0 引言

    信標(biāo)機(jī)是向外界傳遞自身位置信息的裝置，一個(gè)重要的應(yīng)用是降低目標(biāo)物的搜尋難度。在軍事和航天領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)新型的飛行器需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，每次實(shí)驗(yàn)獲得的重要參數(shù)均存儲(chǔ)在記錄器中，而記錄器在實(shí)驗(yàn)后往往降落在地形復(fù)雜、人跡罕至的地區(qū)，如果通過信標(biāo)機(jī)準(zhǔn)確定位記錄器位置，將會(huì)大幅降低搜尋成本，并提高回收效率^[1]。

    通過信標(biāo)機(jī)定位通常有兩種方法，分別是GPS定位和無線定位^[2]。無線定位方式由于信號(hào)傳輸距離有限，需要接收機(jī)距離信標(biāo)機(jī)一定范圍內(nèi)方可接收到其發(fā)射的信號(hào)^[3]，而且一般需要多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行探測(cè)來確定方向，同時(shí)多普勒頻移效應(yīng)的存在也有可能影響通信^[4]，這種方法的搜索效率并不高。因此針對(duì)記錄器回收問題，本文提出一種基于GPS和北斗的高可靠性信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用GPS快速獲得定位信息，并通過北斗模塊將定位信息發(fā)送至接收機(jī)，這種能為搜索人員提供記錄器坐標(biāo)的方案可大大提高回收效率。

1 系統(tǒng)總體方案

    如圖1所示，該信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端兩部分組成。發(fā)射端為信標(biāo)機(jī)，包含主控單元、GPS模塊、北斗模塊及電源模塊；接收端為兩部北斗手持機(jī)。

    在飛行器發(fā)生分離前由其上采編器為信標(biāo)機(jī)提供12 V供電，并對(duì)其內(nèi)部電池進(jìn)行充電，信標(biāo)機(jī)通過GPS模塊獲取定位信息，并將定位信息和信標(biāo)機(jī)電池電壓采集信息經(jīng)RS422串口發(fā)送給采編器。

    當(dāng)飛行器分離以后，信標(biāo)機(jī)與采編器斷開連接，供電方式轉(zhuǎn)為內(nèi)部電池供電，單片機(jī)控制終止與采編器的通信，并將定位信息編輯為北斗報(bào)文，通過北斗模塊以一定的頻度發(fā)送出去，經(jīng)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至北斗手持機(jī)。此外，北斗短消息的接收具有實(shí)時(shí)性，為防止手持機(jī)某一時(shí)刻由于信號(hào)較弱錯(cuò)過信息接收，同時(shí)為了提高通信頻度以保證較高可靠性，采用雙SIM卡切換交替發(fā)送位置信息至兩臺(tái)手持機(jī)的設(shè)計(jì)。

    此系統(tǒng)涉及的技術(shù)要點(diǎn)主要有兩個(gè)：其一是提高信標(biāo)機(jī)通信的可靠性，北斗民用SIM卡允許的最大通信頻率為1次/min，增加單位時(shí)間內(nèi)的通信次數(shù)是提高通信可靠性的有效途徑；其二是降低信標(biāo)機(jī)的功耗，由于該信標(biāo)機(jī)在小型化方面有著較高的要求，電池的體積和容量也受到限制，因此在器件選型和各模塊控制方面要盡可能地降低其功率損耗，以延長(zhǎng)工作時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 GPS模塊

    作為高速飛行器定位裝置，其定位精度和速度極為關(guān)鍵，本文雖涉北斗系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)同樣具有定位功能，但經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)GPS的定位速度、精度、穩(wěn)定性等方面均相對(duì)優(yōu)于北斗，故采用GPS來實(shí)現(xiàn)快速定位功能，以達(dá)到高精度、高可靠性的目的。

    GPS定位模塊選用北京東方聯(lián)星公司的CNS35H-202，5 V電壓供電，體積小，45 s內(nèi)快速定位，具備失鎖重捕功能，可適應(yīng)速度0~5 000 m/s、加速度小于等于35 g的應(yīng)用環(huán)境，定位精度水平位置15 m，垂直位置20 m。此外，該模塊數(shù)據(jù)輸出引腳采用TTL邏輯電平輸出，可直接連接于單片機(jī)的串口接收引腳，波特率為9 600 bit/s。

    如圖2所示，單片機(jī)通過光繼電器控制GPS模塊供電，信標(biāo)機(jī)上電后，單片機(jī)初始化打開GPS供電通路，GPS采集定位信息；與飛行器分離后2 min可認(rèn)為設(shè)備已經(jīng)著陸，位置信息不再改變，單片機(jī)將控制光耦斷開GPS模塊的供電，以降低設(shè)備的功率損耗。

2.2 北斗模塊

    “北斗一號(hào)”是我國(guó)自主研制的導(dǎo)航定位及通信系統(tǒng)，在中國(guó)境內(nèi)無通信盲區(qū)，雨雪等天氣對(duì)其產(chǎn)生的影響非常小，通信成功率幾乎達(dá)到100%^[5]，與其他通信手段相比，非常適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)及惡劣天氣環(huán)境下使用。因此，選用北斗系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高可靠性和強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的通信功能。

    北斗模塊選用北京東方聯(lián)星公司的TM0558，該模塊體積小，同等應(yīng)用條件下其集成度做到業(yè)界領(lǐng)先，外接SIM卡和無源天線即可實(shí)現(xiàn)通信功能；采用5 V供電，待機(jī)功耗≤0.65 W，發(fā)射瞬間功耗≤15 W；有5個(gè)引腳連接至SIM卡，其中IC_CLK、IC_DAT為讀取SIM信息的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳，IC_VCC和GND為北斗模塊向SIM卡供電的引腳，IC_RST為復(fù)位引腳；通信引腳采用TTL邏輯電平，可直接與單片機(jī)連接進(jìn)行通信。

    北斗模塊只在通信期間需要供電，通信等待時(shí)間不需要進(jìn)行其他工作，可切斷對(duì)其供電以降低設(shè)備功耗。

    為了實(shí)現(xiàn)北斗上下電控制，以及實(shí)現(xiàn)單北斗模塊進(jìn)行雙SIM切換通信，在北斗的電源引腳及北斗對(duì)SIM卡的供電輸出IC_VCC引腳處設(shè)置光繼電器進(jìn)行隔離。光繼電器選用Panasonic公司的AQV252G2S，響應(yīng)速度快，可承受負(fù)載電流大，滿足北斗模塊發(fā)射瞬間功率15 W的要求。單片機(jī)可通過光繼電器控制北斗模塊的供電和SIM的切換，北斗模塊周圍電路如圖3所示。

2.3 主控單元

    主控單元選用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機(jī)，負(fù)責(zé)定位信息的提取、精簡(jiǎn)、編幀及定時(shí)發(fā)送，同時(shí)控制各個(gè)模塊的供電以降低功耗。單片機(jī)具有兩路串口，通過USART0進(jìn)行北斗通信，通過USART1接收GPS定位信息和向采編器發(fā)送數(shù)據(jù)；具有12位ADC，可實(shí)現(xiàn)電池電壓的采集；16位定時(shí)器可完成對(duì)北斗通信周期的精準(zhǔn)控制。

2.4 供電模塊設(shè)計(jì)

    北斗在發(fā)送信息的瞬間需要最大3 A的瞬態(tài)電流，由于供電模塊同時(shí)為單片機(jī)、北斗模塊、GPS模塊等器件供電，為防止北斗發(fā)送消息瞬間電壓被拉低，供電模塊選用MICREL公司的MIC29501芯片提供5 V電平輸出，最大對(duì)地電流可達(dá)5 A；輸入端允許2.3 V~26 V電壓，范圍較寬，滿足采編器12 V和電池8.4 V電壓輸入條件；并具有使能引腳，可通過單片機(jī)控制裝置斷電。供電模塊電路如圖4所示。

    采編器12 V供電和電池供電分別串接一個(gè)二極管后再接入電源芯片輸入端，二極管可防止3個(gè)電源間出現(xiàn)電流倒灌，當(dāng)12 V電源斷開時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電池8.4 V供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 信標(biāo)機(jī)工作流程

    上電后單片機(jī)對(duì)裝置進(jìn)行初始化，使能GPS模塊獲取定位信息，然后判斷信標(biāo)機(jī)與采編器是否斷開連接，若沒有斷開，則將定位信息和電池電壓采集信息編幀后通過串口發(fā)送至采編器；若識(shí)別到斷開連接，則關(guān)斷通信串口，轉(zhuǎn)而將定位信息編幀后通過北斗發(fā)送至手持機(jī)。信標(biāo)機(jī)與采編器斷開后單片機(jī)定時(shí)器對(duì)斷開時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，因?yàn)檠b置非海上使用，落地后位置固定，當(dāng)計(jì)時(shí)滿2 min后可確認(rèn)著陸，因此關(guān)閉GPS供電，之后每間隔65 s分別使用SIM卡1和SIM卡2向外界通信兩次，兩卡通信間隔5 s。信標(biāo)機(jī)工作流程如圖5所示。

3.2 定位信息處理

    GPS定位輸出頻率為1 Hz，輸出數(shù)據(jù)包括幀頭為﹩GPGGA、﹩GPGSV、﹩GPRMC的3種數(shù)據(jù)，幀頭為﹩GPGGA的一幀數(shù)據(jù)中含有經(jīng)緯度和高度信息，單片機(jī)通過串口接收到GPS的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行幀頭判斷，將幀頭為﹩GPGGA的一幀數(shù)據(jù)存入數(shù)組WHOLE_GPS[]；接著從WHOLE_GPS[]數(shù)組中提取經(jīng)緯度、高度信息存入數(shù)組BRIEF_GPS[]中，其中高度保留一位小數(shù)；同時(shí)，提取的經(jīng)緯度信息去掉小數(shù)點(diǎn)并將高度保留整數(shù)后也將循環(huán)存儲(chǔ)在數(shù)組BRI1[]、BRI2[]和BRI3[]。

    每次通過北斗發(fā)送消息時(shí)，先將BRI1[]、BRI2[]和BRI3[] 3個(gè)數(shù)組的內(nèi)容按照更新先后順序存入數(shù)組BD_TX[]中，然后再將此數(shù)組的內(nèi)容編輯為北斗短報(bào)文格式進(jìn)行發(fā)送，例如，發(fā)送前最新的一組定位信息被存入數(shù)組BR2[]中，則將3個(gè)數(shù)組以BR3[]、BR1[]、BR2[]的順序存入BD_TX[]進(jìn)行發(fā)送，這樣可以使每條短消息包含最近3次定位的信息，并且最后一組信息為最新定位信息，充分利用北斗短報(bào)文的通信容量。定位信息處理流程如圖6所示。

3.3 北斗模塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

    使用北斗模塊進(jìn)行通信，只需通過單片機(jī)串口USART0向其發(fā)送包含定位信息的通信申請(qǐng)即可，通信波特率為115 200 bit/s，通信協(xié)議如表1所示。

    每次通信申請(qǐng)發(fā)出后，北斗模塊會(huì)返回反饋信息，由此來查看通信完成情況，幀格式如表2所示，如接收到的信息中反饋標(biāo)志為0x00，表示通信成功。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

    信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了測(cè)試。信標(biāo)機(jī)與采編器斷開連接前通過串口發(fā)送定位信息及電池電壓采集信息，例如，一條串口數(shù)據(jù)內(nèi)容為“EB 90 00 60 0F 6C 0F 85 33 38 30 30 2E  38 33 39 33 36 2C 4E 2C 31 31 32 32 36 2E 37 35 36 35 33 2C 45 2C 38 34 39 2E 35 00”，其中“EB 90”為幀頭，“00 60”為幀計(jì)數(shù)，“0F 6C 0F 85”為內(nèi)部?jī)蓧K電池電壓采集的數(shù)字量，后面信息為定位信息，含義為“北緯38°0.83936′，東經(jīng)112°26.75653′，高度849.5 m”。

    與采編器斷開后，信標(biāo)機(jī)切換內(nèi)部SIM卡分別向兩臺(tái)手持機(jī)發(fā)送短信，短信內(nèi)容為最近3次的定位信息，例如，手持機(jī)接收的一條信息為“380084359N1122674530E827M380084357N1122674521E827M380084333N1122674497E827M”，其中最后一條定位信息為最新坐標(biāo)，坐標(biāo)含義為“北緯38°0.84333′，東經(jīng)112°26.74497′，高度827 m”。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的定位及通信功能均能正常實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

    基于GPS和北斗的信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)能夠提供精確的目標(biāo)位置信息，接收機(jī)位于任何位置均可獲得該信息，突破了目標(biāo)物與接收機(jī)相對(duì)距離的限制，從而大大提高了回收效率，降低回收難度。在性能方面，該信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)通過雙卡切換提高北斗信息發(fā)送頻率，從而提高其工作的可靠性；同時(shí)完成了小型化和低功耗設(shè)計(jì)，有利于作為手持設(shè)備等進(jìn)行拓展應(yīng)用。

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作者信息:

于皓博，單彥虎，任勇峰，焦新泉

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)