一種適用于水上漂浮目標(biāo)的北斗信標(biāo)機(jī)

王嘉鑫

(大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

0 引 言

潛標(biāo)與浮標(biāo)是海上的主要試驗(yàn)設(shè)備，浮標(biāo)工作在水面，潛標(biāo)位于水下一定深度，通常配備有重塊和浮體，當(dāng)需要回收時(shí)，通過(guò)釋放重塊，依靠浮體浮力上浮到水面進(jìn)行回收。設(shè)備浮在水面上時(shí)，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備丟失，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

由于海上試驗(yàn)條件復(fù)雜，目視查找距離近，受天氣、海況影響大，目前一般使用信標(biāo)機(jī)進(jìn)行定位，常用的信標(biāo)機(jī)是通過(guò)GPS(全球定位系統(tǒng))獲取定位信息，再經(jīng)無(wú)線數(shù)傳模塊或GPRS(通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))傳輸定位信息，作業(yè)人員通過(guò)接收端判斷目標(biāo)方位。但這2種無(wú)線通信方式都存在一些缺陷，無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸距離有限，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，在海上距海岸一定距離(一般港口為50 km)以外無(wú)法取得信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)一種能夠更可靠、更安全傳輸位置信號(hào)的信標(biāo)機(jī)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有快速定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)三大功能[1]。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種北斗信標(biāo)機(jī)，可與試驗(yàn)設(shè)備捆綁使用，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備漂浮在水面時(shí)作業(yè)人員可通過(guò)接收裝置迅速進(jìn)行定位，保障設(shè)備安全。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)組成

北斗信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)由信標(biāo)機(jī)、接收裝置、定位軟件組成。其中信標(biāo)機(jī)由電源模塊、北斗模塊、控制模塊、壓力感應(yīng)模塊組成；接收裝置由電源模塊、北斗模塊、計(jì)算機(jī)組成；定位軟件由目標(biāo)示位系統(tǒng)和聲提示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 北斗信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)組成Fig.1 The system structure of Beidou satellite beacon

1.2 技術(shù)指標(biāo)

北斗信標(biāo)機(jī)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 信標(biāo)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 系統(tǒng)工作原理

信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)成與浮體捆綁，如浮體為浮球可將信標(biāo)機(jī)與浮體進(jìn)行集成，使用可充電式鋰電池作為電源。信標(biāo)機(jī)通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換為各部分電路所需供電電壓，控制模塊采用低功耗電路，使用壓力傳感器作為壓力開關(guān)感應(yīng)水壓變化，設(shè)備上浮之后水壓變小，信標(biāo)機(jī)上電并開始工作。信標(biāo)機(jī)每隔一定時(shí)間啟動(dòng)北斗模塊獲得定位信息并通過(guò)短報(bào)文數(shù)據(jù)通信將設(shè)備的坐標(biāo)位置向接收裝置發(fā)送，接收裝置通過(guò)定位軟件接收到目標(biāo)信號(hào)后，發(fā)出聲信號(hào)報(bào)告，軟件能夠指示接收裝置與目標(biāo)之間的相對(duì)位置和距離，作業(yè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定回收方案。

2 系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)主要由北斗模塊及天線、控制模塊、電源模塊、壓力傳感器、水密殼體組成。北斗模塊采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的一款集北斗和GPS于一體的小型化北斗模塊。該模塊集成度高、功耗低，可實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)速功能和短報(bào)文通信功能，定位精度5 m CEP，定位時(shí)間小于37 s，數(shù)據(jù)輸出速率1 Hz，尺寸約為60×50×15 mm，天線選用北斗手持機(jī)用小型天線，尺寸約為45×45×15 mm，實(shí)物如圖2與圖3所示。北斗模塊提供兩路3.3 V TTL電平串行接口與控制模塊連接，為達(dá)到長(zhǎng)期值守過(guò)程中功耗低的要求，控制模塊選用TI公司超低功耗微控制器MSP430F169。該控制器內(nèi)部有2個(gè)UART異步串行通信接口，波特率由低頻時(shí)鐘輸入源及波特率寄存器產(chǎn)生[1]，開啟串口待機(jī)模式下功耗僅0.5 mA，同時(shí)MSP430微控制器工作電壓為3.3 V，可與北斗模塊串口相匹配，無(wú)需其他外圍電路，可有效減小電路模塊體積。接收裝置與計(jì)算機(jī)通信采用MAX3221芯片完成接口電平的轉(zhuǎn)換。

圖2 北斗天線Fig.2 Beidou antenna

圖3 北斗模塊Fig.3 Beidou module

信標(biāo)機(jī)電源部分采用可充電鋰電池組供電，電池電壓為12 V，通過(guò)電源模塊將電池電壓轉(zhuǎn)換為各部分電路所需的正常工作電壓，滿足工作要求。MSP430微控制器的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3 V，可通過(guò)HT7133芯片將電源電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。北斗模塊正常工作電壓范圍為4.9～5.2 V，接收電流280 mA，最大發(fā)射電流3 A，要求峰間波紋電壓最大100 mV，可通過(guò)TI公司的DC-DC模塊LMZ12003進(jìn)行電源電壓轉(zhuǎn)換，該電源模塊可將7.5～20 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V，輸出電流3 A時(shí)效率大于85%，輸出電壓紋波8 mV，滿足使用要求，同時(shí)該模塊具有使能腳，在發(fā)射信號(hào)后的間歇期可通過(guò)微控制器控制使能腳對(duì)北斗模塊進(jìn)行掉電以節(jié)省功耗。為避免在北斗模塊掉電時(shí)，控制器串口對(duì)其產(chǎn)生影響，采用二極管進(jìn)行隔離。

信標(biāo)機(jī)外殼采用水密耐壓設(shè)計(jì)，努力做到結(jié)構(gòu)緊湊，減小體積。為保證信標(biāo)機(jī)與北斗衛(wèi)星良好的通訊效果，信標(biāo)外殼應(yīng)選用透波材料，在信標(biāo)機(jī)露出水面時(shí)，天線應(yīng)在信標(biāo)機(jī)頂端，與衛(wèi)星之間無(wú)遮擋。圖4為信標(biāo)機(jī)內(nèi)部安裝示意圖。

圖4 信標(biāo)機(jī)(本圖為浮球)內(nèi)部安裝組成Fig.4 The internal installation structure of beacon(this picture shows the float)

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

海上試驗(yàn)時(shí)往往需要多個(gè)設(shè)備同時(shí)入水，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)為每個(gè)信標(biāo)機(jī)分配不同編碼加以區(qū)分，寫入控制模塊內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器中。信標(biāo)機(jī)軟件流程如圖5所示。當(dāng)信標(biāo)機(jī)跟隨設(shè)備上浮至水面后，信標(biāo)機(jī)上電并開始工作?？刂颇K控制電源模塊使北斗模塊上電，接收北斗定位信息，北斗定位信息數(shù)據(jù)格式為NMEA0183數(shù)據(jù)語(yǔ)句，由于在本系統(tǒng)中更關(guān)心設(shè)備的位置信息，因此控制模塊只讀取其中包含經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息的GPRMC(推薦定位信息)語(yǔ)句，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低功耗。GPRMC數(shù)據(jù)格式如表2所示。

圖5 信標(biāo)機(jī)軟件流程Fig.5 The software flow chart of beacon

＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>?hh<1>UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位<3>緯度ddmmmmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)<4>緯度半球N(北半球)或S(南半球)<5>經(jīng)度dddmmmmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)<6>經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))<7>地面速率(0000～9999kn，前面的0也將被傳輸)<8>地面航向(0000～3599°，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸)<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式<10>磁偏角(0000～1800°，前面的0也將被傳輸)<11>磁偏角方向，E(東)或W(西)<12>模式指示，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效

MSP430微控制器的功耗可以通過(guò)開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制，在通常情況下，根據(jù)需要使用軟件將微控制器設(shè)定到低功耗工作模式下，在串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)使用中斷將微控制器從低功耗模式中喚醒，利用主程序判別，當(dāng)接收到字符串為“MYMGPRMC”時(shí)，記錄接下來(lái)的數(shù)據(jù)信息并分析，如果數(shù)據(jù)定位狀態(tài)字符為“A”(有效定位)，判定該組數(shù)據(jù)有效，通過(guò)短報(bào)文向接收裝置進(jìn)行發(fā)送，短報(bào)文的內(nèi)容應(yīng)包括該北斗信標(biāo)機(jī)編號(hào)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、時(shí)間信息，根據(jù)需要可將信息經(jīng)加密處理后傳輸。另外在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由于信道的干擾可能會(huì)造成誤碼，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在本系統(tǒng)中采用CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))校驗(yàn)算法，在數(shù)據(jù)發(fā)送端計(jì)算得到發(fā)送時(shí)的CRC值，并將該值填充到數(shù)據(jù)幀中，在接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀計(jì)算CRC的值，并將計(jì)算得到的值與接收到來(lái)自發(fā)送端的CRC值進(jìn)行比較，如果2個(gè)值一致則數(shù)據(jù)正確。由于北斗衛(wèi)星通信時(shí)間間隔長(zhǎng)，二類民用用戶連續(xù)2次通信需要至少1 min的時(shí)間間隔，北斗模塊功耗又相對(duì)較大，因此信標(biāo)機(jī)采用間歇工作模式，在發(fā)送位置信息后關(guān)斷北斗模塊電源，在一定時(shí)間后再啟動(dòng)北斗模塊重新定位。

定位軟件使用Microsoft Visual Studio 2008編寫，軟件通過(guò)RS232口接收數(shù)據(jù)，通過(guò)定位算法，以接收裝置(如搜索船)為中心，采用網(wǎng)狀框圖，將目標(biāo)顯示在搜索船周圍。定位軟件通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)蜂鳴聲，實(shí)現(xiàn)聲報(bào)警功能；不同信標(biāo)機(jī)發(fā)出不同的區(qū)分碼，定位軟件以此區(qū)分目標(biāo)，定位軟件界面如圖6所示。

圖6 定位軟件界面Fig.6 Positioning software interface

3 相關(guān)試驗(yàn)

研制過(guò)程中，在某海域進(jìn)行該系統(tǒng)樣機(jī)的海上驗(yàn)證試驗(yàn)。天氣狀況：3級(jí)海況，北風(fēng)，風(fēng)速局部5～6級(jí)，有霧。

試驗(yàn)內(nèi)容如下：

1)浮體沉入水下，上浮后5 min之內(nèi)收到信號(hào)，在水面上漂浮時(shí)天線向上，設(shè)備在水面搖擺，隨著波浪起伏。在此過(guò)程中，信號(hào)無(wú)中斷，試驗(yàn)狀態(tài)與工作狀態(tài)相符。

2)在不大于3級(jí)海況情況下，浮體在海浪中漂浮，能夠收到穩(wěn)定、連續(xù)的信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 信標(biāo)機(jī)樣機(jī)水中狀態(tài)Fig.7 Prototype state in water

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，信標(biāo)機(jī)能夠適應(yīng)3級(jí)海況的工作需求，在風(fēng)浪中漂浮，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。使用正常，滿足使用要求。

本系統(tǒng)研制屬實(shí)用技術(shù)研究，具有功耗低，體積小，不受傳輸距離限制的特點(diǎn)。此次研制包括北斗定位、通信技術(shù)和低功耗微控制器的研究，完成了信標(biāo)機(jī)及接收裝置的硬件設(shè)計(jì)和定位軟件編寫，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。將信標(biāo)機(jī)與試驗(yàn)設(shè)備捆綁使用，當(dāng)試驗(yàn)設(shè)備露出水面后，能迅速判定方位，保障設(shè)備的安全，有效地減少不必要的損失，具有重要意義。

[1] 黎明,時(shí)海勇.基于北斗衛(wèi)星的大型海洋浮標(biāo)通信機(jī)制研究[J].海洋技術(shù),2012(1):1-5.

[2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008.