太陽能智能點位采集與處理技術在軍民兩用領域的應用研究

上海太陽能工程技術研究中心有限公司 王 順

為了滿足應用需求，軍用或民用定位跟蹤設備的體積越來越小，這同時造成設備蓄電池的容量下降，因能量供給問題使得設備無法有效使用，并造成數據缺失、應用局限、數據安全隱患等問題。針對這些問題，上海太陽能工程技術研究中心有限公司（以下簡稱“太陽能工程中心”）開展了太陽能智能點位采集與處理技術研究，不僅使設備終端的電能在使用過程中通過高效太陽能電池源源不斷地得到補充，而且有效解決了設備終端由于能源供給不足形成的各種問題。本文介紹了太陽能工程中心自主研發的太陽能智能點位采集與處理的核心技術，列舉了由太陽能智能點位采集與處理技術轉化形成的“點位魔盒”裝備在軍民兩用領域的應用實例，并對其應用前景進行了展望。

一、傳統軍用定位跟蹤器的應用及技術瓶頸

傳統軍用定位跟蹤器的體積較大，例如，目前部隊軍用車輛定位系統主要由服務器軟件平臺、指揮員監控客戶端和車載終端三部分組成。

指揮員監控客戶端主要由筆記本電腦和監控客戶端軟件構成，能夠完成對車輛的實時監控與各類歷史數據查詢，以及設置、接收和處理車輛報警等功能。車載終端部分主要包括安裝在車輛上的車載終端及信息接收屏等附屬設備。其主要用于接收信號、發送車輛位置信息、采集與轉發故障數據，以及響應遠程客戶端的各種指令以實現對車輛的管理和控制。圖1 為部隊軍用車輛定位系統。

圖1 部隊軍用車輛定位系統

傳統大型單位的軍用定位跟蹤器雖然基本可以實現大型單位目標運動軌跡的跟蹤和簡單的數據傳輸，但對于小型單位，如單兵可穿戴定位系統，由于能源供給等關鍵因素的制約，尚存在一定的應用瓶頸。其缺陷主要體現在以下幾個方面。

（一）點位數據缺失

因為單兵定位跟蹤器要求設備體積小，所以造成其供電能力有限，目前傳統軍用定位跟蹤器考慮到對裝備兼容性的影響，定位器的體積較小，電能無法提供長時間的供給且無法在使用過程中得到有效補充，所以追蹤使用中存在缺失數據的現象，從而影響定位精度及數據處理的有效性。

（二）拓展應用局限

為了增加設備的續航時間，需要裝備容量大的儲能電池，傳統軍用裝備通常采用通用化設計，如果定位跟蹤設備體積較大，質量大，則只適合在軍用車輛、艦艇等大型裝備上使用。但是對于單兵裝備，設備質量與續航時間很難同時兼顧，特別是野外作戰及訓練時對單兵裝備質量敏感，且目前通用單兵裝備的質量問題造成了士兵體力消耗，作戰、訓練時極為不便，所以在單兵可穿戴裝備及在對質量敏感的場景上存在應用局限的情況。

（三）數據安全隱患

由于設備可搭載的元器件、負載有限，考慮到定位精度要求，目前準軍用的定位裝備（如警用、消防用、救援用定位器）的定位模式采用全球定位系統（GPS）位置定位，GPS 定位在常規生活應用中無數據泄露風險，但在軍事應用、國土資源研究、安防應用方面，相關數據涉及國家安全和保密，應用GPS 等由國外運營商的定位系統，存在數據泄露的風險[1]。

二、太陽能智能點位采集與處理技術

在軍民兩用應用場景下，根據單兵所需的活動軌跡采集及監測需求，以及解決目前傳統跟蹤裝備中存在的數據缺失、應用局限、數據安全等問題，太陽能工程中心基于我國自主建設的北斗衛星導航定位系統的定位與數據傳輸功能，深入開展了北斗定位+衛星通信微型集成技術、微型一體化能量自供給芯片電源技術、全球地圖云平臺監控與分析技術等研究，并開發了全球微型“點位魔盒”，實現了軍民兩用裝備的微型輕量化、長續航時間、數據安全可靠的目標。其關鍵技術主要包括以下方面。

（一）北斗定位+衛星通信微型集成技術

針對目前傳統通用追蹤器采用GPS 進行位置定位且無法實時進行數據傳輸，并存在數據安全隱患的實際情況，太陽能工程中心研制了一款集成度更高的定位和通信模塊，同時也可以更好地減小設備的體積并降低功耗，提升設備續航能力。該模塊集成無鉛芯片載體（Leadless Chip Carriers，LCC）封裝、四頻段全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）/ GPRS和先進全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）算法于一體，具有體積小、功耗低、快速定位的優勢；依托北斗衛星的精準定位功能，可根據應用需求進行切換和關閉定位模式，定位更加精準；內置局部網絡結構（Local Network Architecture，LNA）和低功耗算法，能更好地提升信號接收的靈敏度并降低功耗，同時具備實時傳輸數據的能力。圖2 為集成式北斗定位+衛星通信原理示意圖。

圖2 集成式北斗定位+衛星通信原理示意圖

（二）微型一體化能量自供給芯片電源技術

傳統通用化追蹤器的電源采用儲能電池進行供電，電能無法進行補充，設備使用周期短，即使是目前較為先進的太陽能追蹤器，使用了晶硅或非晶硅太陽能電池，由于材料特性所限，也無法進行高效穩定的電能補充，且目前此類設備的太陽能小組件質量大、在有局部遮擋和潮濕環境下無法正常工作，易造成設備失效，所以對供電系統的微型化、輕量化、高可靠性提出了更高要求。太陽能工程中心研制的一體化能量自供給芯片電源模塊基于航天衛星電源系統的高效電能轉換采集、存儲、控制與可靠性設計理念，通過高效砷化鎵太陽電池芯片、一體化柔性印制電路、高比能鋰電池、自主管理芯片的一體化集成及優化，提升了一體化能量自供給芯片電源模塊的可靠性和穩定性，且由于其微型化與輕量化，可實現在全球微型“點位魔盒”裝備上進行應用。圖3 為一體化能量自供給芯片。

反射面天線根據口徑的數量和波束的合成形式可以分為單口徑單饋源、單口徑多饋源和多口徑單饋源3種形式。單口徑單饋源通過每一個喇叭照射反射面產生一個波束，雖然結構最為簡單，但是存在波束交疊增益低、波束掃描變形、載干比（C/I）低等諸多問題；單口徑多饋源通過多個喇叭的組合得到若干個等效多波束，在這過程中需要大量的移相組件和控制組件，實現難度大；多口徑單饋源則是利用不同口徑生成的波束間隔排列，這樣同一口徑生成的波束之間的距離增大，減少了能量的損失，提高了天線的增益，降低了副瓣電平[3]。

圖3 一體化能量自供給芯片

（三）全球地圖云平臺監控與分析技術

隨著監測個體數量的增加，個體、環境、位置等數據將會海量增長，所以需要在云端有效地組織、管理和共享這些多源、異構的數據。同時，很多對定位監測數據有需求的單位和機構，需要對全球范圍內的數據進行跟蹤、采集、分析，所以云端監控平臺需要在全球地圖上進行展示，但目前國內的地圖供應商還不能很好地提供此項服務。

在數據平臺建設方面，太陽能工程中心采用具備獨立服務器的云端監控平臺進行海量數據存儲，使監控單位的位置和狀態能直觀地在全球地圖上展現，還能提供數據下載功能，方便專業機構進行各種大數據的事后分析和儲存。該系統不僅提供了獨立的web客戶端監控平臺，方便專業機構對大量單體進行實時監控和監測，也提升了數據的安全性和保密性。圖4為全球地圖云平臺監控與分析終端軟件。

圖4 全球地圖云平臺監控與分析終端軟件

三、“點位魔盒”在軍民兩用領域的應用

點位采集與跟蹤技術是一種應用環境傳感器采集環境數據，通過GPS 或者北斗衛星定位技術獲取位置信息，并通過應用無線電或者衛星數據傳輸以獲取被監測樣本的位置信息、運動軌跡及所處環境情況的新型技術。“點位魔盒”裝備將此項技術進行了裝備化應用，具備微型化、長續航、數據安全、可以進行全球應用的特點。

（一）軍事應用

1.空降物資搜尋

對于身處不適合陸地運輸和敵后區域的部隊，如需進行快速補給，常常采用空投物資的方式，但受限于地域的特殊性，空投物資極易偏離預定地點或被敵方捕獲[2]。全球微型“點位魔盒”可綁定補給物資，并采用空投的方式，為身處難以通過公路運輸物資的部隊、海島邊防部隊、身處敵方占領地的特種部隊進行物資和裝備的快速補給。受地域和天氣因素的影響，傳統空投模式的物資有可能會偏離預定著陸區，延長搜尋時間，更有可能誤入敵方區域，給搜尋工作帶來危險。配備全球微型“點位魔盒”的空投物資，可持續向被補給部隊發送物資位置信號及周圍環境信號，能夠縮短搜尋物資的時間，使部隊更快、更安全地接受補給。圖5 為全球微型“點位魔盒”在物資空投方面的應用示例。

圖5 全球微型“點位魔盒”在物資空投方面的應用示例

2.邊境智能監控

我國幅員遼闊，擁有長達2.28 萬千米的陸地邊境線和超過3.2 萬千米的海岸線，以及大面積的沙漠荒地和無人值守區域，光靠邊防巡邏無法滿足大面積的國土監測和實時監控需求。高科技監視探測裝備由于能源供給局限，無法全天候進行監控。微型“點位魔盒”布防儀將北斗衛星定位系統與太陽能無線紅外探測器有機結合在一起，體積小，方便在空中進行廣泛布設。該裝備采用太陽電池與鋰電池聯合供電，借助通信中繼站，能夠將紅外控測數據傳輸至數據中心，從而實現無人區域的全時段布防監控。圖6 為微型“點位魔盒”布防儀的應用示例。

圖6 微型“點位魔盒”布防儀的應用示例

3.士兵野外救援

如果飛機在作戰過程中發生意外，飛行員跳傘后，可能會在荒漠、無人區甚至是敵方占領地著陸，由于飛行員迫降時隨身攜帶維持生命的資源有限，無法長時間在野外生存，而如果飛行員攜帶軍用太陽能跟蹤定位器，就可向己方主動發出求救信號，如果受傷無法活動，也可由己方搜救人員被動定位，從而在最短時間內被救出。圖7 為微型“點位魔盒”在作戰救援方面的應用示例。

圖7 微型“點位魔盒”在作戰救援方面的應用示例

（二） 民用應用

1.生態研究

動物保護在生態保護和人類生存環境的可持續發展中具有深遠的意義。以鳥類保護為例，鳥類是生態系統重要的指示生物，尤其是候鳥在春秋兩季會在繁殖地域和越冬地域之間進行長距離遷徙，對候鳥進行追蹤，研究其遷徙過程中的棲息地、遷徙路線，對候鳥保護、疾病傳播及防治，尤其是候鳥生存的生態環境研究具有重要的意義。采用微型“點位魔盒”實時動態追蹤鳥類，其能牢固地綁定在鳥身上，及時傳回數據，對追蹤數據的獲取具有重要意義。圖8 為微型“點位魔盒”在生態保護方面的應用示例。

圖8 微型“點位魔盒”在生態保護方面的應用示例

2.智慧放牧

現有模式下的畜牧業養殖多采用粗放型的養殖方式，牲畜分散在廣袤的牧場上，容易發生丟失或者牧民無法尋回放牧牲畜的情況[3]。應用北斗衛星定位技術和衛星數據傳輸技術的微型“點位魔盒”可以與放牧牲畜進行綁定，使牲畜的定位及追蹤問題能夠得以解決，牧民可以坐在家里用手機終端了解實時放牧情況，大大節約了時間，提高了效率。圖9 為微型“點位魔盒”在智慧放牧方面的應用示例。

圖9 微型“點位魔盒”在智慧放牧方面的應用示例

3.保護兒童安全

這種類型的微型“點位魔盒”可以采用具備裝飾外形的太陽電池充電，鋰電池可以做得很小，定位器也可以進行微型化處理并集成到各種偽裝物品中，由太陽電池進行充電；一旦充電達到可發送定位信號的程度時便發射一個定位信號，甚至一天內只需發送幾個點，但這幾個點對于處于危險的兒童而言就是救命的信號，能使警察和父母更早找到他們。圖10 為具備偽裝功能的微型“點位魔盒”在兒童安全保護方面的應用示例。

圖10 具備偽裝功能的微型“點位魔盒”在兒童安全保護方面的應用示例

四、總 結

太陽能工程中心通過開展太陽能智能點位采集與處理技術的研究，并依托我國自主建設的北斗衛星導航定位系統，實現了全球微型“點位魔盒”的軍民兩用應用，解決了傳統軍用/民用定位跟蹤設備因能量供給不足而造成的數據缺失、應用局限、數據安全隱患等瓶頸問題，同時，解決了因體積無法集成在可穿戴裝備上應用的問題。此外，太陽能智能點位采集與處理技術未來還能夠與5G 應用實現深度融合，依托大數據智能分析和處理技術，可在智慧城市建設、智能軍用指揮系統及多種軍民兩用應用場景中進一步發揮重要作用。