基于北斗/GPS的山區(qū)定位救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)

泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 董 程 魏 浩 趙婧君 劉 磊

衛(wèi)星導(dǎo)航[1]是通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星(Global Navigation Satellite System, GNSS)精確的測定位置和時(shí)間的方法。目前有美國的 GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐洲的 GALILEO 系統(tǒng)[3]。 我國計(jì)劃 “北斗二代”到2020年實(shí)現(xiàn)全面商業(yè)化。

我國北斗應(yīng)用范圍較廣，例如天津市薊縣林業(yè)局的森林防火實(shí)戰(zhàn)指揮系統(tǒng)[4]；鐵總公司的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[5]；海洋漁業(yè)也應(yīng)用了北斗系統(tǒng)[6]。在救援定位應(yīng)用上，目前國內(nèi)主要是 GPS+ 2G/3G通信模塊，但是在沒有手機(jī)信號(hào)情況下，這種系統(tǒng)無法做到報(bào)警救援。國內(nèi)的惠州華陽公司曾開發(fā)了一款北斗 RDSS 應(yīng)急終端ET600，具備樂一定的應(yīng)急救援功能。但是體積較大，攜帶不便，價(jià)格貴，續(xù)航差。

針對(duì)目前國內(nèi)山區(qū)及復(fù)雜環(huán)境下，移動(dòng)信號(hào)失效時(shí)，無法準(zhǔn)確定位、通信和搜救的問題。以北斗二代為基礎(chǔ)研究了一套能夠?qū)崟r(shí)定位、通信暢通、體積適中、攜帶方便、價(jià)格低廉、通用性好、可靠性高、方便擴(kuò)展的救援系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)主要解決三大問題：

（1）信號(hào)融合問題

目前北斗系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度、以及應(yīng)用范圍都不如GPS信號(hào)。因此研究雙模式甚至是多模式下的定位導(dǎo)航[7]，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性。

（2）定位信號(hào)的抗噪性和補(bǔ)償算法

信號(hào)接收時(shí)的噪聲問題，尤其是信號(hào)的散射、反射產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，多普勒效應(yīng)甚至被遮擋都是影響定位的因素。通過對(duì)芯片接收靈敏度的提高，考慮采用軟硬件算法對(duì)各種噪聲濾波的研究可以提高其抗噪性。在信號(hào)被阻擋的過程中，多模式導(dǎo)航可提高可靠性，如信號(hào)被完全阻擋，那么利用慣性導(dǎo)航原理輔以硬件加速度檢測器可以推算出坐標(biāo)位置。

（3）嵌入式ARM系統(tǒng)開發(fā)

ARM硬件系統(tǒng)輔以Android操作系統(tǒng)使開發(fā)難度遠(yuǎn)大于以往簡單的ARM和嵌入式開發(fā)足以滿足本系統(tǒng)以及未來的升級(jí)功能和后續(xù)開發(fā)要求。

系統(tǒng)的用戶終端通過北斗衛(wèi)星通信鏈路與計(jì)算機(jī)控制中心連接，用戶終端包括控制、加速度檢測、多模定位、通信、存儲(chǔ)、電源等模塊以及鍵盤和顯示屏，各模塊均與控制模塊連接。

如圖1所示，山區(qū)定位救援系統(tǒng)還包括與電源模塊相匹配的充電裝置，包括太陽能充電器和支撐架。充電器包括折疊式軟布包9，包內(nèi)表面布設(shè)有若干塊太陽能板8，包上設(shè)置有兩對(duì)粘貼鏈10，包通過10固定在支撐架的伸縮桿2上。其中，支撐架包括連接架和四個(gè)伸縮桿，連接架包括連接桿5和固定在連接桿5兩端的兩個(gè)連接筒4，連接筒的兩端均設(shè)置有內(nèi)螺紋，伸縮桿2包括伸縮端1和固定端3，固定端 3 設(shè)置有與內(nèi)螺紋配合使用的螺紋柱，伸縮端1設(shè)置有支撐腿6，四個(gè)伸縮桿2 通過固定端3的螺紋柱與連接架螺紋連接；支撐腿6為U型，支撐腿上端通過一銷軸與伸縮桿2的伸縮端1鉸接，銷軸的一端設(shè)置有螺紋配合的鎖緊螺母7；支撐腿設(shè)置有防滑膠套。

圖1 戶外支架模塊和太陽能充電模塊

本定位救援系統(tǒng)中選用多模定位模塊 BM3013，能夠使 GPS 和北斗兩大坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換結(jié)合，并在測距中利用兩者相互補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；選用加速度檢測模塊 MXA6500，當(dāng)用戶發(fā)生跌落等意外情況時(shí)自動(dòng)檢測并發(fā)送報(bào)警信息，選用三星 A9 四核 Exynos 4412 為控制模塊，芯片速率高、通用性好，未來可以繼續(xù)擴(kuò)展升級(jí) ；選用北京微電子所的研發(fā)芯片 BM3013 作為北斗及 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位、短信（120 漢字 / 次）通信模塊，可在水平3m、高度 6m 內(nèi)精確定位精度高，靈敏度好。

[1]趙琳.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社,2001.

[2]冉承其.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行與發(fā)展[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2016(6)：13-16.

[3]林金海.北斗導(dǎo)航通訊技術(shù)在海事安全管理中的應(yīng)用研究[D].集美大學(xué),2016.

[4]付立紅,王大震,張大永.薊縣護(hù)林員定位系統(tǒng)使用情況分析[J].森林防火,2014(3)：17-18.

[5]蔡伯根,上官偉,王劍,等.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的列車安全定位保障方法[J].中國鐵路,2013(4)：12-17.

[6]居禮.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)的應(yīng)用[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2013(3)：14-22.

[7]周巍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精密定位理論方法研究與實(shí)現(xiàn)[D].解放軍信息工程大學(xué),2013.