一種用于海試設備定位的北斗信標機

劉 鵬，鄒田田，隋元杰，崔志光

(中國科學院 聲學研究所北海研究站，山東 青島 266000)

0 引 言

在海上實驗研究中，實驗平臺基本都是由浮標、 潛標搭建而成.平臺的主要特點是工作時間長且無人值守，所使用的設備昂貴且存有大量重要數據，因此在布放錨系系統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布放時的位置信息當作回收參考位置[1].但在實際的海上實驗中，實驗設備容易受到各種因素的影響，比如洋流、 海洋風暴、 漁船拖網等，設備的位置很可能會發生較大變化，從而增加了設備回收的難度，甚至還會造成設備和數據的丟失，不僅會造成巨大的經濟損失還會泄露機密[2].因此，為了降低風險、 減小損失，研制出能夠幫助系統可靠回收的技術與設備迫在眉睫.

目前基于GPS的全球定位系統在我國各類定位通信設備中仍起著重要作用[3]，這種情況導致了對國外導航定位系統的過度依賴，不僅阻礙了國產核心技術的研制和發展，還存在相當大的安全隱患，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 ”定位系統為基礎，設計研發了一套工作持久、 性能穩定、 可靠性高、 便于操作、 低成本低功耗的定位通信系統.

1 系統設計

1.1 主板設計

主板采用MSP430系列芯片作為控制單元，其具有電壓低、 功耗低、 運行速度快、 片內集成資源豐富等優點[5].主板上設計有電源、 RS232、 預留RS485、 壓力傳感器等接插件，在信標倉底部增加一個水密開關，可用于控制供電電源的通斷.主板尺寸為65 mm×65 mm×15 mm，便于固定和節省倉體內部空間.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衛星導航信號，可以實現載體的實時定位、 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 接收軟件設計

上位機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出提示音，并且可以實時監測接收設備的狀態.軟件主界面如圖 4 所示.

圖 4 軟件界面Fig.4 Software interface

1.4 電池設計

電池組采用四串七并的連接形式，串聯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短路等意外故障.與單只電池并聯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.實體結構見圖 5，原理圖見圖 6.

圖 5 實體結構 Fig.5 Entity structure

圖 6 原理圖Fig.6 Schematic diagram

2 工作原理

本系統以高容量鋰亞電池作為信標的供電電源，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出的電壓信號轉換為相應的水深參數，如果深度小于3 m，北斗模塊開始按照預設的工作頻率發送定位信息.此時，指揮機接收到位置信息，然后通過定位軟件發出信息提示音，并將接收到的位置信息顯示在相應的界面上.在不滿足深度門限的情況下，系統處于待機狀態，降低功耗[8].

2.1 設計指標

系統相關的設計指標及參數如表 1 所示.

表 1 設計指標

2.2 系統構成

北斗信標系統主要由3部分組成，分別是北斗信標倉、 接收裝置以及定位軟件.其中北斗信標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、 計算機； 定位軟件主要包括信息顯示窗口以及信息提示音.系統構成如圖 7 所示.

圖 7 系統構成Fig.7 System construction

2.3 整體結構設計

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.整體結構如圖 8 所示，海上布放如圖 9 所示.

圖 8 整體結構Fig.8 Integral structure

圖 9 布放圖Fig.9 Deployment diagram

3 結 語

本文在北斗二代通信定位技術的基礎上，研制了一種可以實現信標位置數據的無線衛星傳輸設備.本設備的可靠性已經通過海上實驗驗證，在設備上浮或被漁船意外拖拽的情況下，一旦設備的深度滿足深度門限，就會向北斗指揮機發送位置信息.即使在海況惡劣的水域，只要滿足深度門限，信標會按照相應時間頻率重復檢測北斗的信號狀態，直到完成設備定位.本設備的成功研制為海上實驗系統和調查設備的可靠回收提供了有力的技術保證，具有重要的意義.