第二届北斗杯全国青少年科技创新大赛优秀作品一等.docx
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第二届北斗杯全国青少年科技创新大赛优秀作品一等
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”——203118
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（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，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11h45min，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（2007BAH12B06）》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。
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:
00-13:
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PDA的电量。
因此，拟根据PDA搜星状态与进展，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
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30s，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。
图2心跳搜星策略示意图
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，则心跳程序只在PDA电源键被按下，使WindowsMobile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2min、休息时间设为8min，在1h内，将搜星6次，总计耗费12min的时间进行卫星搜索。
如果不采用该策略，则将耗费1h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（温启动）的时间一般为40～50s，因此将“搜星时间”设为大于1min即可。
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=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1h内，心跳程序将进行6次卫星搜索，该过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：
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[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:
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SPRINGRC2.4GHz六通道遥控器；
接收机为SPRINGRC2.4GHz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：
①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；
②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；
③加装尾轴管，尾轴，螺旋桨，舵等设备到船模上；
④固定动力装置和遥控设备到船上；
⑤整体调试；
⑥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10LPC2013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（大学组）
科幻小文章
“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,储量出现负增长的矿种已增至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
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