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大学组一等奖优秀作品
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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：
精心整理 GPRS 服务器 InternPDA 心跳软件 监控终端 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
无
位置信息
有
有
时间 历书 星历
无 无 无
有 有 无
有 有 有
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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。
搜索Ts 暂停Ti 搜索T1 非工作时间 0:00 工作时间 8:00 18:00 电源按钮按下 24:00
图2心跳搜星策略示意图
1)．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。 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*T1 Q2=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