一種用于海試設(shè)備定位的北斗信標(biāo)機(jī)

劉 鵬，鄒田田，隋元杰，崔志光

(中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所北海研究站，山東 青島 266000)

0 引 言

在海上實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)平臺基本都是由浮標(biāo)、 潛標(biāo)搭建而成.平臺的主要特點(diǎn)是工作時間長且無人值守，所使用的設(shè)備昂貴且存有大量重要數(shù)據(jù)，因此在布放錨系系統(tǒng)之前必須考慮到如何在后期安全可靠的回收.此前的回收工作一般是將系統(tǒng)布放時的位置信息當(dāng)作回收參考位置[1].但在實(shí)際的海上實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備容易受到各種因素的影響，比如洋流、 海洋風(fēng)暴、 漁船拖網(wǎng)等，設(shè)備的位置很可能會發(fā)生較大變化，從而增加了設(shè)備回收的難度，甚至還會造成設(shè)備和數(shù)據(jù)的丟失，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失還會泄露機(jī)密[2].因此，為了降低風(fēng)險、 減小損失，研制出能夠幫助系統(tǒng)可靠回收的技術(shù)與設(shè)備迫在眉睫.

目前基于GPS的全球定位系統(tǒng)在我國各類定位通信設(shè)備中仍起著重要作用[3]，這種情況導(dǎo)致了對國外導(dǎo)航定位系統(tǒng)的過度依賴，不僅阻礙了國產(chǎn)核心技術(shù)的研制和發(fā)展，還存在相當(dāng)大的安全隱患，甚至可能對國家的利益和安全造成一定的影響[4].本文主要以“北斗二代 ”定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套工作持久、 性能穩(wěn)定、 可靠性高、 便于操作、 低成本低功耗的定位通信系統(tǒng).

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主板設(shè)計(jì)

主板采用MSP430系列芯片作為控制單元，其具有電壓低、 功耗低、 運(yùn)行速度快、 片內(nèi)集成資源豐富等優(yōu)點(diǎn)[5].主板上設(shè)計(jì)有電源、 RS232、 預(yù)留RS485、 壓力傳感器等接插件，在信標(biāo)倉底部增加一個水密開關(guān)，可用于控制供電電源的通斷.主板尺寸為65 mm×65 mm×15 mm，便于固定和節(jié)省倉體內(nèi)部空間.主板的布局圖如圖 1 所示.

圖 1 主板布局Fig.1 Mainboard layout

1.2 北斗模塊

本系統(tǒng)選用的是小型化的手持式北斗天線，尺寸為52 mm×52 mm×16 mm，實(shí)物如圖 2 所示.選用BDM910北斗模塊，尺寸為60 mm×55 mm×12 mm，該模塊集成度高、 功耗低、 兼容接收 RDSS、 北斗 RNSS&GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號，可以實(shí)現(xiàn)載體的實(shí)時定位、 授時測速、 短報文通信等功能[6]，并通過廣瀨接口與主控板連接，實(shí)物如圖 3 所示.

圖 2 北斗天線Fig.2 Beidou antenna

圖 3 北斗主板Fig.3 Beidou mainboard

1.3 接收軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要功能是接收定位信息和通信.在接收到位置信息以后會發(fā)出提示音，并且可以實(shí)時監(jiān)測接收設(shè)備的狀態(tài).軟件主界面如圖 4 所示.

圖 4 軟件界面Fig.4 Software interface

1.4 電池設(shè)計(jì)

電池組采用四串七并的連接形式，串聯(lián)電池組中單只電池加裝防止過放電平衡電子器件(1n4007二極管)，平衡電壓為0.40～0.75 V，在單組串聯(lián)電池組合中接入3.50 A防過流熱敏，以防止電池組單組出現(xiàn)短路等意外故障.與單只電池并聯(lián)二極管用來防止過放電問題，不會造成開路電壓與工作電壓壓降問題.實(shí)體結(jié)構(gòu)見圖 5，原理圖見圖 6.

圖 5 實(shí)體結(jié)構(gòu) Fig.5 Entity structure

圖 6 原理圖Fig.6 Schematic diagram

2 工作原理

本系統(tǒng)以高容量鋰亞電池作為信標(biāo)的供電電源，在滿足工作所需電壓的同時又可以延長使用壽命[7].通過壓力傳感器判斷是否滿足深度門限，主控板將壓力傳感器發(fā)出的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的水深參數(shù)，如果深度小于3 m，北斗模塊開始按照預(yù)設(shè)的工作頻率發(fā)送定位信息.此時，指揮機(jī)接收到位置信息，然后通過定位軟件發(fā)出信息提示音，并將接收到的位置信息顯示在相應(yīng)的界面上.在不滿足深度門限的情況下，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，降低功耗[8].

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)如表 1 所示.

表 1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

北斗信標(biāo)系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是北斗信標(biāo)倉、 接收裝置以及定位軟件.其中北斗信標(biāo)倉主要包括控制主板、 北斗天線、 北斗模塊、 壓力傳感器、 電池； 接收裝置主要包括北斗天線、 北斗指揮機(jī)、 計(jì)算機(jī)； 定位軟件主要包括信息顯示窗口以及信息提示音.系統(tǒng)構(gòu)成如圖 7 所示.

圖 7 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.7 System construction

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使北斗天線更好地接收信號，將其放置在天線倉頂端的尼龍外罩中，既可以減少金屬對信號的影響又可以減輕重量.整體結(jié)構(gòu)如圖 8 所示，海上布放如圖 9 所示.

圖 8 整體結(jié)構(gòu)Fig.8 Integral structure

圖 9 布放圖Fig.9 Deployment diagram

3 結(jié) 語

本文在北斗二代通信定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了一種可以實(shí)現(xiàn)信標(biāo)位置數(shù)據(jù)的無線衛(wèi)星傳輸設(shè)備.本設(shè)備的可靠性已經(jīng)通過海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在設(shè)備上浮或被漁船意外拖拽的情況下，一旦設(shè)備的深度滿足深度門限，就會向北斗指揮機(jī)發(fā)送位置信息.即使在海況惡劣的水域，只要滿足深度門限，信標(biāo)會按照相應(yīng)時間頻率重復(fù)檢測北斗的信號狀態(tài)，直到完成設(shè)備定位.本設(shè)備的成功研制為海上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和調(diào)查設(shè)備的可靠回收提供了有力的技術(shù)保證，具有重要的意義.