基础数据数据层G U I文件系统设备驱动系统库嵌入式系统内核系统层图 1 客户端层次结构图 1
38、客户端层次结构2.1 操作系统层从移动导航客户端软件开发来看，系统平带应该具备良好的图形界面，模块化、结构化的应用程序接口，丰富的驱动系统，完善的开发文档支持。WinCE系统由于以上特点并且继承了传统的 Windows 图形界面，同时具有传统 PC 系统相同的 Windows API，因此常被选用作为嵌入式终端的系统平台。但选用WINCE 系统，则需要向微软公司缴纳相应的授权使用费。近年来，由 Google 公司主导的 Android 系统取得了蓬勃的发展。该系统基于开源代码构建，同时具有良好的 HAL（Hardware Abstraction Layer） 、优化的图形库、高效的虚拟机机制、
39、以及其开源免费的特性，使得 Android 系统成为了广大厂商的另一开发选择。基于这种趋势，本例选用 Android 系统作为操作系统平台。2.2 数据服务层该层用于存储移动导航客户端的 GIS 数据。目前的解决方案主要分为两种：一、利用现有的嵌入式 GIS 开发平台进行二次开发；二、建立地理空间数据库存储道路交通信息。基于第一种方案，文献1提出了基于 eSuperMap 的嵌入式GIS 平台的完整开发解决方案。而当需要自行设计空间数据库时，主要利用包括道路网几何形状、道路等级、道路特征、交通规则、地理边界、兴趣点与路标等与导航需求有关的信息来构建。这些数据可以大致分为道路网数据与非道路网数据
40、两大类。道路网数据包括基本的道路网的地理数据以及道路交通信息数据，这些数据具有较强的拓扑关系。非道路网数据主要包括基本的地物信息（如河流、湖泊、边界、铁路等） 以及反映目的标识信息的地理数据（如居民区、学校、政府机关、医院等）2。这两种数据应该选用不同的方式进行存储表达。对道路网数据应该采用图的数据结构进行表达；而非道路网数据用关系18表来表示，并且应建立相应的索引方便查询。2.3 核心应用层该层主要向终端用户提供移动导航功能。其主要功能应该包含查询浏览、导航定位、用户通讯（如图 2 所示） 。查询浏览需要使用 GIS 空间数据查询功能，能提供搜索地区周边交通、服务信息查询，并且能够显示地图矢
41、量数据；导航定位功能需要通过地图匹配技术实现对北斗定位误差的修正，同时用 Dijkstra 算法和 A* 算法1等路径分析算法实现路径规划，并当使用车载模式时以语音提示方式进行导航；用户通讯模块则依据用户级别的不同，结合北斗系统具有短文通讯这一特色功能，分别对普通用户使用网络注册 ID 验证通过客户端服务商中转服务器进行网络互联通讯，对高级用户使用北斗用户 ID 验证通过北斗系统地面服务站进行卫星专属互联通讯。北斗系统客户端查询浏览 导航定位 用户通讯图 2 北斗导航移动客户端功能结构图图 2 北斗导航移动客户端功能结构图3、客户端主体功能模块的设计3.1 查询浏览模块设计该模块主要用于完成数
42、据库中的地理信息数据的基本管理、导航过程中目的信息点的查询、地图数据的访问与显示。ESRI 公司曾推出 ArcGIS Mobile 产品，基于该产品可以在 Windows Mobile 平台开发丰富的 GIS 程序。目前，针对Android 平台，ESRI 公司同样推出了 ArcGIS API for Android 1.0 beta 的 GIS 程序开发接口。因此可以利用该接口，在此基础上进行二次开发从而实现查询浏览模块的设计。在 Eclipse 开发环境下，安装 ADT（Android Development Tool）插件与 ArcGIS Android API，就可以利用 ArcGIS
43、 Server 提供的 REST 接口进行二次开发。Android 提供了 ViewGroup 容器，而 MapView 是基于该容易的一个类。ArcGIS Android API 中使用 MapView 作为地图的容器。根据 XML 定义布局生成MapView 对象并添加一个 ArcGISTiledMapServicesLayer，就能够完成地图显示功能的设计。利用插件菜单中 ArcGIS Project for Android 中的其他控件，则可以完成地理信息数据的查询检索功能。对于非二次开发的自行建立地理信息数据库，Android API 则提供了创建和使用 SQLite 数据库的支持。
44、生成 SQLiteDatabase 对19象就建立起一个基础数据库并包含与之交互的方法，生成、查询和管理数据。3.2 导航定位模块设计该模块主要提供移动导航功能以及路径规划功能。根据从北斗系统接收芯片得到的数据，计算出终端用户的位置信息，并将该信息表达在地图上匹配显示，使用户直观地了解自己所处位置及运动方向等。同时根据路径选择算法为终端用户自动实时计算最优路径。导航过程中，沿途的交通地理信息与生活信息也将实时地显示在图层中。在整个模块设计中，对北斗定位结果数据进行加工处理以及自动进行路径规划是客户端设计中的难点，后文将具体介绍这两点的解决方案。移动导航客户端需要解决的首要问题是定位的实时性。首
45、次定位时间（Time To First Fix， TTFF）是衡量定位速度的一个关键参数3。北斗系统依然有着 GPS系统首次定位时间过长的问题。利用北斗系统的高精确定位特色，结合移动通信网络的广泛覆盖并能够提供基站定位服务的特点，发展而来网络辅助全球定位系统可以解决这一问题。基于网络辅助的导航定位流程如图 3 所示。当开始导航时，客户端调用终端GSM 模块向移动蜂窝网络发送数据包，当附近的基站获取数据信息时，网络向移动终端提供包括各种定位辅助信息。利用这些信息，终端很快捕获北斗卫星信号，接受北斗卫星测量信息。然后客户端将测量信息通过无线网络发送给网络中的定位服务中心，由服务中心基于测量信息解算
46、用户当前所出的位置。终端接受用户所在地的地理信息后，客户端迅速完成地图匹配，实时显示地图与地物信息。同时根据一定的路径选择算法以及用户自定义规则，给出最优路径。20定位结果地图匹配信息查询地图浏览路径规划网络辅助定位G I S 数据库导航定位浏览查询图 3 导航定位流程图接收导航数据最优路径 位置信息图 3 导航定位流程图3.3 用户通讯模块设计该模块为终端用户提供即时通讯功能，并能为终端用户提供联机共享地理坐标服务。北斗二代导航系统区别于 GPS 导航系统的一大特点是其具有短文通讯功能。基于此功能，北斗二代导航系统不仅能解决用户自身的定位问题，同时还能将自身定位信息提供给其他用户。由于北斗系
47、统的短文服务是通过地面服务站完成中转的，因此这一服务有着客户容量限制。北斗系统将根据用户级别，优先对高级用户提供这一服务。基于类似的原理，本例中移动导航客户端将根据用户级别的不同设计 2 种不同的用户通讯方式（如图 4 所示） 。当没有建立连接时，终端用户向目标用户发生连接请求。然后客户端根据用户级别的不同采用不同的投递策略：对普通用户通过无线网络将请求数据包投递至客户端服务商网络中继服务器；对高级用户直接使用导航卫星投递至地面服务站。地面服务站或网络中继服务器解析请求数据包后，将请求数据包分别使用卫星与无线网络投递至目标用户。目标用户接到连接请求后，若确认则建立连接，否则本次请求失败。建立连
48、接后，用户之间的信息通讯依据用户级别的不同将分别使用卫星-地面服务站、无线网络- 中继服务器的方式进行连接传递。这用分级别的通讯策略有效地解决了北斗系统短文通讯用户容量的问题。同时，高级别用户通讯内容安全性也因为避开了易被监听的无线网络而得到保障。21发送通讯请求高级用户是 否加密通讯数据包加密通讯数据包通过导航卫星投递地面服务站通过无线网络发送至客户端服务商中继服务器通过卫星投递目标用户通过无线网络发送至目标用户否与目标用户建立连接发送加密数据包是目标用户接受数据包并解密目标用户回复信息 、 投递定位信息是图 4 用户一次通讯流程示意图否等待响应收到响应信号发送用户产生通讯需求图 4 用户一
49、次通讯流程示意图4、客户端界面设计本例中客户端从大的功能上分为浏览、导航与通讯功能，因此在界面上也可以划分为浏览界面、导航界面与通讯界面。浏览界面主要为用户在查找浏览相关地理信息的过程中提供交互服务。导航界面主要将当前的位置在导航地图中显示出来；并在实时定位过程中为用户提供一些关于导航服务方面的交互提示；用户通讯界面则上下划分为浏览界面与用户消息发送界面，方面用户查看其他用户信息以及与其他用户进行即时通讯。三种界面之间要求可以实时地进行切换，这样可以方便地为用户提供所有的功能。22图 5 界面效果图5、客户端技术难点实现5.1 北斗系统定位结果纠正北斗二代导航系统能够提供快速定位服务。其开放服务在服务区提供定位精度为 10 米的定位服务。在中国及周边地区，由于北斗二代的 5 颗 GEO 卫星的辅助，系统能够提供 CAT-1 级的精度要求，最终定位精度可达到 5 米以内4 。即使在中国及周边地区，直接使用北斗定位结果，无法满足车载导航等应用需求。因此对北斗定位结果数据进行加工处理，提高定位精度是很有必要的。文献4指出考虑不同轨道卫星测距精度差异的影响,引入加权集合精度因
