北斗卫星导航系统在抗震救灾中的应用

1科技论文北斗卫星导航系统在抗震救灾中的应用【摘要】作为我国自主研发的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统所具有的定位、授时、短报文通讯三大功能使其能够在抗震救灾中提供可靠的定位导航和通信保障。在2008年的“汶川”地震救援中，北斗提供的定位导航与通信服务为取得抗震救灾的伟大胜利奠定了基础。本文在总结了北斗在抗震救灾中的优缺点的基础上，提出了惯性导航与北斗导航相结合的新型导航定位方式，并结合地理信息系统实现了数字地图、遥感影像的显示，数字地图的标绘，灾区信息的采集与发布等一系列功能。本文所提出的对北斗卫星导航系统的进一步开发对地震频发地区的抗震救灾工作具有重要的意义。【关键词】北斗卫星导航系统抗震救灾惯性导航系统地理信息系统1背景地震是对人类危害最严重的自然灾害之一，其发生的不可预测性和巨大的破坏性，往往会导致山体垮塌，道路损毁，造成大量的人员伤亡。我国地域广阔、地形复杂、人口密度大，地震对我国造成的危害尤为严重。据中国地震台网统计，从2012年1月1日到2015年1月1日，全球总计发生7.0级以上地震56次，5.0级以上地震522次，其中我国在2014年发生7.0级以上地震1次，5.0级以上地震30次。如何最大限度的减少灾害造成的损失，在灾害发生时进行最快速、最有效地指挥救助，已成为当今世界各国政府和专业人员面临的一个重大课题。而卫星通信作为一种现代化的通信手段，具有抗毁能力强、机动性能好、开通迅速等优势，迅速被各国应用于抗震救灾中。例如：GPS已经被许多国家和地区应用在地震救援工作中，我国也在5.12特大地震中成功的运用北斗卫星导航系统帮助抗震救灾取得了阶段性的胜利。北斗作为我国自主研发的卫星导航定位系统，具有世界上其余三个导航系统所没有的双向通信功能，它可以在地震造成通讯中断、道路损毁的情况下为抗震救灾提供可靠的导航定位和通信保障。本文在北斗卫星导航系统定位、授时、通信这三个功能基础上提出了新的应用方法，将北斗卫星导航技术和地理信息系统应用到抗震救灾中，实现了北斗为救援队伍提供准确的导航定位和实时的灾情通报，从而为取得抗震救灾的胜利奠定基础。2相关技术基础2.1北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，继美国GPS与俄罗斯GLONASS之后成为了第三个成熟的卫星导航系统，同时，北斗卫星导航系统是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统有三个主要功能，分别是快速定位，精密授时和短报文通信。其中，短报文双向通信是北斗卫星导航系统最显著的特点，同时这也是北斗领先GPS等其他卫星导航系统的一大优势。GPS等系统仅解决了用户的定位问题，而北斗卫星导航系统不仅解决了定位导航问题，还能使得用户将个人的位置信息发送给其他人，实现了用户与用户、用户与地面指挥中心之间的通信功能。下图是北斗卫星导航系统与其他导航系统的比较：2图2-1北斗卫星导航系统与其他导航系统的比较北斗卫星导航系统由空间系统、地面应用系统、工程测控系统和用户系统四部分组成。空间系统由三颗静止轨道卫星组成，地面应用系统主要负责整个系统信息的收发，工程测控系统主要负责卫星长期运行管理，卫星位置保持和修正工作，而用户系统则由用户管理中心和用户终端组成。如下图所示：图2-2北斗卫星导航系统组成发展至今日，北斗卫星导航系统在生活中的应用已遍及多个方面，如个人用户的定位、导航和授时，长途车辆、铁路运输及海洋船舶的监控调度等。值得一提的是，北斗卫星导航系统在灾害监测预警和抗震救灾方面也发挥了重要的作用。2008年“5.12”四川特大地震发生后，震区与外界失去了一切联系，中国电信、中国移动、中国联通等通信网络均被严重破坏，外界无法获知震区的受灾情3况，对救灾工作的开展产生了很大的阻力。北斗导航定位系统的有源定位模式所支持的短报文通信功能实现了灾情信息的快速上报、灾情损失的调查和快速统计，为高效抗震救灾以及科学决策提供了强有力的科技保障，在抗震救灾中发挥了独特的优势和不可替代的作用，展现了北斗卫星导航系统在抢险救灾中的应用创新与智慧。总的来说，在此次抗震救灾中，北斗实现了两大功能，一是利用短报文通信功能第一时间实现指挥调度，二是利用快速定位功能为救援直升机导航定位。本文就是在这两大功能的基础上进一步提出更有效的北斗卫星导航系统新应用方式。2.2惯性导航系统惯性导航系统（InertialNavigationSystem）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故而不受外界环境的干扰，可全天候、全时间地工作，数据更新率高、短期精度和稳定性好。但是由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差且不能给出时间信息。2.3GISGIS（GeographicInformationSystem或Geo－InformationSystem），即地理信息系统或地学信息系统，它是一种特定的十分重要的空间信息系统。GIS在计算机软、硬件系统支持下，能够对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述，其核心是用计算机处理和分析地理信息。GIS分为五个部分，分别是人员，数据，硬件，软件和过程。人员是GIS最重要的组成部分，GIS需要熟练的操作人员来克服GIS软件功能的一些不足。其余方面，数据的精确度会影响到查询和分析的结果，硬件会影响处理数据的速度，软件则是图像、数据等处理软件或程序，就过程而言，GIS要求明确定义一致的方法来生成正确的可验证的结果。嵌入式GIS是集成GIS功能的嵌入式系统产品，是GIS走近大众的一种应用方式。嵌入式GIS，即把一个优化的GIS数据引擎嵌入到设备上，具有数据精简，占用内存和CPU小，数据分析和显示表达能力强等一系列优点。本文所设计的系统运用到了基于PDA的嵌入式GIS，即在PDA上实现GIS技术，嵌入式设备PDA具有计算、电话、传真和网络等多种功能，它体积小、重量轻、便于携带、功能强大等特点更是成为了本文系统选其作为通信工具的原因。3整体设计方案本地震应急救援系统主要由动态导航和实时通信这两大模块组成。在动态导航模块中，系统考虑了两个方面，一方面是北斗卫星导航系统与惯性导航系统相4结合，另一方面是利用基于PDA的嵌入式GIS实现数字地图、遥感影像的显示。在实时通信模块中，系统提供了符号标绘功能，前方救援人员可以通过对当前位置的标绘将实时状态信息发送给后方指挥中心，由指挥中心进行信息的采集与发布，便于灾区情况的实时报道。如下图：图3-1整体设计方案4具体功能实现4.1动态导航4.1.1惯性导航系统与北斗导航系统相结合根据不同的应用要求，卫星导航与惯性导航的组合方式按组合介入深度分为三种，分别是松组合，紧组合和深组合。显而易见，深组合方式因为卫星导航能够充分利用惯性导航辅助信息这一优点成为了主流。虽说目前GPS与惯导系统结合的案例较多，但北斗系统与惯导的组合是发展趋势,此组合导航系统不依赖于GPS,具有完全的自主性,对我国国防建设具有极大的现实意义。考虑到地震灾害多发生于山区，而山区复杂地形的遮挡会极大的影响到北斗导航系统的定位导航，造成救援队伍的不便，因此不依赖于外物的惯性导航系统能够在很大程度上帮助救援队伍进行定位导航。在没有任何障碍物的情况下，北斗定位的原理如下图所示：5图4-1北斗定位原理（无障碍物遮挡）其对应的多元方程组为：[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(v1-v0)=D1（4-1）[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(v2-v0)=D2（4-2）[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(v3-v0)=D3（4-3）[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(v4-v0)=D4（4-4）式中x,y,z,v0是未知量，vi(i=1,2,3,4)表示四个卫星的钟差，c表示光速，Di(i=1,2,3,4)分别表示四个卫星到接收机的距离，均为已知量或可求得量。由这四个方程可以解出待测点的具体位置坐标(x,y,z)和接收机的钟差v0。但若有障碍物遮挡了四颗卫星中任意一颗或多颗的信号，由方程组解的不确定性可知北斗系统定位精度会大幅度下降，此时不依赖于外部信息的惯性导航系统就会派上用场。对初始位置进行矫正后，得到初始位置坐标（x0,y0,z0）,此时计算加速度对时间的两次积分，如下：x=x0+∫(vx0+∫axdt)dt(4-5)y=y0+∫(vy0+∫aydt)dt(4-6)z=z0+∫(vz0+∫azdt)dt(4-6)式中vx0,vy0,vz0分别表示三个方向的初始速度，这样就可以利用加速度求得位置变化，同时在这个过程中，行进方向也可根据陀螺仪得出。在接下来的一段时间内，救援人员在没有北斗导航定位的情况下仍能较好的获取自己的位置信息。毫无疑问，惯性导航与北斗导航相结合的组合导航方式有利于充分发挥各导航系统的优势,可以获得优于单一导航系统的性能,是目前导航系统发展的方向。同时，这种组合导航方式在抗震救灾中能够显著提升救援工作的效率。在组合导航技术真正成熟后，它在抗震救灾中的应用将会更加广泛，人民的生命财产安全也能够得到更大的保障。4.1.2数字地图与遥感影像相结合6基于PDA的嵌入式GIS具有数字地图显示和遥感影像显示这两大功能。系统将遥感影像与数字地图相互匹配、拼接，能够帮助救援队伍对当前所处位置的地理信息有所了解，从而帮助他们在救援上做出快速、有效的决策。数字地图显示、遥感影像显示如下图：图4-2数字地图显示图4-3遥感影像显示4.2实时通信4.2.1数字地图和应急符号标绘应急标绘是在地图上使用规定的带有颜色的符号标绘出抗震救灾工作情况的功能。救援人员在实施救援的过程中在PDA数字地图上实时标注当前地理位置，并以不同的符号表示不同的含义，用不同的颜色代表不同的关注等级，同步发送信息给救援指挥中心，由指挥中心的工作人员对采集到的信息进行分类和处理。指挥中心每隔一定的时间对各处救援人员的PDA数字地图进行更新，确保救援人员能够了解到实时救灾信息，以提高救援的效率。PDA上的应急符号库采用基于COM技术的组件式符号库，具有良好的灵活性和可移植性。自定义应急符号表如下：表4.1应急符号图例山体松动（或塌方）救援点人员被困堰塞湖道路通畅7救援指挥中心已经实施过救援的地点灾民安置点…………表4.2不同颜色对应的情况情况正常情况紧急需要注意4.2.2灾区信息的采集与发布与其他三大全球卫星导航定位系统相比，北斗卫星导航系统具有独特的双向通信功能，一次能够发送多达120个汉字的信息量，凭借短报文通讯和应急符号标绘功能，北斗卫星导航系统允许救援人员在通信受到严重影响的地震灾区仍能将相关信息发送给指挥中心，使指挥人员能够第一时间把握灾区情况。同时，指挥中心将采集来的信息进行筛选后同步至救援人员的手持端PDA，保证救援的实时统一性。这些筛选过后的信息也将向媒体公布，做到灾区情况实时报道。4.2.3信息查询与检索此功能作为补充功能，能支持指挥人员对所有采集来的信息进行查询和检索，实时了解当前救援工作的进展情况，帮助其做出下一步决策。同时，这些信息可以为外界媒体所获得，做到救援情况的实时报道。参考文献[1]黄维.北斗导航定位系统在抗震救灾中的应用与二次开发[D].成都理工大学.2010[2]张鸿祥.北斗卫星导航系统在测绘业中的