高校室内外一体化定位及应用实验室方案

郑州联睿电子科技有限公司2017 年 1 月无线定位与位置服务综合实验室应用方案室内外一体化定位及应用实验室郑州联睿电子科技有限公司一 背景与意义1.1无线定位实验室建设的必要性位置服务攸关国家安全、经济发展和社会民生，在新一代信息技术这一战略性新兴产业中，具有举足轻重和不可或缺的地位，在物联网、智慧地球、节能减排、救灾减灾等领域发挥着重要的基础性支撑作用。近年来，随着智能手机和移动互联网的迅速普及，人们对室内外高精度定位导航的需求呈现爆发式增长趋势。发展位置信息服务产业对于扩内需、稳增长具有重大意义，也是我国战略性新兴产业的重要组成部分。在当今信息时代，其基础性和先导性的作用十分明显，正在深刻改变着人们的生产生活方式，孕育着新的经济增长点。随着现代信息社会快速发展，行业和社会公众对创新性和综合性的时空信息服务需求日益强烈，融合移动通信、互联网技术的位置服务应用，将有力推动位置信息应用产业结构升级，释放出更加广阔的市场空间。2012 年 12 月 27 日，我国宣布北斗导航系统正式提供区域定位导航服务，定位精度为10 米，成为第三个拥有自主卫星导航系统的国家。但是由于起步晚，北斗系统面临市场占有率低、信号覆盖有限等方面的问题。在国家科技计划的支持下，室内外定位导航技术得到了极大的发展，不仅大幅度提升了我国定位领域的科技水平，还推动了位置信息服务行业的发展，满足了人们对于全时空高精度定位导航服务的需求。2015 年 5 月 6 日，863 计划地球观测与导航技术领域“城市室内外高精度定位导航关键技术与服务示范”主题项目下设全部三个课题，顺利通过了科技部组织的技术验收。该课题融合地面基站系统与北斗卫星导航系统，将北斗导航服务从室外拓展到室内环境，满足了人们对于全时空高质量位置信息服务的需求。基于课题研究成果的星地融合广域高精度位置服务关键技术获得 2014 年度国家科学技术进步奖二等奖。上海市、合肥市、湖南衡阳市政府作为合作城市，百度、京东、中电四创、中兴通讯、长虹集团、中电 24 所等单位作为合作单位都已经与北邮签署了战略合作协议。这些应用与科研成果转化，提升了我国在国际室内定位领域的科技实力，对推动社会经济发展有重大意义。随着国家的大力推广和市场的强烈需求，各行业部门、地方省市提出建设或更新原有定位系统以形成广域室内外无缝定位系统；我国各大企业纷纷支持室内外一体化定位系统的建设和应用推广，中国电信、中国联通开展了定位及服务的示范；华为、长虹、合众思壮等企业开始研究将北斗信号接入手机应用中，并已取得了良好进展，基于位置的服务市场更是快速发展，例如导航信息提供商高德软件公司 2012 年已拥有超过 1 亿手机用户，郑州联睿电子科技有限公司年增长速度超过 100%；“寻鹿 ”、 “翼周边”等多个位置服务应用平台发展十分迅速。高精度的信号催生了位置服务的更多应用开发，餐饮、电影、旅游、游戏等领域发展迅速，应用方式和规模快速成长，极大拓展了室内外导航定位的市场空间，并提供了更多的就业机会。随着位置服务与消费应用的结合，将彻底打通定位信号、位置信息、个人消费这个链条，使虚拟世界与现实世界得到更好的链接。1.2实验室建设意义随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对于定位和导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超时、图书馆、地下停车场、矿井等复杂的室内环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。室内定位时定位技术的一种，与室外定位技术相比有一定的共性，但由于室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求，是的室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这些特点是室外定位技术所不具备的。室内定位范围相对较小，因此对定位的精度要求相对而言较室外定位要求较高。室内信号微弱，且反射现象严重，故要求定位算法对各种误差的鲁棒性要强。室内定位的应用场合通常决定了定位设备简单、功耗小、计算量和通信开销也不能太大，在特殊场合还需要考虑不对室内其他设备造成干扰。相对于较早就发展起来的室外定位，室内定位则起步较晚，但通过近年来研究和努力，也有了明显的进步。尤其，2001 年的美国 911 事件，大量大楼内的工作人员和后期进入救援的消防人员由于与外界中断通信以及在室内的位置不明确而葬身火海，凸现出室内定位系统的重要性和紧迫性。自此，各国政府意识到对室内定位系统研究的重要意义，在该项目上都投入了大量的资金：其中，美国 Motorola 和 Intel 分别就室内定位系统的算法、软件和硬件设备进行开发。室内定位技术和定位算法已成为各国科技工作者研究的热点。建设基于位置信息的实训室或实验室对于学生、教师、高校都有着极大的好处和重要的科研和实践意义。1) 应用演示与理论实践相结合，培养学生学习兴趣，巩固知识，提高高校教学水平通过实际系统应用展现，可提高学生的兴趣，使之深入的学习和理解相关知识，激发其创新能力，进一步提高高校人才培养水平。2) 人才培养，提高学生实践水平，提高学生就业率 响应国家政策，正视社会需求近年来， “大学生过剩”与“技工严重缺乏”冰火两重天的反差格局，当代大学生普遍郑州联睿电子科技有限公司存在实践能力不强的问题，与社会需求不符。教育部副部长鲁昕认为，当前我国高等院校结构中，学术型大学比重过大，而应用技术型大学比重过小的现状，正是大学生就业难的根源所在。因此 2014 年，国家教育部进行全国高校改革，此次改革中，全国 600 多所地方本科院校，转型成为高级别的职业教育院校，重点培养工程师、高级技工、高素质劳动者等，适应社会需求。 行业需求决定人才需求当今社会，地震、火灾、矿难等状况频繁发生，餐饮、购物、地铁交通成为人们生活中十分重要的组成部分，这些变化引起人们对室内位置服务的需求正迅速增加。而公共安全、生产安全、应急救援、公共卫生、物联网、特殊人群监护、大型场馆管理、智慧城市建设等领域都需要使用准确的室内定位信息。因此，导航与位置服务产业有上万亿的市场空间。2009 年中国导航与位置服务用户数量达到 1650 万，同比增长 70%，2010 年用户数量增长超过 100%。2015 年导航与位置服务用户超过 5 亿，产值将超过 2 千亿元，导航与位置服务成为新的经济增长点和战略性新兴产业，增加就业人口 50 多万，同时，海外导航与位置服务用户需求也呈现快速增长趋势，我国导航产品每年数千万套地进入国际市场。因此，定位行业人才缺口巨大，急需拥有相应知识储备和实践能力的人才。 完善实验设备，提高人才培养水平高校实验室是进行实验教学、科学研究和培养创新人才的重要基地,对于培养学生的动手能力和创新能力具有重要的意义。随着大学扩招计划的推进和国家政策的引导，落后的实验设备已不能满足日益增多的高校在校学生的需求，学生的实验以及就业实训实验室都存在巨大的缺口。因此，急需建立基于位置信息的实训室和实验室。3) 紧跟国家政策和科研趋势，完善科研设备，激发科研创新随着位置信息服务的发展，越来越多的教师和学生在进行基于精准位置信息的物联网、定位技术等相关应用研究，但实验设备不完善，导致实践和理论极易脱节。科学研究是一项“站在巨人的肩上看世界”的工作，落后的实验设施使高校师生无法掌握先进的设备和技术，增加了基础技术研究的时间，无法高效地利用当代先进技术和设备进行进一步开发和拓展。而建立基于位置信息的实训室或实验室可为高校师生提供完善先进的实验室，使之在应用体验和技术培训形结合的条件下迅速掌握理论和实践知识并进一步加深理解，通过知识普及和实际操作应用，了解行业动态和发展趋势，激发其创新能力，进行进一步科研创新、科研项目申报等。郑州联睿电子科技有限公司4) 打造行业技术领先实验室，人才、科研齐发展，提高高校影响力大学通过发挥教学、科研、社会服务等三大职能，来实现它对社会政治文明、经济发展、文化繁荣、科技进步等各方面的影响力。从微观的角度分析，高校影响力主要分为学术影响力、内部管理影响力、学生影响力、社会服务影响力。某大学通过对美国哈佛大学和加州大学伯克利分销两所世界一流研究型大学的发展历程进行分析，并结合研究具有中国本土特色的北京大学、清华大学、香港科技大学的管理经验，分析总结出我国大学影响力的提升策略：增强学术影响力和管理影响力是提升大学影响力根基；促进产学研成功结合是提升大学影响力的重要途径；注重人才培养质量和管理效能是提升大学影响力的关键环节。在当今信息化时代，打造基于位置信息的实训室或实验室可在学生学习知识、实训开发，教师项目研究、信息化教学等方面提供先进的完善的集硬件、软件、培训于一体的服务，高校提升学校的人才就业率、人才培养水平和整体科研水平，进一步提升高校行业影响力和整体竞争力。5) 发挥高校科研优势，推动信息行业发展 跟踪国际水平，缩小同国外的差距，并力争在我们定位领域有所突破，推动信息行业发展，为我国的经济发展和国防安全创造条件。 培养新一代高水平的科技人才； 通过伞型辐射，带动相关方面的科学技术进步； 为我国的经济发展和国防建设奠定比较先进的技术基础，并为高技术本身的发展创造良好的条件； 把阶段性研究成果同其它推广应用计划密切衔接，迅速地转化为生产力，发挥经济效益。1.3高校现状1995 年国防科技大学卫星导航研发中心成立，隶属国防科技大学电子科学与工程学院，专业从事我国自主卫星导航定位系统的研究，是我国第二代卫星导航系统导航技术方向专家组长单位，是教育部自主卫星导航定位技术工程研究中心。2001 年，国防科技大学专门成立了卫星导航研发中心科研实体，专业从事导航科研与装备生产。在导航信号体制设计、系统运控技术、系统安全与抗干扰、高精度测量技术、系统仿真与测试技术、天线与射频、导航专用集成电路等方面具有深厚的技术积累，承担了我国自主卫星导航系统建设的多项郑州联睿电子科技有限公司重大科研任务，是导航载荷、信号体制、地面控制系统、应用系统等方面的预先研究和型号研制主承单位，突破了以北斗一号全数字快捕与接收、北斗二号关键体制、星上抗干扰、高精度测量、系统级零值测量等为代表的多项关键技术，为我国自主卫星导航系统的建设和产业化做出了重大贡献。1998 年 1 月建立的武汉大学卫星导航定位技术研究中心，以卫星定位导航及相关领域的基础理论研究、新技术的推广应用及“高精尖”人才培养为主，目标瞄准我国卫星导航系统应用与自主卫星导航系统建设的需求，充分利用武汉大学在卫星导航相关学科建设、人才培养、对外交流及基础和应用研究等方面的优势，研究与跟踪国际卫星导航系统、终端及应用服务等方面的前沿关键技术;形成了发展我国自主卫星导航系统的新技术、新方法和新应用的探索、实验与开发的基地;促进卫星导航技术与应用的高等教育，培养高素质卫星导航专业技术人才，建成了具有世界一流水平的卫星导航定位技术的研发与创新平台。北京邮电大学通信、导航与微/纳系统实验室是由邓中亮教授所领导的科研团队经过多年努力，逐步发展壮大而形成。近年来，实验室在高精度室内定位、卫星导航、WSN/WLAN/RFID、RF MEMS、多媒体与图像处理、智能通信等方向上进行了一系列深入的研究，为国民经济与国防建设做出了重要贡献。实验室每年承担国家项目、企业合作项目等各类课题十余项，目前正承担包括国家 863 项目与国防预研基金项目在内的多个项目。2011 年，依托该实验室，成立了育部卫星导航联合研究中心 -卫星导航信号体制与通信分中心。2006 年由上海市科委批准建设的上海市空间导航与定位技术重点实验室成立，该实验室利用上海天文台现有天文观测设备、相关技术和研究基础，紧密结合我台目前正在承担的探月与深空探测 VLBI 测轨工作，和导航定位系统数据处理系统与激光测距系统工作，面向国内相关领域的研究力量，在空间飞行器精密定轨关键技术研究及其应用方面提供支持，同时也对利用中国 VLBI 网（ CVN）开展 VLBI 相关领域的观测研究工作提供支持。2006 年北京航空航天大学通信导航与测试实验室成立，主要研究方向为导航定位与自动测试技术，具体包括：卫星导航技术、组合导航技术、电子设备自动测试与仿真、电子系统的健康管理技术。实验室主要承担了卫星导航原理、卫星导航接收机、组合导航技术、自动测试技术、电子测量技术等本科生、研究生和留学生的课程。实验室成立以来，共承担自然科学基金 5 项，国家 863 项目 4 项，武器装备预研基金 8 项，总装预研 5 项，空装预研 2 项，国防科工局预研课题 3 项，国防科工局重大基础研究 1 项，其它横向课题 50 余项。郑州联睿电子科技有限公司2008 年中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室成立，该实验室以高精度时间传递和信号传播研究为基础，重点开展危险导航授时及其他辅助导航授时和定时技术的研究工作。2008 年 10 月，卫星定位技术与应用重点实验室成立，其依托于东南大学 3S 技术研发中心，主要开展 3S 技术研究与理论集成、国土资源信息化技术研究、GNSS 定位设备研制。2010 年 8 月由河南省科技厅批准的由郑州轻工业学院作为实施单位的河南省“超宽带无线通信技术”院士工作站成立，该院士工作站以电子科技集团 22 所电波传播专家、郑州轻工业学院“双聘”院士张明高为带头人，主要研究与超宽带无线通信技术、信息处理、导航定位为主的相关技术，院士工作站科研团队由 17 人组成，其中院士 1 人、教授 2 人、副教授 9 人、客座教授 1 人（联睿电子科技有限公司总经理） 、讲师 4 人组成（其中博士学位 12 人） 。目前，研究方向主要包括超宽带天线设计研究、超宽带信号传播信道预测及电磁兼容问题研究、超宽带实时定位收发系统信号处理技术研究、无线传感器网络技术研究等。自院士工作站成立以来，在省科技厅和学校领导的支持以及团队成员的努力下，深入开展院士合作，发挥院士及其团队的作用，开展科研创新活动，加强科技成果转化，利用院士工作站的优势，加强和院士的交流咨询工作，促进了科研快速发展，培养了一批高素质人才，促进了学校产、学、研的有机结合，提高了学校科技创新能力，建站 3 年来，取得了一系列高水平的科研成果。同时，随着人员结构的增加及调整，进一步凝练了学科方向，形成了多个有特色的研究方向。2015 年，解放军信息工程大学、广州城市职业学院、河南工业大学分别建立超宽带定位实验室，依托于联睿电子研发的 U-Loc 厘米级实时定位系统进行研发和实训。二 定位实验室建设2.1 实验室需求现状随着社会科技化进程的加快，社会对于基于位置信息的产品和服务的需求越来越高，随之对于技术的要求越来越高，而我国定位相关技术与国际先进国家的技术水平还有一定差距，相关技术还有很大的提升空间，而相关技术的人才缺口问题也逐步凸显。因此，建立基于位置信息的实训室或实验室势在必行，其不仅能够为国家、社会培养相关技术人才，还能解决大学生普遍实践能力弱的现状，提高就业率和就业水平，并能激发新的创新课题，郑州联睿电子科技有限公司增强科研力量，提高高校整体科研水平和竞争力，缩短与国际先进技术水平之间的差距，加快我国科技化进程。因此，我公司为以下相关专业（图 2.1）提供了几类实训室或实验室，以供高校选择。地理信息类地球物理学类电子信息类自动化类计算机类电气类测绘类土木类交通运输类其他测控技术与仪器 、消防工程 、 安全工程 、 水利水电工程等交通运输 、 交通工程 、 飞行技术测绘工程 、 遥感科学与技术 、 建筑电气与智能化计算机科学与技术 、软件工程 、 网络工程 、 物联网工程 、 数字媒体技术电子信息工程 、 电子科学与技术 、 信息工程 、微电子科学与工程 、 光电信息科学与工程地球物理学 、 空间科学与技术地理科学 、 地理信息科学自动化类电气类电气工程及其自动化 、 自动化图 2.1 实验室建设相关专业2.2实验室建设目标从学生就业发展出发，实验室应该着重提高学生的动手能力，以探索性、设计性实验及工程训练为主，突出学生创新能力和实践能力的培养，对应的培养模式应是“宽口径、厚基础、重实践、求创新” ；从科学研究出发，实验室应以“高领先、高完善、高潜力”为主；从学校发展出发，应考虑实验室的行业先进性、影响力、发展潜力和空间以及对学生培养的有利性。因此，基于室内外位置数据的实时视频分析与处理实验室的建设目标应该是：1 满足课程规划的教学需求；2 满足行业应用的实训需求； 3 满足科研创新的环境需求。郑州联睿电子科技有限公司这些目标可体现在实验室建设的具体需求中：1、实现教学的可视化，直观化，仪器化，云计算化。基于室内外定位的分析、开发和研究涉及复杂的有线和无线通讯环节，离不开对各种信号波形的分析，测量观察，也离不开对各种通讯协议的分析和观察，依靠先进的设备仪器，可实现教学的可视化，直观化，仪器化，是降低知识点教学门槛和提高教学质量的关键，也是国外高校实施电子信息，嵌入式，互联网教学的主要手段。2、实验实践环境多样化，满足课程规划的教学需求。让参与学习的学生能够一边学习理论知识，一边认识了解和掌握实验设备的结构、功能和使用方法，通过一系列的验证型、演示型、自主设计型、综合型和创新型实验，使学生掌握先进的实验技能，强化对所学知识的理解，以培养学生的动手能力、工程实践能力、创新能力和团队协作精神。3、体现实际应用案例，满足行业应用的实训需求实验室应有多样化的实训平台，这些实训平台应和实际场景或实际产品应该非常接近，能够体现生产生活中各方面的真实应用案例，为学生提供具有真实应用场景的实训系统，在此系统上综合运用各个课程的知识点，实现所学知识的综合运用、融会贯通的目的，培养具有项目设计能力高科技人才。4、体现最新技术体系，满足科研创新需求实验室应综合体现最新技术点，满足专业教师学习和从事数据分析、物联网等技术研究和应用系统开发的需要。实验室应涵盖目前主流的定位测量技术和设备，具有良好的可扩展性，具有一定的前瞻性。要求系统能够模拟先进的应用环境，实验设备和实验内容应能非常灵活地进行扩展，从而为专业教师研究当前网络最前沿的技术动态和发展提供完善的实验平台，并能在此平台之上从事定位技术、物联网等应用系统的研发，提高学校整体科研与教学应用水平。2.3实验室建设原则实验室承担着一个院系甚至多个院系的学生培养工作，作为教师项目科研基地，其设计原则的正确性和先进性是至关重要的。本实验室建设遵循以下建设原则：1、全面性实验室所装备的教学实验设备、建立的课程体系需要具有全面性，覆盖从数据采集、郑州联睿电子科技有限公司场地测量、定位设备布设方案设计、定