數字化自動識別系統航標結構設計*

(成都天奧信息科技有限公司，成都 610036)

1 引 言

數字化自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)航標是一種導航定位設備，主要安裝在基站覆蓋范圍內的燈浮、燈船、燈塔等航標設施上，除了能準確定位，還能將當地水文、氣象等實時信息通過廣播的方式發送給海上的船只，及時地把航標燈的故障、浮標漂移出安全范圍等信息發送給基站，為船舶安全航行、海上遙測監控以及航標燈的維護和管理提供極大的便利[1]。數字化AIS航標對實現數字化航道的建設具有重要意義，研究開發適合我國出海口及內陸河道的航標是一項緊迫的任務。

本文介紹的數字化AIS航標主要由GPS天線、VHF天線、射頻模塊、基帶模塊、電源控制模塊和兩根直徑為Φ8.2 mm的外接電纜構成。圖1為該設備的結構框圖。

圖1 數字化AIS航標的結構框圖

2 數字化AIS航標的結構設計

數字化AIS航標的結構由內部模塊和外殼兩大部分組成，其詳細情況如圖2所示。

圖2 數字化AIS航標的整體結構及外形尺寸

2.1 內部模塊的結構設計

2.1.1內部模塊介紹

數字化AIS航標的內部模塊包括射頻模塊、基帶模塊和電源控制模塊，除此以外，還包括N/SMA-KYK1轉接器、GPS天線和VHF天線各一件。

射頻模塊通過一根高頻電纜和一件N/SMA-KYK1轉接器與VHF天線座接插互聯，并要求高頻電纜盡可能短，以降低高頻損耗；基帶模塊通過一根高頻電纜和GPS天線座接插互聯，并通過雙排插針與射頻模塊接插互聯；電源控制模塊通過兩根低頻電纜與基帶模塊接插互聯。

2.1.2內部模塊的結構設計

根據模塊間的連線關系，將內部模塊設計成為“塔形”結構：頂層為射頻模塊，中間層為基帶模塊，底層為電源控制模塊。為了降低彼此間的干擾，在模塊與模塊之間設置了2 mm厚的鋁合金屏蔽板[2]，上面除了開有過線槽外，還設有4處直徑為Φ3.5 mm的安裝孔。

接下來將內部模塊設計成相對獨立的兩個部分：一部分是由射頻模塊、基帶模塊、屏蔽板和安裝件等所組成的功能模塊組件，另一部分是由電源控制模塊和出線底板所組成的電源控制模塊組件。

(1) 功能模塊組件

為了滿足功能模塊組件的整體安裝，在射頻模塊上方設有2 mm厚的防銹鋁合金安裝板，除8處Φ3.5 mm安裝孔外，周邊還設有4處讓位槽孔，專門用于功能模塊組件裝配時的讓位。GPS天線采用703硅橡膠粘固在安裝板上方。N/SMA-KYK1轉接器利用自帶螺母直接安裝在安裝板的中心位置，上接VHF天線，下與高頻電纜一端相接。射頻模塊通過4件鍍光亮鎳的M3×33(mm)六方銅螺柱與安裝板螺裝。基帶模塊和兩屏蔽板則分別通過4件鍍光亮鎳的M3×12(mm)六方銅螺柱一層一層地懸掛在射頻模塊的下方。

(2)電源控制模塊組件

為了能獲得最佳的散熱效果，特將電源控制模塊設計安裝在出線底板上，通過4件M3×6(mm)的不銹鋼螺釘進行緊固，同時保證3處散熱元件與出線底板緊密接觸，充分利用出線底板進行傳導散熱。

2.2 外部殼體的結構設計和外觀造型

該設備殼體結構分為3部分，上部分為天線罩，中間為筒體，底部為出線底板，各殼體接口處設有O形密封圈，為整體密封結構。

2.2.1殼體的材料選擇

(1)天線罩材料

ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯)樹脂具有耐沖擊、耐磨、耐寒、耐油、耐酸堿、化學性穩定、剛性和電性能良好等優點[3]。文獻[4]采用ABS材料制作了DGPS(差分GPS)天線單元的天線罩，并指出該產品各項技術性能指標符合要求，且生產成本較低。鑒于此，數字化AIS航標的天線罩材料也選定為ABS。

(2)筒體材料

選擇耐蝕性好的5A06(LF6)防銹鋁合金管作為筒體材料，規格為Φ140×20(mm)。選用此種規格的管材能夠保證機加的切削量最少，有利于節省材料和加工費用。

(3)出線底板材料

選擇耐蝕性和導熱性好的5A06(LF6)防銹鋁合金板作為出線底板材料，厚度為25 mm。筒體和出線底板均選擇相同的金屬材料，能夠保證兩者長時間接觸而不會發生電偶腐蝕，有利于增強航標的抗蝕能力。

2.2.2殼體結構及造型

在殼體的三部分中，天線罩的主要功能是容納和保護VHF天線、GPS天線；筒體的主要功能是容納和保護射頻模塊、基帶模塊、電源控制模塊和相關的連接件；出線底板的主要功能是支撐電源模塊并幫助該模塊散熱，同時也起出線和密封設備的作用。根據各部的功能特征，結合造型美學原則和成型工藝特點，將數字化AIS航標外形設計成上小下大的彈頭形狀，中間融入流暢的圓弧過渡，使其在整體上具有高度的視覺統一感，在上、下方向具有極強的視覺穩定感，在左、右方向又具有良好的視覺平衡感。

(1)天線罩設計

天線罩上部為彈頭造型，下部為法蘭盤結構，周邊均布有6處直徑為Φ3.2 mm的通孔，整體表面為一緩和過渡的光滑曲面。為了保證天線罩的結構強度和透波能力，將壁厚定為1.2 mm，法蘭厚度定為5 mm。選用注塑成型的加工方式，拔模斜度為45′～1°。

(2)筒體設計

筒體內部安裝有功能模塊組件，上部與天線罩相連，下部與出線底板相連。筒體上、下端均為法蘭盤結構，且端面都開有專門用于放置O形密封圈的溝槽，四周均布有6處直徑為Φ3.2 mm的通孔，采用數控加工方式以保證精度。筒體內部靠上端位置設有4四處高為10 mm的凸臺，上面分別開一個M2.5×6(mm)的安裝孔。裝配時，功能模塊組件從筒體底部放入，找準安裝板上的讓位槽并緩慢向上推動，到位后逆時針旋轉約10°，然后將其放置在凸臺上端，找準孔位后即可進行螺裝。

(3)出線底板設計

出線底板采用數控加工方式制造，上表面設有4處電源控制模塊安裝孔和3處散熱元件安裝孔，均為M3×6(mm)螺孔，周邊位置設有4處Φ6.5 mm安裝孔。將出線底板邊緣切除一小部分，用以破壞其整圓形式，這樣能有效防止設備的自由滾動，有利于安裝放置。出線底板也是兩根Φ8.2 mm外接電纜的出口，結合電源控制模塊的外形尺寸和安裝方式，將出線口設置在底部的偏心位置，并在該處裝有與電纜直徑相對應的PVC護線圈。待兩根電纜安裝到位后，用703硅橡膠對出線口內腔進行灌封，用黑色雙壁帶膠熱縮管ATUM32/8對電纜出口位置進行熱縮密封。

2.2.3殼體的密封

殼體的接口處均設有耐高溫、耐寒、低硬度、低扯斷、抗腐蝕，工作范圍在-60℃～+250℃之間的硅橡膠O形密封圈[3]。根據殼體的直徑大小，將O形密封圈規格選定為外徑Φ120 mm，斷面直徑d0= 3.1±0.1 mm。為了獲得良好的密封效果，將O形密封圈的最小壓縮率Emin設定為22%，上下接觸面最大間隙Cmax設定為0.15 mm，根據下列公式[5]可求得槽深和槽寬：

Hmax=d0min(1-Emin)-Cmax

(1)

式中，H為槽深，d0為O形密封圈斷面直徑。

Bmin=(1.05～1.2)B1

(2)

式中，B為槽寬，B1為O形密封圈受壓后橫向寬度，且B1=(1+E1.5)d0。殼體的溝槽尺寸可確定為：H=2.1±0.05 mm，B=3.8±0.05 mm。

2.2.4殼體的熱設計

該設備主要通過殼體外表面熱對流和熱輻射兩種方式散熱，具體的熱交換途徑為：內部各單元與設備內部空氣熱交換，設備內部空氣與設備外殼熱交換，設備外殼與外部空氣熱交換。設備允許的溫升為15℃，內部模塊的峰值功耗為3 W，殼體的表面積約為1 445 cm2，根據公式(3)[2]可求得熱流密度為0.002 W/cm2。

φ=Φ/A

(3)

式中，φ為熱流密度，Φ為熱流量，且Φ=3 W，A為熱換面積，且A=1445 cm2。

由于求得的熱流密度值0.002 W/cm2小于文獻[2]中自然冷卻的熱流密度值0.02 W/cm2(溫升為15℃)，所以選擇自然散熱能夠滿足散熱要求。

2.2.5殼體的鍍涂和色彩

為了滿足防潮、防霉和防鹽霧(“三防”)的要求，筒體和出線底板均經過導電氧化處理，表面噴涂有“三防”性能良好的丙烯酸聚氨脂漆。

借鑒普通航道左側標為紅色、右側標為綠色的規定[6]，將整個殼體設計為紅色和綠色兩種色彩方案，鮮艷的色彩有助于提高航標的識別性和警示功能。安裝時也遵守左側紅色，右側綠色的規定。

3 結束語

本結構設計方案針對海上惡劣的氣候環境，裝配、使用及維護過程中的方便性和可操作性等多個方面，通過采用密封結構、選用防腐材料和有效的散熱措施，使設備在“三防”、散熱、裝配、整機結構可靠性和美觀性等方面得到了有效的保證。該航標的成功設計將為數字化航道的建設提供有力的設備保障。

參考文獻：

[1] 王健，劉人杰. 基于AIS的數字航標[C]//中國航海學會通信導航專業委員會2005年學術年會論文集. 大連：大連海事學院，2005: 129-132.

WANG-Jian, LIU Ren-jie. The Digital Aids to Navigation Based on AIS[C]// Proceedings of 2005 Annual Conference on Communication and Navigation Professional Committee of China Institute of Navigation.Dalian:Dalian Maritime University,2005: 129-132. (in Chinese)

[2] 邱成悌，趙享殳，蔣全興. 電子設備結構設計原理[M]. 南京: 東南大學出版社, 2005.

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[3] Q/AD90-1999,常用非金屬材料手冊[S].

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[4] 陽安源.自動車船定位系統(AVLS)的結構設計[J]. 電訊技術, 2007, 47(3)：182-184.

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[5] 盧黎明. O形密封圈的壓縮率對其密封性能的影響[J]. 華東交通大學學報, 2003, 20(2)：9-10.

LU Li-ming. Influence of the Form-change Ratio of O Type Airtight Gasket on Its Airtighteness[J]. Journal of East China Jiaotong University,2003,20(2)：9-10.(in Chinese)

[6] GB4696-1999,中國海區水上助航標志[S].

GB4696-1999,Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China [S]. (in Chinese)