第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品一等奖.docx

1、第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 1 大学组一等奖优秀作品 GNSS 应急终端节电方法研究 .2 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 .10 “北斗超人”2031 .18 基于 GPS 的智能导航救援系统 .23 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 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，

2、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 11 h 45 min，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（20

3、07BAH12B06） 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 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 3 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

4、。 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： 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

5、-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

6、PDA 的电量。因此，拟根据 PDA 搜星状 PDA 心跳软件 服务器 监控终端 GPRS Internet 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 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 位置信息 无 有 有 时间 无 有 有 历书 无 有 有

7、 星历 无 无 有 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 30 s，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。 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 5 图 2 心跳搜星策略示意图 18:00 24:00 电源按钮

8、按 下 8:000:00 暂停 Ti 搜索 Ts 工作时间非工作时 间 图 2 搜索 T1 图 3 图 5 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，

9、则心跳程序只在 PDA 电源键被按下， 使 Windows Mobile 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 2 min、休息时间设为 8 min，在 1 h 内，将搜星 6 次，总计耗 费 12 min 的时间进行卫星搜索。如果不采用该策略，则将耗费 1 h 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

10、启动）的时间一般为 4050 s ，因此将“搜星时间”设为大于 1 min 即可。 中学组一等奖作品 7 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=

11、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 1 h 内，心跳程序将进行 6 次卫星搜索，该过 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 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 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

12、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 2 min，休息时间为 8 min。 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 11 h 45 min，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

13、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 11 h 45 min，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” 。 中学组一等奖作品 9 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、

14、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 Arjun Anand, Constantine Manikopoulos, Quentin Jones, and Cristian Borcea. A Quantitative Analysis of Power Consumption for Location-Aware Applications on Smart Phones. In Proceedings

15、 of the 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 2007:1986-1991 3 Joel Ivory Johnson：Windows Mobile Power Management，THE CODE PROJECT， 年 2 月 19 日 4 田蓓基于 Windows Mobile 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 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

16、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

17、本项目领域科技创新发展概况和最新发展趋势 12 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

18、，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 中学组一等奖作品 11 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

19、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，成为世界上最著名的海难事故。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

20、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

21、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

22、时间的各类数据与各类地 面数据的融合； 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 （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）

23、； 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： 较长时间的气象、水文资料； 北斗系统具有较高精度的定位能力； 中央指挥系统具有强大的运算能力 3.2 工作条件： 大连理工大学船舶实验水池 水池长度：160m ，水池宽度

24、：7m，水池深 度 3.8m 中学组一等奖作品 13 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

25、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 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 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

26、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

27、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

28、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） 。 中学组一等奖作品 15 图 4船模布置示意图 5.3 实验过程: 5.3.1 实验设备： 利用已有 2m 长木模模型船进行动力改装； 遥控设备为 SPRINGRC 2.4GHz 六通道遥控器； 接收机为 SPRINGRC 2.4GHz

29、六通道接收机； 舵机为 SMS8166M 金属齿大扭力舵机，30kg/cm； 电动机为，24V，300W ，3000r/min,直流无刷电机； 电机控制器为 MMT-4Q 带有正反转功能； 供电系统为 24V 铅蓄电池； 实验用舵为 NACA2210 翼型； 实验用螺旋桨为右旋，直径 100mm； 6V，1000mhA，氢镍电池组 。 5.3.2 实验地点: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 5.3.3 实验过程： （1）第一阶段： 实验初步阶段较为简单，利用舵机调节调速器从而改变电机转速控制航速， 利用 30kg 大扭力舵机操纵舵，从而达到控制航

30、向的目的，利用舵机控制正反转 开关，从而控制正反转。将船模进行如图 5，图 6，图 7 改装： 调试遥控设备，记录各通道用途与对应关系，熟悉遥控器的使用； 将电机、调速器、舵机与遥控装置相连 ，调试控制正反转，调速功能， 控制舵角功能； 加装尾轴管，尾轴，螺旋桨，舵等设备到船模上； 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 固定动力装置和遥控设备到船上； 整体调试； 下水实验。 图 5 舵机及舵布置 图 6 控制系统、遥控系统布置 图 7 船尾部布置 经实验测量航速大致可达 3kn，左右转动，正反转灵活，如图 8，图 9。在 人为操作的情况下可以较好的躲避障碍物。本实验第一步为后续工作提

31、供硬件 基础。 图 8 船模转弯状态 图 9 船模行进状态 （2）第二阶段： 实验之后会利用 LT-CC1000 射频模块作为发射器和接收器， LPC2103 做 中学组一等奖作品 17 为控制器作为主要设备进行（由于时间有限，调试工作尚未完成，这里仅提供 方案，如图 10） 4。 图 10 LPC2013智能船模原理图 六、项目主要研究人员 姓名 单位 性别 年龄 专业 学位 职称 项目中承担工 作 任政儒 大连理工大学 船舶工程学院 男 21 船舶与海 洋工程 本科 队长 画图与写作， 船模与外部电 路设计 姜帆 大连理工大学 船舶工程学院 男 21 船舶与海 洋工程 本科 组员 整理材料

32、与写 作，可视化程 序编写 刘媛 大连理工大学 船舶工程学院 女 19 船舶与海 洋工程 本科 组员 创新与写作， 单片机编程 参考文献 1 孙家抦. 遥感原理与应用. 武汉大学出版社，2003：220 2 边少锋， 李文魁 .卫星导航系统概论. 2005 : 141-171 3 朱惠明, 张爱武 , 高洪霞. 基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统 . 山东建材学院学报 1999 ：636，169-171 4 周新力，贾利华.遥控船模控制系统的设计. 中国水运,2009, 2-3 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组） 科幻

33、小文章 “北斗超人”2031 作者：刘思琦，孙显卫，韦佳黎，祁福斌 指导教师：徐德斌，方坤 （中国地质大学（北京）信息工程学院，北京，海淀 100083） 【摘要】 2031年,实验室中，刘伟斌博士回忆起,利用北斗卫星导航系统使 机器人“北斗超人”能够在危险的火山地带探矿的经过。 我国探明的矿产储量约占世界总量的 12%,但是,我国矿产资源人均占有量仅 为世界水平的 58%。2011 年，对国民经济起支柱性作用的矿种储量不足,并且沦 为紧缺矿种。但是某些拥有丰富矿产资源的火山地带却因危险因素的存在以及 科技装备落后的原因而无法开采。刘博士便将目光投向了机器人探矿上。 刘博士利用北斗的导航以及信

34、息交流功能解决了机器人与工作人员的信息 交流以及灾情报告的问题。北斗的引入解决了安全问题，确定了机器人投方的 准确位置。机器人采矿的计划趋于完美。 于是一个崭新的探矿时代降临。 阳光明媚的下午，刘伟斌博士抚摸着研制成功的北斗卫星与机器人的完美 结合体“北斗超人 ”，欣慰的笑了。透过实验室的窗户，杨博士想起了 20 年前 2011 年。 尽管脸上带着微笑，但是在想到 2011 年时，杨博士的眉头不禁皱了起 来 对于一个对矿物质充满兴趣与热情的人，当杨博士看到矿物资源日益匮乏 时，就如同看着自己的婴儿因没有食物而渐渐死去一样的心痛。 2011 年时，矿物资源匮乏。当时，我国已探明的矿产储量虽然约占

35、世界总 量的 12%,仅次于美国和独联体而位居世界第三。其中煤、钨、锡、钼、稀土、 莹石、重晶石、芒硝、石膏、滑石等矿产在数量或质量上都具有明显优势,有较 强的竞争力。但是,我国矿产资源人均占有量仅为世界水平的 58%,居世界第 53 位。从另一个角度来说,我国优势矿种大多为用量不大的矿种,而对国民经济起支 柱性作用的矿种却储量不足,并且沦为紧缺矿种。我国矿产资源面临严峻形势， 矿产地新发现数量不足,储量减少的矿种增多。我国的资源经过数年的探寻和开 发,地表及浅部矿产资源多已被发现和利用。整体而言,发现和开发利用的风险, 难度越来越大。1994 年至 2000 年,45 种主要矿产中,储量出现

36、负增长的矿种已增 中学组一等奖作品 19 至 26 种,连续 3 年减少的矿种有 14 种。我国已探明的 45 种主矿产的储量,到 2010 年严重短缺的有铬、钴、钼、钾、金刚石 5 种,矿产资源不能自给的有 19 种,据推测 2020 年短缺的矿产资源将增至 39 种,矿产资源供需矛盾十分严峻。 世界范围内金、银、锌、铅、锡、铜等矿产的可采年限为 15-50 年,紧缺的 矿种如钨、钼、汞、及钛铁等矿产的可采年限仅为 50-75 年。 刘博士深知一个国家居民消费水平和生活方式在很大程度上取决于该国的 人均自然资源拥有量和消费量。 矿产,是提高人民生活水平和进行经济建设的重要物质基础,各国对矿产

37、的需 求量日益增长。因此，矿产的丰富程度及开发利用程度是一个国家物质财富、 经济发展和科学技术水平的重要标志。矿产资源与其他自然资源不同，总体上 说是开采后不可再生的有限资源，特别是那些优质、易采的矿产，在世界上已 经屈指可数。并且由于矿产资源分布极不均衡，即使是国土面积居世界前列的 国家，也不可能在所有矿产资源上完全自给自足。 矿产资源的不足将制约国家的发展，刘博士为祖国的未来而担忧不已。 于是，刘博士与其他几位矿产资源方面的权威人士共同组成了“资源开发 小组”，致力于解决矿产资源不足的问题。 一天，几位博士正在食堂一起吃饭。电视中新闻联播报道莫尔纳瓦特火山 （Morne Watt ）爆发的

38、事件。 刘博士突然有了灵感，他站了起来，大声说道：“我想到了！” 几位矿产资源博士不禁问他想到了什么。 刘博士兴奋的说：“ 有一个地方的矿产资源很丰富，但却还没被利用起来。 ” “哪里？” “就是那里。 ”刘博士指着电视说。 大家恍然大悟。 饭还没有吃完，大家就一起兴奋地冲进了实验室，开始了工作。 矿产中,主要由地球内部能源的影响而产生的内生成矿，如热液型矿床、矽 卡岩型矿床、火山矿床等还未得到完整的开发和利用。 刘博士想到今后将探索火山附近的矿产，这的确是个绝妙的想法。但是“资 源开发小组” 还有些担心安全问题。据统计 全国每生产 1 千万吨煤死亡 11.82 人， 生产 1 亿吨煤死亡 1

39、18.2 人。 在危险的火山地带进行探矿，死亡的人数必将增 加。 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 刘博士心里烦躁，在办公椅上休息了一下，然后随手拿起今天的报纸看了 起来。 “据报道，昨日下午，美国又向世界公布了一项新的科技成果，他们研制成 了一种机器人，可以” “机器人、机器人可以做到” ，当这一想法萌生在刘博士脑海中时，刘博 士兴奋地彻夜难眠。 第二天，“资源开发小组 ”召开紧急会议，探讨将机器人应用于探矿是否可 行的问题。一位专家说道：“将机器人应用于探矿，确实可以解决人员伤亡问题， 但是机器人单独到荒野地区执行任务，存在一定的危险性，必须有人与机器人 进行及时的信息交流，

40、并对其行为进行全程监控才可以。这种监控系统的监控 效果不能受地形环境的影响与干扰，但地面监控技术目前很难做到这点。”大家 都不住点头，表示赞同。 会议室陷入一片沉静，大家都在思考如何解决信息交流以及机器人监控问 题。最后，会议决定，先进行机器人研发，在研发过程中寻找解决交流与监控 问题的办法。 几年里，刘博士与他的团队一直致力于机器人的研制。经过多年努力，身 高 3 米、重 3.5 吨、以太阳能为能源、行动灵活、能与人进行简单的语言交流、 自动化验土壤结构，从而辨析土壤中所含矿产种类的“ 超人机器人” 研制成功了。 整个团队的成员都为机器人的研制成功而兴奋不已，机器人应用于火山探 矿的那一天近

41、在眼前。刘博士决定请大家吃饭，好好庆祝一下探矿机器人的研 制成功。 吃饭时，韩裕教授提出了一个问题：“目前我们虽然能对“ 超人机器人”进 行短时的行为监控，但还是难以与机器人进行及时的信息交流。当“超人机器人” 完成土壤分析时，我们无法及时得到反馈信息。并且，一旦机器人在火山地带 遇到危险，人类无法及时得知消息，无法实施援救，这无疑会使机器人陷入困 境，造成巨大的损失。” 大家听完又陷入了沉思。是啊，代替专家的探矿机器人已经研制成功，但 现在还只能放在实验室里，不能应用于实际，这又有什么用呢？ “刘博士，您的电话，对方姓杨，您现在方不方便接电话？” 助手孟璎，还 没来几天，显得有点腼腆。 “姓

42、杨？”刘博士有点疑惑，不过旋即释然，并有些高兴。 “各位，不好意思，你们先吃，我去接个电话，这是我一个老同学。” 刘博 士跟大家道了声歉，然后就随着小孟走进了办公室 中学组一等奖作品 21 “我想到了，我想到了，我们可以利用我国自主研制的北斗卫星导航系统” ， 刘博士兴冲冲的从实验室跑了出来，后面跟着满脸疑惑的小孟。“我的同学在北 斗卫星导航系统研究中心工作，今天他们发射了一颗改进后的替换北斗卫星， 刚才打电话邀请我去参加他们的庆典。” “听说我们国家的北斗卫星导航系统的定位精度已经逼近美国军用的 GPS 的精度了” 大家议论开来，显得十分兴奋，比“超人机器人” 研制成功时还要高兴 已至深夜，

43、刘博士办公室的灯还亮着。电脑前，刘博士正在阅读有关北斗 卫星的资料。屏幕闪烁的光亮映照在刘博士微笑着的脸上。 经过与北斗卫星导航系统研究中心三年的合作，“超人机器人” 与北斗卫星 导航系统已完美结合，“ 超人机器人 ”也已改名为“北斗超人”。“ 资源开发小组” 和北斗卫星导航系统研究中心的人员都十分激动，大家都期待着“北斗超人” 的 第一次行动 “刘博士，刘博士！ ”孟璎叫醒了沉思中的刘博士，刘博士的思绪由 20 年 前回到了现在2031 年。 “明天，北斗超人就将第一次进入火山地区探矿了。” 想到这里，刘博士 心潮澎湃。 第二天一大早，刘博士及所有工作人员就来到了实验室的监控中心。监控 器屏

44、幕上“北斗超人 ”正悬挂在大型飞机下面，快速飞往台湾的一号火山地带。 飞机到达了事先划定好的区域范围，便将“北斗超人 ”缓缓降落下来。接下来， 就是让所有人紧张的时刻了。只见“北斗超人” 缓缓启动，前进，按着设定的路 线在划定的区域范围内开始了工作。实验室一片欢呼，大家互相拥抱，多年来 的努力没有白费，今天，终于成功了。刘博士默默看着“北斗超人” 的一举一动， 他眼中噙满了泪水。 每十米，“北斗超人 ”就采集一次土壤，对其进行现场化验，同时将样本储 存到置物箱中。在采集土壤的同时，“北斗超人” 将小型感应器载入到土壤 50 米 深的地方。小型感应器能够发出微弱的信号 （微弱信号很容易被干扰）

45、，地震 波的影响能够改变这些小型机器发出的信号，北斗卫星根据感应到的小型感应 器信号的改变程度，来预测地震的发生时间与强度。一旦预测到即将有灾难发 生，北斗卫星就会同时发送信息给救援中心及“北斗超人” 。救援中心会及时派 出人员及飞机赶往火山地带，与“北斗超人” 在指定地点接头，回基地 。 所有成员无比欣慰，他们相信，国家矿产资源紧缺的问题不久就会得到解 决，中国又将迎来一个辉煌的时代。 两天后，信息接收中心接收到“北斗超人” 发来的信息。信息显示 “北斗超 人”在北纬 23.7 度、东经 120.3 度、海拔 2003 米处发现不明矿物结构，此矿物 结构超出“北斗超人 ”的能力分析范围，所以

46、 “北斗超人”请求派遣专家到基地， 进行进一步分析。于是，工作人员打电话通知矿产专家来基地，准备开始工作， 进行分析。 一个星期的不间断工作后，机器人将划定区域范围内的土壤全部分析完毕， 并请求总部派遣飞机将自己运基地。 专家小组将“ 北斗超人” 带回的数据及样本进一步分析整理之后，得出了一 号火山所拥有矿产的种类以及储存量的详细数据。 第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品 “资源开发小组 ”的专家们看到数据都十分震惊。一号火山附近蕴含着极其 丰富的矿产资源，并且其中许多矿产正是我国目前所缺少的。这些矿产将为推 动我国经济的发展贡献巨大力量。 开采小组的成员们正焦急的等待着灾害监测组

47、的分析结果，随时准备出发 前往一号火山。他们渴求看到那里丰富的矿产资源。 实验室中，灾害监测小组的成员根据北斗卫星传来的信息，分析出最近几 天此地带地壳稳定，不会发生大的地壳运动，开采小组可以出发。 开采小组片刻没有耽误，立即赶往一号火山进行矿产开采，并且严格控制 了开采区域，避免引发地质灾。 此期间，灾害监测小组一直持续密切关注着北斗卫星传回的数据，认真分 析，以防灾难发生。一旦预测出近期内可能有灾害发生，灾害监测小组就会通 过北斗及时发送信息给开采小组，令他们及时撤离火山地带。 一个月后,开采小组已经完成了开采任务的三分之一，开采出的矿产种类 极其丰富，数量可观。 实验室中一片欢呼。 开采

48、团队的队员个个精神振奋，他们准备向最后一个开采区域出发。 正当这时，灾害监测小组分析出三天后，一号火山附近地域可能会发生较 大强度的地壳运动，一号火山将有可能出现小型喷发。 他们立即将分析结果交给刘博士。 “立刻用北斗卫星发送信息给开采小组组长，告诉他，停止开采，马上撤 回基地。”刘博士没有丝毫慌张。 开采小组队长收到信息后，回复说“收到信息，我们将马上撤离，接头地 点定在北纬 23.3 度、东经 120.1 度、海拔 1998 米处。” 即刻，开采小组收拾好工具，向接头地点出发。同时飞机也一齐出动，向 接头地点赶去。一天后，他们顺利接头。 “我们已安全接头，预计一天后回到基地。” 总部收到开

49、采小组通过北斗卫 星发回的信息。整个基地没有丝毫不慌乱，是因为所有人知道，只要有北斗在， 一切问题都能迎韧而解。 “北斗超人”火山探矿，是人类的又一大举措，世界为之震惊。 刘博士及基地的所有人并没有休息，他们在密切关注着北斗卫星传回的监 测数据，蓄势待发的等待着下一次活动去一号火山将未开采的矿产采出， 并且筹划着去二号火山的计划。 但是，这一切只是开始。 刘博士知道，“ 北斗超人”第一次执行任务，许多问题还没有充分暴露，所 有人都会时刻准备着解决可能出现的新的科技难题 参考文献 1 唐金元，尚新强，刘水卫星导航系统机载接收设备M青岛：海军航空工程学院青岛分院， 2005：7286 2 边少锋，李文魁卫星导航系统概论M北京：电子工业出版社，2005：1691 75 3 周 露，刘宝忠北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用J全球定位系统，2004，29(4)： 1216 4 杨振荣北斗导航应用进入关键阶段J中国航天，2006，(3) ：45 5 窦长江北斗导航卫星