图5为无GPS信号条件下，PDA耗电对比图。其中，蓝色线条为不采用TTFF策略的电量消耗曲线，粉色线条为采用TTFF策略的电量消耗曲线。TTFF采用“2-8”搜索与休息策略，即搜索时间为2min，休息时间为8min。从图中可以看出，TTFF搜索策略使得PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11h45min，基本满足了警员的正常工作需要。此外，试验表明，不同的TTFF策略（参数不同）对应的使用时间也不同。
图5无GPS信号状况下耗电情况对比图
5 结论
针对GNSS智能终端电源消耗问题，研究了GNSS搜星策略，开展了对比试验，取得了较好的应用效果。 1)、根据用户的工作特点，制定了工作时段和非工作时段的GNSS搜星具体策略，既可提高用户定位的成功率，又可有效节约终端的电源消耗。 2)、利用仅使用心跳软件的PDA开展了耗电对比试验。采用本文提出的TTFF搜星策略时，PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11h45min，基本满足了警员的工作需要。 3)、本次试验的研究对象是GNSS中的GPS。在实际应用中，可以将研究成果直接推广到其它GNSS中，特别是我国的“北斗”。 不同行业对智能终端耗电管理的应用需求不一致，本文下一步拟在搜星策略参数优化的基础上，集成远程遥控等功能，并开发跨平台的心跳软件。 6 致谢 感谢指导教师吴才聪副教授的悉心指导，感谢褚天行、傅成、苏怀洪等所做的前期工作。 论文得到了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）”的资助。 参考文献 [1]傅成．基于PDA的移动监控技术研究．北京大学本科生毕业论文，2010：11-19 [2]ArjunAnand,ConstantineManikopoulos,QuentinJones,andCristianBorcea.AQuantitativeAnalysisofPowerConsumptionforLocation-AwareApplicationsonSmartPhones.InProceedingsofthe2007IEEEInternationalSymposiumonIndustrialElectronics.2007:1986-1991 [3]JoelIvoryJohnson：WindowsMobilePowerManagement，《THECODEPROJECT》，，2011年2月19日 [4]田蓓．基于WindowsMobile操作系统手机的GPS模块设计与实现．硕士学位论文，2008：63-64
第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）
项目建议书
基于北斗卫星系统的自航系统的研发建议和基本原理实验
作者：任政儒，刘媛，姜帆 指导教师：宗智，倪少玲
（大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024）
【摘要】本文主要提出的是通过以北斗导航卫星为主体，以监测卫星、地面实时数据、历年观测数据为依托，构造完整地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统构想。本系统的研发将有利于企业降低营运风险、劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥和掌控军事主动权和话语权。本文指出该项目核心研究问题与方案，并初步通过实验模拟，验证方案的可行性。 【关键词】北斗卫星，船舶，航线划分，避障，自航 一、项目背景 1.1国内外本项目领域科技创新发展概况和最新发展趋势[1][2] 在当今船舶和海洋工程研究领域，卫星导航系统和无人驾驶船是两个重要的研究课题。卫星导航系统，是主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。国内外的学者也一直在研究其在海洋工程方面的应用，现已开发包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位，海平面升降监测等方面的应用，我国也在卫星导航系统上做了相关研究。我国的北斗导航系统，将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、海洋、灾害预报、通信等众多行业提供高效的导航定位服务。 无人驾驶船，国际上是以美国、以色列为主导开始研究，至今约十年时间，而中国在这方面的研究才刚刚起步。无人船驾驶有两种方式，一种是人工遥控，另一种为自动驾驶——可按预定航线形式，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。无人船的研究，对应对海洋突发事件和在海洋、大型湖泊等方面的环境监测以及灾害预警等具有重大意义。 1.2项目研究的目的、意义 目前船舶航行多数是靠船长经验和海图以及技术趋于成熟的GPS导航系统。 一方面，由于人为的误判或因未及时发现障碍物而发生的海事事故屡见不鲜，如1912年，“不沉底”远洋定期客轮“泰坦尼克”号的处女航由于在黑夜中未及时观察到前方的冰山，不能及时避开冰山而发生碰撞，导致其在短短的几个小时之内就沉没于北大西洋，成为世界上最着名的海难事故。而海图不具有实时性，受到多种因素的影响，如多变的天气、洋流，未标注的暗礁，由于长时间地质变化而引起的地质改变等，因此不能有效的反映航线，指导航行。另一方面，在利用GPS导航上，我国不具有主动性，被动依靠美国技术，一旦国际形势有变会受到诸多制约。所以，如何依靠现有的科学技术建立先进方法来弥补以上不足，显得迫在眉睫。
随着我过北斗卫星导航系统的不断完善，我国自主研发建造的导航系统正在军用民用导航系统中起着越来越重要的地位，同时标志着我国导航系统正走出受到国外制约的时代。卫星制导已广泛用到无人机及导弹等军事领域，但是该方法依旧受到多方面的制约，如多变的天气，制导方式单一，由于长时间地质变化而引起的地质改变，数据陈旧等。本项目研究的目的在于融合多方卫星与地面数据构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人交通系统，并逐渐摆脱对国外技术的依赖。
1.3应用推广前景和预期的社会经济效益
本系统具有实时性、高效性、可靠性等特点。经过气象卫星数据，地面数据等多方数据融合，有效的提高了卫星自导航线的可执行性和安全性。该系统有利于企业降低劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥。经过计算优化后的航线可以有效降低对海员自身素质的要求，缩短航线距离，提高航运速度，从而降低运营成本。 本系统一旦得以实现，将对我国航运行业产生积极的影响，产生巨大的经济效益。同时，国外船舶在看到诸多优点后也会应用本系统作为航行指导系统，如同目前的GPS系统，这不但为本系统获得巨大受益，使各国达到对北斗系统的依赖性，增强我国军事主动性和发言权。本系统经过改进后可用于航空和陆地领域，应用前景广泛。 二、研究内容和目标 2.1主要研究内容 本项目主要研究的内容是融合多卫星数据在海运方面的无人自航避障及导航技术。 2.2关键技术、技术创新及研究方法和技术路线； 2.2.1关键技术： （1）多卫星的不同分辨率、不同空间位置、不同时间的各类数据与各类地面数据的融合； （2）以北斗卫星为基础的导航系统统筹各方面数据对航线的合理规划； （3）船舶在发现障碍物时的避障控制系统。 （4）枢纽通航建筑物,跨河建筑物及航道的通航水流条件 （5）航线选择及航道整治 （6）航道不稳定流对航行的影响 （7）通航标准试验研究等。 2.2.2技术创新：
各种卫星监测均有其各自的优缺点，将各种监测卫星数据结合，有利于充分发挥各卫星优点，提供的数据分辨率更高，精度更好，覆盖区域更广，监测时间更全面。
研究方法：模型实验，详见第五部分。
2.3．项目的总目标和阶段目标（含预期知识产权状况）； 2.3.1总目标：
构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统。
2.3.2阶段目标：
第一步，完成自航模型的遥控；
第二步，完成航行船前方障碍物的探测； 第三步，完成预设数据的自动航行； 第四步，完成船模航行中的自动避障； 第五步，完成船模到实船的北斗卫星导航自动避障； 第六步，推广到军用、民用各领域。 三、实现项目预期目标所具备的工作基础和条件 3.1工作基础： ①较长时间的气象、水文资料； ②北斗系统具有较高精度的定位能力； ③中央指挥系统具有强大的运算能力 3.2工作条件： ①大连理工大学船舶实验水池水池长度：160m，水池宽度：7m，水池深度3.8m 四、计划进度与考核指标 4.1设计有关自航和自主危险回避船舶的原理： 由于各种卫星监测均有其各自的优缺点，而且不同卫星的功能也不相同，所以将各种监测卫星数据结合有利于发挥各卫星优点。所以本项目的北斗卫星导航系统，就基于综合数据的应用。 首先，地面控制室获得从气象卫星，微波遥感卫星，红外卫星等卫星得到的数据，综合多年记录和各地各类观察站得到的数据，通过计算机系统计算整理，综合所有的卫星信息，获得最佳的行驶航线。然后地面中央控制中心根据雷达及遥测系统综合提供的各种参数，通过计算机计算，对照预定的方案进行设计修订，确定切实可行的控制方案，由操作人员或者计算机通过北斗导航系统向无人驾驶船舶发出控制指令。同时，船舶也通过自身的传感器获得本身的行驶状况，并将其通过信号传输给北斗导航卫星，地面控制室也通过北斗导航卫星获得船舶在海中的方位、行驶情况等，对船舶进行相应的控制，使船舶顺利地执行既定的行驶任务。如图1，图2。
图1北斗自航系统原理简图 图2北斗自航系统原理示意图
4.2控制系统详细设计：北斗导航卫星遥控无人驾驶船舶
为了执行某项任务，无人驾驶船舶可能驶到很远的地方，以至于人们用肉眼观察不到它在海里的姿态和位置。为了解决这个问题，对无人驾驶的船舶，可以借助卫星对远方目标的参数及状态进行测量。安装在无人驾驶船舶上的测遥发射系统能把船舶的速度、发动机转速、船舶行驶姿态等参数不断传送给北斗导航系统，地面控制中心接受系统及显示装置接收并显示这些参数，并根据参数做出相应响应，通过导航系统反馈给无人驾驶船舶。
除了可以通过北斗卫星导航系统和地面中心的联合作用控制舵面及其他结构外，还可以用自动控制设备自动驾驶。安装在船舶上的各种传感器直接感受船舶行驶时的各种参数，并将其变为电信号，这些电信号通过运算放大器直接加到舵机等执行电路上，对无人驾驶船舶的姿态进行控制。 五、实验模拟 5.1实验原理： 本实验的遥控系统是由传感器、发生器、接收器和控制器等组成，如图3所示：[3] 图3遥控系统原理图 传感器可以分为两类。一类是由直接接受外界的各种信号，将其转换成电信号输出。另一类是传感器自身能发射出某种波，如红外线波、超声波、微波等，这些波遇到障碍物后能反射回来被传感器接收，并将它们转换成电信号，从所接受的反射波中分析出障碍物的不同性质，如距离、颜色、移动速度等。发射器的作用是根据它接收到的指令信息向接收器发射某种信号的波，这种波多半是超声波、红外线波、电磁波、激光等。接收器的作用是远距离接受发射来的含有某种指令的信号，将它们转换为电信号并加以放大，送往控制电路。控制器根据发射器发出的指令，向不同通道输出各种脉冲直流电压执行某些特定的任务。控制器主要根据接收器所接受的信号强度来控制负载。 5.2实验设计： 红外传感器（模拟多卫星数据、已有数据和各地各类观察站数据）； 遥控器（LT-CC1000射频模块，模拟中央控制中心）； 接收器（LT-CC1000射频模块，模拟北斗导航系统）； LPC2103型ARM开发板（模拟控制系统）； 摄像头（模拟船员视角）。
图4船模布置示意图
5.3实验过程: