卫星导航系统与红外遥感技术结合在野生动物保护方面的应用Word文档格式.docx
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二、卫星导航系统
1、概念
卫星导航系统，就是“全球卫星导航系统”。
主要采用最新的GPS技术在导航通讯领域的应用的系统。
是利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。
2、优点
卫星导航系统综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。
特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。
3、组成
（1）导航卫星：
卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。
（2）地面台站：
跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。
跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。
遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。
计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由注入站向卫星发送。
（3）用户定位设备：
通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。
它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。
用户定位设备分为船载、机载、车载和单人背负等多种型式。
4、几何定位原理
卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。
（1）多普勒测速定位
“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。
用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线，根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置
（2）时间测距导航定位
“导航星”全球定位系统采用这种体制。
用户接收设备精确测量由系统中4颗卫星发来信号的传播时间，然后完成一组包括4个方程式的模型数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。
5、定位精度
用户利用导航卫星所测得的自身地理位置坐标与其真实的地理位置坐标之差称定位误差，它是卫星导航系统最重要的性能指标。
定位精度主要决定于轨道预报精度、导航参数测量精度及其几何放大系数和用户动态特性测量精度。
轨道预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响；
导航参数测量精度主要受卫星和用户设备性能、信号在电离层、对流层折射和多路径等误差因素影响，它的几何放大系数由定位期间卫星与用户位置之间的几何关系图形决定；
用户的动态特性测量精度是指用户在定位期间的航向、航速和天线高度测量精度。
三、红外线系统
1、定义
自然界中,
一切温度高于绝对零度摄氏-273.16
的物体都不断地辐射着红外线,
这种现象称为热辐射。
红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射，是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间～1000微米）。
通常按波长把红外光谱分成4个波段:
近红外（～3微米）、中红外（3～6微米）、中远红外（6～20微米）和远红外（20～1000微米）。
2、工作原理
一切物体都有其自身的红外辐射特性。
为研究各种不同物体的红外辐射，人们用理想辐射体——绝对黑体（简称黑体）作基准。
能吸收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。
良好的吸收体必然也是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高，其比辐射率定为1。
任何实际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比,称为该物体的比辐射率，其值总是小于1。
物体的比辐射率，与物体的材料种类、表面特性、温度、波长等因素有关。
黑体的辐射特性可用普朗克定律描述，该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。
对某一温度，辐射量最大的波长与其温度的乘积为常数，这个关系称维恩定律（适用于在温度较低，波长较短的范围内）。
对所有波长积分所得到的总辐射量与温度的四次方成正比，这个关系称为斯蒂芬－玻尔兹曼定律。
物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学系统。
由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程度的衰减。
人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。
在～20微米波段内有3个大气窗口:
1～微米,3～5微米，8～14微米。
目前红外系统所使用的波段，大都限于上述大气窗口之中（大气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关）。
由于红外系统所探测的目标处于各自的特定背景之中，从而使探测过程复杂化。
因此，在设计红外系统时，不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应，还要采用抑制背景技术，以提高红外系统探测和识别目标的能力。
3、分类
红外系统按工作原理，可分为主动式和被动式两类。
主动式系统需自带红外光源照射目标；
被动式系统则直接探测目标的红外辐射。
后者是占主导地位的目前是军用红外系统，如热成像系统、搜索跟踪系统、红外辐射计和警戒系统等。
4、红外线热成像仪原理及特点
红外热成像仪是根据凡是高于一切绝对零度（-273.15℃）以上的物体都有辐射红外线的基本原理、利用目标和背景自身辐射红外线的差异来发现和识别目标的仪器。
由于各种物体红外线辐射强度不同、从而使人、动物、车辆、飞机等清晰地被观察到，而且不受烟、雾及树木等障碍物的影响，白天和夜晚都能工作。
图1：
红外成像部分温度与颜色的关系
四、应用
1、制裁偷猎
（1）对藏羚羊的残忍猎杀
任何的美丽都需要或多或少的代价甚至牺牲来成就，这是—个规律。
“沙图什”也不例外，外表的绚美和华丽下隐匿了盗猎者对藏羚羊的罪恶，而触觉的温暖和柔软则使藏羚羊种群的危险处境变得日渐模糊。
昂贵的价格包含了诱人的暴利，而暴利则使偷猎者对藏羚羊的捕猎和屠杀变得有恃无恐、明火执仗。
偷猎分子也由过去的偷偷摸摸的单兵作战发展到现在的装备精良、分工明确、集体行动。
被猎杀的藏羚羊
（2）对猎杀行为的制裁
传统的制裁方法是公安人员或保护者驱车在保护区巡逻，发现可疑人物或偷猎行为再进行制裁。
由于保护区面积比较大，巡逻的方法很难及时知道何地在进行偷猎，往往是保护者发现时，面前已经是一片残骸。
而且保护工作还有一个难题，就是保护者的安全问题，为了逃避法律的制裁，盗猎分子形成了一个不成文的规矩，遇到公安巡逻人员，一律杀人灭口。
虽然有关部门加强管理，严惩偷猎，严格执行国家颁布的《野生动物保护法》和各项保护野生动物法规，采取有力措施制止偷猎行为，坚决查处和打击各种偷猎、走私和贩运国家保护动物的犯罪分子，实行对濒危动物的重点保护，但是由于野生动物分布广阔，对于偷猎行为的及时发现与制裁就显得有些困难了。
这就需要一套合理的系统将保护区缩小化、方便化，即卫星导航系统与红外遥感技术的结合。
该系统利用红外遥感对野生动物保护区进行主动式探测，将所成影像传回保护区终端控制室，全天候了解保护区各地野生动物的生活情况，若发现有异常情况（如图2—图4），如偷猎者进行猎杀行为，放大影像确认后将偷猎者位置传给保护工作者，由卫星导航系统指引工作者前往目的地进行制裁。
利用该系统，能够更快发现，更快制裁，使保护者目的盲目性降到了最低，大大提高了对野生动物的保护力度。
而且保护者及公安人员能够了解偷猎人员的情况（如规模等），能够提前做好准备（如人员配备，枪支弹药的配备等），这样就能最大程度减小保护者的伤亡，为制裁猎杀做最好的准备。
图2：
模拟红外成像中藏羚羊被猎杀一
图3：
模拟红外成像中藏羚羊被猎杀二
图4：
模拟红外成像中藏羚羊被猎杀三
2、生活环境监测
保护濒危动物的生存环境、取食区域、繁殖条件、求偶或迁徙通道，是恢复濒危动物种群的重点工作。
例如对水污染的监测是保护海洋生物及开展相关工作的一大重要途径：
（1）利用红外扫描仪监视石油污染
全球每年排入海洋的石油及其制品高达1000万吨，利用多光谱航片可对海面石油污染进行半定量分析，将彩色航片同步拍照与近红外片做的彩色密度分割图相比较，更精密地判断和解译信息，参照图片画出不同油膜厚度的大致分级图。
通过彩色密度分割图像，特别是数字密度分割图，可以更准确地判断油量的分布情况。
通过彩色密度分割可把相差零点零几厚度的海面油膜区分出层次来，这有利于用航空遥感对海面油的扩散分布和半定量研究。
浓度大的地方是黄色，往外扩散的油膜变薄，呈黄紫混在一起的颜色，再往外扩散的油膜就更薄些呈紫色。
通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析，确定油膜的漂移方向，计算出其扩散速度和扩散面积。
图5：
模拟红外扫描仪对海洋石油污染的监测
（2）应用红外扫描仪监测水体热污染
应用红外扫描仪记录水体的热辐射能量，真实反映其温度差异。
在热红外图像上，热水温度高，辐射能量多，呈浅色调。
冷水和冰辐射能量少，呈深色调。
热排水口处通常呈白色羽流，利用光学技术和计算机对热图像作密度分割，根据少量的同步实测水温，画出水体等温线。
当监测到部分水体污染已经威胁到海洋生物的生存时，工作人员可利用卫星导航系统到该地进行治理，以保障海洋生物的正常生存环境。
五、展望
随着经济水平及人民生活水平的提高，人们不再是单纯地考虑物质生活方面的东西，而更多考虑的是精神方面的宝贵财富。
野生动物作为地球家族的一员，承载着地球演变的历史，我们人类作为高等动物，理应在发展自己的同时，保护这些数量减少甚至濒危的野生动物。
随着国家以及公民对野生动物保护重视程度的逐渐加大，保护野生动物就会成为国民素质以及国家形象的象征，相信濒危野生动物种类增加的速率会在我们人类愈来愈多的重视下有很大幅度的减少。
未来的野生动物保护工作，不仅要靠人类的决心与奉献，更多的应该是应用高科技保护技术来提高保护工作的效率。
相信在不久的将来，卫星导航系统以及红外线遥感技术一定会对野生动物的保护起到积极重要的作用。
参考文献
[1]周立伟.目标探测与识别.北京理工大学出版社，2004
[2]中国濒危动物保护现状
科技小论文
关于车辆自动驾驶的探究
张然、朱锐、赵群
李兆凯
（江苏省扬州中学扬州225009）
【内容摘要】本系统建立在沃尔沃XC60的自动刹车基础上……厂家应考虑将GPS系统与车辆的自动刹车系统相结合……每辆车的车载GPS可以判断出本车与前车的距离、本车速度以及本车与前车的相对速度。
在某一阀值时便可采取自动刹车，防止追尾现象的发生……首车必须能识别红绿灯，后车则可以通过检测本车与前车的距离……从而间接识别红绿灯……别人无法远程恶意控制车辆。
GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球卫星定位系统）的简称。
中国北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem）：
是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。
该系统的建设将形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。
2003年我国北斗一号建成并开通运行，不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。
去年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。
北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的定位系统。
【1】一旦该网络建立GPS的定位精度将会在10米以内。
同时，地面也应设置位置基站（可使用已建成的基站）。
这样，车载GPS系统可从卫星与基站两方面同时受到定位信息，定位精度将小于5cm，同时使用地面位置基站提供的时间，这将比直接从卫星传输的时间更准确。
本系统建立在沃尔沃XC60的自动刹车基础上，XC60可以在时速30km/h以下行时利用红外线检测本车与前方物体的距离，如果距离过小将采取自动刹车的措施以防追尾。
但该系统仅能防止轻微的追尾事件。
如果追尾发生在高速公路上，时速远超过30km/h则该系统就不能有效防止追尾。
为了弥补这一缺点，我认为，厂家应考虑将GPS系统与自动刹车系统结合。
每辆汽车应配有可接受地面位置基站与卫星信号的GPS系统，这样每辆汽车的位置都能被准确地标记出来。
每辆车的GPS便可以判断出本车与前车的距离、本车的速度以及本车与前车的相对速度。
在某一阀值时便可采取自动刹车，防止追尾现象的发生。
在城市错综复杂甚至立体的公路上实现自动驾驶则必须依靠三维坐标，即海拔以及球面坐标，而不仅仅是球面坐标。
因为有可能当自动刹车系统从平面图像看上去AB两辆车即将相撞，可是实际上A车在立交桥上而B车却在隧道里，只不过隧道与立交桥在平面上的投影有一个相交的区域。
这时，自动刹车系统将会误动作。
如此一来只要立交桥与隧道、普通马路相交的地方便会出现大量车因自动刹车系统误动作而停下的车辆，城市交通将会瘫痪。
为解决这一缺陷，车辆必须使用气压式高度计这种高度计原理简单：
假设密度随高度均匀下降，海平面处h=0，ρ=ρ0，大气层外边界处h=r（大气层厚度），ρ=0，故有ρ=ρ0（h0-h）/h0，则海拔h处的大气压是对h0到h处的大气质量求和，因为是线性关系，用等差数列的知识就可以求出海拔h处的大气压应为P（h）=ρ0（h0-h）^2/（2h0），而海平面处的标准大气压P0和空气密度ρ0均是已知的，取P0=100kPa，空气密度ρ0=1kg/m^3,可由此算出h0=20000米，于是海拔高度的表达式应修正为h=h0-√（P/P0）
【2】。
基准值P0可由距离该车最近的基站给出，若基站所在平面不是海平面，则基站可由本站测得的气压Px与该站与海平面的高度差△h算出P0。
这样便可以准确的定位车辆所处的三维位置。
同时，车载电脑经过适当的估算，可分辨出本车是否处于立交桥上或隧道里。
如此一来，不在同一平面内的车辆将不会因水平投影在同一点而被误认为“撞车”从而启动自动刹车系统。
在城市中行车，不可避免的会遇见红灯。
首车必须能够识别红绿灯，后车则可通过检测与前车的距离，当距离过小时自动刹车，从而间接识别红绿灯。
而车辆如何自动识别红绿灯而做出相应的反应呢？
在这里我提出两个解决方法：
1、在汽车上加装摄像头。
类似于人类开车，摄像头会拍摄下行车前方的画面，利用目标检测（objectdetection），主要使用一下两步：
1）先对红绿灯的形状、三盏灯的排列方式等进行概率统计，从而知道该对象的一些特征，建立起目标检测模型。
2）用得到的模型来匹配输入的图像，如果有匹配则进入下一环节，否则什么也不做。
3）目标定位完成后识别目标的颜色，可使用GRB（255,255,255）模式识别。
当R所对应的值超过阀值，且G与B的值小于另一阀值时便可判断红灯已经亮起。
2、在红绿灯上安装红外激光信号发射器，发射本路信号灯状态，车辆可直接使用测距用红外线接收器接受该信号。
使用激光主要因为激光良好的定向性，以及稳定性，一束激光只控制一个方向，不会造成十字路口四个方向的信号相互干扰；
同时也不易像电磁波一样容易被其它信号所干扰。
当确认红灯亮起时再检测本车是否已过停车线，如果已过停车线则加速通过该路口，如果未过停车线则在停车线前减速至停止。
我们认为方案1对摄像头的分辨率以及红绿灯的形态、发光纯度要求较高，如果有一红绿灯红色光不够纯，期间掺杂有其他色光将可能降低车辆对红灯的识别率。
有人可能会想：
“如果别人利用该技术恶意远程控制我的车辆或截获我的车辆的位置信息怎么办？
”这时不必担心的。
首先，所有的GPS信号都必须通过加密，且密钥各不相同，一辆车只能破解一个密钥。
同时，车主可以自由选择是否自动驾驶。
甚至，当车主怀疑自己的车辆被别人恶意控制后，可通过切断自动驾驶系统电源的方法，强行切换至手动驾驶。
所以，别人无法远程恶意控制车辆。
[1]…………XX百科《GPS》2011-2-16
[2]…………XX百科《高度计》2011-2-16
科技项目建议书
基于GNSS定位的大熊猫保护动态监控系统
——大熊猫基地的数字化
张子轩，戴启鸿，常奇，朱思岳
韩健，崔晨昱
（北师大二附中，北京西城100088）
【内容摘要】：
本建议书旨在针对大熊猫研究基地或大熊猫自然保护区建立一个动态目标监控系统，结合全球导航卫星系统（GNSS），地理信息系统（GIS），移动通信技术（GPRS）等技术于一体，实现全天候大熊猫动态监控。
由大熊猫佩戴内置GNSS接收模块和GPRS通信模块的定位项圈，监控中心定时接收定位项圈发送回来的大熊猫位置、速度、温度等信息，存入数据库，同时通过电子地图时时动态显示。
该系统能够实现对大熊猫的准确定位，实时监测。
有助于科学家研究大熊猫的生活习性，实现管理人员对大熊猫的跟踪寻址，安全防护、快速救助，甚至可以通过互联网向得到授权的全世界关心大熊猫的人士发布信息。
【关键词】：
全球导航卫星系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）、移动通信技术（GPRS）、大熊猫
一．项目背景
大熊猫是我国的国宝动物，是人类宝贵的自然遗产。
从已经发现的化石看，在漫长的历史发展过程中，大熊猫的发展经历了始发期，成长期，鼎盛期，近几十年来由于人类对自然环境的破坏及对大熊猫的非法捕杀，使得大熊猫的数量急剧减少，已开始进入衰败期。
大熊猫已经成为世界上最珍贵的濒危物种之一。
据估计，全世界野生的大熊猫仅存1590只左右。
大熊猫以稀少的数量侥幸存世的局面而引起了人们的深切忧虑和关注，它们未来的命运也就牵动着亿万人们的心弦。
在这种严峻的形势面前，中国政府和人民以及有关国际组织、科学团体都在积极地投入对大熊猫的保护和科学研究工作。
如何保护野生大熊猫，对它们的日常生活进行有效的监管和救助，已经引起世界各国的普遍重视。
1．项目研究的目的意义
由于条件所限，监测和救助设备缺乏，长期以来，基地人员仅靠对大熊猫足迹以及残留物进行追踪和观察，救助效率很低。
大熊猫基地数字化建设的项目应运而生，该系统结合全球导航卫星系统（GNSS），地理信息系统（GIS），移动通信技术（GPRS）等技术于一体，实现了科研人员对大熊猫的数字化管理，实时监控每只大熊猫的状态，对大熊猫的救助、防盗猎有着积极的作用。
2020年，当我国的北斗二代卫星导航系统开始运行后，该系统可以专门基于北斗系统，将更加具有中国特色和自主知识产权。
基地数字化建设有助于科学家进一步了解大熊猫的生活习性生活规律，对加快中国实施人工圈养大熊猫野外放归的目标提供良好的借鉴和经验积累。
进而实施野外大熊猫的监测与巡护体系，监测大熊猫种群和栖息地的动态变化，并将这一体系逐步标准化，为相关部门开展大熊猫保护提供参考。
监控中心建立大熊猫的电子档案，将每天监测到的熊猫状态，活动范围等数据进行日程化管理，这些信息定期上传到监控中心网站，使全球关心大熊猫的人士也能够获得相关信息。
网站可以开展公开宣传、认养大熊猫等商务活动，筹集大熊猫保护基金，让全世界更多的人了解大熊猫关注大熊猫，投入到保护大熊猫的活动中来，使大熊猫能摆脱濒危的境地，得以永续繁衍，与人共存。
2.本项目研究达到的科技水平
大熊猫基地的数字化建设，也就是在熊猫基地中建立动态监控系统。
该系统包括定位项圈，监控中心两部分。
大熊猫佩戴内置GNSS接收模块和GPRS通信模块的定位项圈，定位项圈接收GNSS卫星信号，计算出大熊猫所处的地理位置坐标，速度，运动方向等信息，连同温度芯片检测的大熊猫自身温度信息一起打包，按通信协议通过GPRS网络发送到监控中心。
监控中心通过GPRS网络接收到该定位信息经处理后，与系统的电子地图匹配，在地图上实时显示大熊猫的当前运动位置及活动情况，使监控中心能够清楚和直观的掌握大熊猫的动态位置信息，进而对其进行相应的监控和管理。
同时把需要记录的有用信息存储在数据库中以备查询。
监控中心建立的大熊猫个性化档案，将每天监测的熊猫状态，活动范围等数据进行日程化管理，这些信息定期上传到监控中心网站上，大熊猫粉丝可以通过网站了解每只大熊猫的生活习性，并对自己喜欢的大熊猫进行认领和关注。
3．应用推广前景
目前中国已经开辟了62处大熊猫自然保护区。
已建立野生动物救护繁育基地250多处，建立各级自然保护区2538个。
动态监控系统在本项目中应用取得卓越成果后，推广到这些动物保护区中，将对国内保护动物的措施作出积极的贡献。
基于该系统的便利、丰富的信息发布能力，提供给全球得到授权的关心人士，进而可以支持实现领养、研究、保护、娱乐等工作，来获取更多的大熊猫保护基金和研究经费，支持本系统的运行。
二．研究内容和目标
1．主要研究内容
大熊猫基地数字化建设涉及的相关技术有全球导航卫星系统（GNSS），地理信息系统（GIS），移动通信技术（GPRS）。
1）全球导航卫星系统（GNSS）
GNSS是GlobalNavigationSatelliteSystem的缩写。
也就是全球导航卫星系统。
目前GNSS包括美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，中国的
图1是北斗二代系统示意图，将在2020年覆盖全球
Compass，欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目达到100颗以上。
还包括相关的增强系统，如美国的WASS（广域增强系统），欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能卫星增强系统）。
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