動態環境可實時定位無線信標機系統設計

曹翱翔，張會新，劉文怡*(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051; 2.電子測試技術重點實驗室，太原030051)

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動態環境可實時定位無線信標機系統設計

曹翱翔1，2，張會新1，2，劉文怡1，2*
(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051; 2.電子測試技術重點實驗室，太原030051)

摘要:提出一種動態環境下能實時定位箭載記錄器的回收系統方案。由隨記錄器一起下落的信標發射機、天上無人機及地面接收設備組成的搜索網絡，實時獲取記錄器的位置信息。經實驗得出，記錄器在空中某一時刻的位置信息:緯度39°04.182 64，經度111°44.721 32，海拔高度1 411.1 m;落地后位置信息:緯度39°04.165 00，經度111°44.730 90，海拔高度1 333.0 m。結果表明，根據實時得到的位置點繪制出了下落軌跡，實現了對記錄器的快速找尋。關鍵詞:電路設計;實時定位;信標機; GPS;無人機

無線信標機作為單向發射器［1］，目前已在軍、民很多領域得到廣泛應用，覆蓋陸海空各個方面。在航海船只搜救以及遠足者搜救等領域的信標機技術都已經比較成熟，市場上也已有不同類型各種應用的產品出現。然而在航空領域針對于記錄器的回收卻沒有成熟的、抗過載性能好、功率大、體積小的專用信標機，因此展開這方面的應用研究是十分有必要的。本文介紹一種應用在箭載記錄器回落搜索方面，基于動態環境下面臨的問題提出設計方法，最后通過測試表明，該設計穩定可靠，可在實際中推廣應用。

1　系統簡介

圖1　系統框圖

本系統工作流程圖1所示。當記錄器下降到25 km高度時記錄器上的高度計提供給信標機發射機一個觸發脈沖，信標機便開始發射無線信號并進行搜星任務，在預計落點區域內，無人機搜索設備在天上循環飛行進行信號搜索，同時把接收到的信息一方面實時發送到地面接收機一方面存儲起來，與此同時地面搜索設備在預定區域內進行搜索信號和接收空中無人機信號的任務。

2　硬件設計

2.1GPS模塊

針對動態使用環境，在GPS模塊選型中，本文采用國內廠商東方聯星生產的GPS模塊CNS50－GPS，可良好適應下落時的動態環境以及在民用領域選擇較多的U-BLOX公司的GPS導航模塊MAX－6Q。GPS模塊已經將本身核心CPU、基帶芯片、RF射頻芯片以及相關的外圍電路集成在了一起。數據手冊上可查到MAX－6Q模塊的參考電路設計，使用單片機的串口可以和其串口功能直接連接實現數據接收。對于CNS50－GPS模塊，其包含兩種數據格式:NMEA 0183和二進制格式，數據輸出接口4個，使得設計更具多樣性靈活性。GPS接收電路如圖2所示。

圖2　GPS接收電路圖

2.2信標機控制單元

控制單元作為系統的核心單元，控制著整個系統的任務調度以及功耗、數據處理等各個部分的工作情況。考慮到GPS傳輸速率和數據長度，本系統處理單元核心器件采用了CYGNAL公司的單片機C8051F040。單片機系統電路設計包含程序下載電路和時鐘電路，需3.3 V電源供電，GPS模塊的信息可通過串口來讀取，同時GPS參數也可以通過串口對其進行更改，例如數據更新率、數據傳輸格式等。通過單片機來控制GPS模塊的供電部分，從而可靈活的控制GPS工作，達到降低功耗的目的。后級射頻模塊可通過與C8051F040的串口相連接，通信波特率設置為9 600。

2.3信標機無線傳輸單元

本設計系統中，射頻模塊作為無線通信設計中的一部分，可以直接與CPLD或者單片機串口相連進行數據傳輸，并在其本身內部集成好載波調制和偽碼電路設計，電路連接示意圖如圖3所示。本設計采用的是美國DIGI公司的XTendTM900模塊進行組網設計，無線通信射頻模塊使用5 V電源供電，含有20個設計管腳，其中第7管腳可以用來控制模塊的工作狀態實現功耗控制，通過上位機軟件的配置，可直接與CPLD和單片機等芯片實現硬件數據流控制和串口數據收發，本設計以9 600波特率進行通信。

圖3　電路連接框圖

2.4接收系統和轉發系統設計

在無線接收設備中，射頻前段使用相同的收發單元，通過對射頻單元參數設計，可以使收發端具有相同的偽碼序列和頻率跳變，達到收發同步。采用單片機對后級數據進行處理，對接收的數據經過CPLD芯片進行“串－并”轉換，形成8位數據格式，經過FT245接口電路生成USB格式數據流傳輸到上位機，由上位機地圖軟件顯示當前位置。其中并口電路轉USB電路如圖4所示。

圖4　并口電路轉USB電路

2.5信標機供電單元

供電模塊起到為整個系統提供能量的作用，電源電路設計時不僅需要考慮其充足的電量和穩定的電壓，還需要純凈的電源，即電源紋波小，對電路板電路的干擾盡量小。供電模塊功能框圖如圖5所示。

圖5　供電模塊功能框圖

3　試驗結果

3.1MAX－6Q模塊測試

應用于信標發射機上的GPS模塊包含可實現動態環境下實時定位的功耗較大的GPS模塊CNS50－GPS和U-BLOX公司的車載民用功耗較低的GPS模塊MAX－6Q。其中CNS50－GPS功耗達到1 W，MAX－6Q功耗只有數十毫瓦。無線信標發射機工作時，在下落的動態過程中使用CNS50－GPS模塊，落地之后則使用MAX－6Q模塊。通過CPLD芯片對兩路信號進行串口分配，可解決C8051F040串口不足的問題。GPS模塊在正常測試情況下，CNS50－GPS模塊輸出一連串二進制數字。在定位成功情況下，MAX－6Q輸出結果如圖6所示，為了降低傳輸數據量，系統去除了多余的數據。

圖6　GPS模塊搜星成功輸出信息

3.2 CNS50－GPS模塊測試

對于CNS50－GPS模塊，在地面設置兩接收端，分別位于起飛點和飛機飛行的最遠點，將兩路GPS導航接收模塊置于無人機上，為了區分兩種模塊采集的數據，本文分別命名不同的名字:天上回收的數據和地面GPS接收數據，運用在兩種數據每個字節之前分別添加不同標記的辦法。天上回收數據每個字節之前加“FA AF”，地面GPS接收數據每個字節之前加“EB BE”。對于每個數據幀結構，天上回收數據幀頭為“FA AF AA FA AF EB”，地面GPS接收數據幀頭為“EB BE 55 EB BE 90”，則采集的原始信息數據如圖7所示。

上面的原始數據可以比較明確的判斷兩路GPS模塊發射的信號，通過兩路GPS模塊獲取的經緯度信息對比可以得到更精確的位置信息。上位機軟件同時可以實時顯示接收的數據，并把數據換算成地面與地圖匹配，上位機地圖軟件如圖8所示。

圖7　接收的兩路原始數據格式

圖8　上位機地圖軟件

4　結論

本文針對搜索技術，根據動態環境采用了一些新的設計和想法，提出地面搜索和天上無人機搜索聯合搜索的方案，可大大提高搜索成功率。對系統進行了空中、平地和山區等各種條件的實驗，通過對實驗結果分析，系統穩定可靠，在快速移動的物體上面，GPS數據更新率能夠滿足試驗要求，根據更新位置點連接成線，描繪出了物體的運動軌跡，達到了快速回收數據記錄器的目的。

參考文獻:

［1］李俊.調制方式的無線信標機關鍵技術研究［D］.中北大學，2012.

［2］于鐵軍，劉文怡，王紅亮.GPS信標機系統的設計與實現［J］.電子器件，2014，37(4):690－694.

［3］劉建偉，裴東興，尤文斌，等.回收式固態彈載記錄儀抗高沖擊設計［J］.傳感技術學報，2012，25(8):1045－1048.

［4］楊昂.高動態環境下多普勒頻移估計技術研究［D］.西安電子科技大學，2011.

［5］李金力.箭載數據存儲器回收系統關鍵技術研究［D］.2010.

［6］上海無線電設備研究所.個人便攜式信標機［P］.專利申請.2011.

［7］盧長曉.微小型無線信標機系統設計［D］.中北大學，2009.

［8］錢德俊，張哲，胡晨.NEMA 0183協議解析［J］.電子器件，2007，30(2):698－701.

曹翱翔(1989－)，男，漢族，安徽肥東人，中北大學在讀研究生，研究方向為測試計量技術及儀器，caoaoxiang@qq.com;

劉文怡(1970－)，男，漢族，山西嵐縣人，中北大學教授，研究領域為測試計量技術及儀器，122631168@qq.com。

Information Receiving and Switching Wireless Beacon Designed Based on Two-Way GPS*

Zheng Junhua1，2，Tan Qiulin1，2*，Qin Xiaolong1，2
(1.Science and Technology on Electronic Test＆Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Key laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Through the research of the application and development of the current beacon on the domestic and international，a kind of radio beacon was designed based on two GPS information received and switching.The switching control circuit uses C8051F040 chip as the main chip to control two-way GPS module thus for increasing the wirless beacon working time，improve accuracy and reduce power consumption.Experimentally measured the UTC time 11:37:30，latitude 38.013 6°east，longitude 112.446，altitude of 815.9 meters.The results showed that the system can achieve and receive location information and display through the PC.

Key words:circuit and system; beacon design; wireless communication; two-way GPS; low power consumption

doi:EEACC:722010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.030

收稿日期:2014－08－27修改日期:2014－09－28

中圖分類號:TP274.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0858－05