應用北斗通信定位技術的遙控遙測航標燈設計*

鄭 偉 秦實宏 楊啟偉 饒 云

（1.武漢工程大學電氣信息學院 武漢 430205）（2.長江武漢航道工程局 武漢 430014）

1 引言

北斗衛星導航系統（BDS）是中國自主研發的全球衛星導航系統，2018年12月27日，北斗三號開始提供全球服務，這標志著北斗系統正式邁入全球時代［1]。相比于其他衛星導航系統，BDS的獨特之處在于它除了可以定位、導航和授時以外，還具有短報文通信功能，相當于它整合了通信衛星系統和定位導航衛星系統的功能［2]。雖然目前它的通信能力還不及專用的通信衛星，但是它的覆蓋范圍相比GPRS、GSM等更廣，相比成本更低，在海域、山林和偏遠地區等惡劣環境下，可低成本實現警情、災情的應急通信和位置報告［3]。

航標燈用于海域、流域上，標示著航道方向、界限、礙航物和危險警告，幫助引導船舶航行及定位。由此可見，它在航運、漁業、海洋開發和國防建設等方面都扮演著極其重要的角色［4～5]。將北斗的通信定位功能應用于航標燈，將大幅提升航標燈的通信能力，提升航標燈的公共服務水平［6]。

2 北斗通信定位功能介紹

北斗短報文通信功能是北斗一代定位機制的產物，北斗一代的定位方式是有源衛星定位，用戶至衛星的距離測量和位置計算無法由用戶自身獨立完成，必須由外部系統通過用戶的應答來完成。正是這種定位方式使得BDS具備了短報文通信能力。BDS短報文通信的主要優點有響應速度快、抗干擾強、可靠性高、通信成本低、保密性較高、覆蓋范圍廣等［7～8]，缺點是目前民用的北主要是分鐘卡，且短報文漢字數不超過36個［9]。

要實現短報文雙向通信，需要先購置北斗通信卡，每張通信卡都有唯一的卡號，通信機制跟移動手機通信機制類似。具體的通信流程為，發送方將包含接收方卡號和要發送的內容加密后提交通信申請，經衛星轉發給地面中心站入站；地面中心站接收到通信申請信號后，將信號解密后加密，加入到出站電文中，被指定的接收用戶通過衛星廣播接收信息；接收方接收到衛星廣播的通信信息后，通過解調、解密和提取來獲得所需信息，完成一次通信［10～11]。

BDS的定位方式分為有源衛星定位和無源衛星定位兩種［12]。采用有源定位方式時，用戶終端只需要接收到兩顆北斗衛星的信號。當用戶終端發送北斗短報文定位請求給衛星后，衛星將請求轉發給地面中心站，中心站計算完成后，就將用戶終端的位置坐標發送給衛星，再經衛星中轉到用戶終端，實現一次定位功能。采用無源定位方式時，用戶終端需要接收到三顆以上北斗衛星的信號，通過用戶終端自身計算得出位置信息，從而實現定位，常用定位技術為差分定位技術［13～14]。

3 硬件設計

設計的遙控遙測航標燈同傳統的遙控遙測航標燈相比，只是更換了通信定位方式，對航標燈遙控遙測的基本內容沒有變化，還是位置、蓄電池電壓、溫濕度、水深等數據的檢測，以及航標燈終端系統重啟功能等。本文設計的航標燈終端要實現功能如下：采集航標燈終端的位置和溫濕度傳感器實時數據，然后按北斗短報文通信格式處理打包，每分鐘向管理中心發送打包后的狀態數據；隨時接收來自管理中心的控制指令，然后按北斗短報文通信協議解包，并按解包得到的指令執行系統重啟功能。遙控遙測航標燈管理系統總體設計如圖1所示。

航標燈終端的硬件主要由微處理控制器（STM32）、北斗通信定位模塊、電源模塊等構成。航標燈終端硬件結構如圖2所示。

航標燈終端使用的北斗通信定位模塊集成了RDSS射頻收發電路、功放電路、基帶電路等，它的基帶芯片為BM3005，它的BD/GPS雙模接收機為ATGM332D。該模塊可以實現RDSS、GPS/RNSS同時工作，支持北斗信號頻段和GPS信號L1頻段，可實現短報文通信功能、BD/GPS雙模定位功能。

圖1 遙控遙測航標燈管理系統總體設計

圖2 航標燈終端硬件結構圖

4 軟件設計

航標燈終端的程序設計主要包括以下幾個部分：主控制器STM32系統初始化，溫濕度數據采集，以及位置信息采集，串口中斷服務等。STM32系統初始化后，一方面接收串口2過來的位置信息，讀取數字溫濕度傳感器采集的溫濕度數據，然后將它們按北斗短報文通信協議打包，再通過串口1將短報文發送給北斗通信定位模塊；另一方面響應接收串口1過來的短報文，解析報文后根據指令重啟系統。航標燈終端的軟件設計總體流程圖如圖3所示。

圖3 航標燈終端的軟件設計總體流程圖

5 測試

航標燈終端的測試實物如圖4所示。用PC機和北斗通信模塊搭建上位機，由于還沒有編寫上位機管理中心軟件，故在此處用串口調試助手顯示串口接收到的數據，并通過串口助手按通信申請格式發送十六進制數的控制指令。

圖4 測試實物

實驗中，航標燈終端北斗卡號為403483，上位機北斗卡號為403482。上位機串口助手接收到的數據如圖5所示，實驗結果證明了航標燈終端能夠定時發送航標燈信息給上位機，實現了遙測功能。程序設定了當航標燈終端接收到上位機發送來的報文內容為0X01時，系統重啟。上位機用串口助手發送十六進制數（24 54 58 53 51 00 13 00 00 00 46 06 28 1B 00 08 00 01 43）給北斗通信模塊后，航標燈終端的初始化燈閃爍，證明航標燈終端接收到了上位機的重啟指令，完成了系統重啟，實現了遙控功能。綜上，實驗表明設計出的應用北斗通信定位技術的航標燈具備遙控遙測功能。

圖5 串口助手接收到的數據

6 結語

本文以STM32為終端的主控制器，植入北斗通信定位模塊，獲取位置數據，發送航標燈終端信息至上位機，接收上位機的重啟指令，實現了對航標燈的遙控遙測，增強了航標燈的通信能力，拓寬了北斗的應用范圍。下一步工作將運用Visual Studio 2017編寫上位機軟件，完成上位機的相關工作。