傷員搜救引導器的設計

鄒 渝，程桂禹*，康宏斌，代婷鈺，何厚伯，保永泰，鄭 然*

（1.陸軍軍醫大學陸軍衛勤訓練基地，重慶400042；2.陸軍軍醫大學基礎醫學院，重慶400042）

0 引言

陸軍戰場搜救行動中，快速、準確定位待救人員是準確實施搜救的首要前提，而傷員搜救引導器是實現這一目標的關鍵。目前，飛行員、潛艇人員、特戰人員及其他執行特殊任務的人員均配備了呼救定位裝置用于搜救引導，這些呼救定位裝置能夠有效滿足海、空軍傷員搜救引導的需要[1-2]。但是因應用場景不同，現有的呼救定位裝備無法有效滿足陸軍戰場搜救的需要，具體體現在以下幾個方面：（1）隱蔽性不強。現有呼救定位裝置報知距離通常較遠，需要增大信號強度來提高己方可探測性。如直接應用于陸地搜救，無法滿足隱蔽性要求。（2）不便攜帶。陸軍戰斗人員通常隨身攜帶戰斗裝備，單兵戰斗負荷已基本達到極限，難以增加額外負荷。（3）成本較高。現有呼救定位裝置采購需求小，總體費用不高。而陸軍戰場搜救需求量大，現有呼救定位裝置無法滿足陸軍大批量列裝的需要。因此，本文設計一種低功耗、便攜、經濟的傷員搜救引導器，以滿足陸軍戰場搜救裝備體系建設的迫切需要。

1 應用場景

陸軍作為陸上作戰的主體力量，戰場傷員搜救需要滿足全域機動、精確作戰的要求。陸軍戰場傷員搜救引導器要滿足陸軍多樣化作戰任務和復雜作戰環境下的使用需要，適應多種應用場景[3-6]。傷員搜救引導器的典型應用場景詳見表1。

2 性能需求

傷員搜救引導器應具有定位報知功能，因此綜合采用北斗衛星無線電導航系統（radio navigation satellite system，RNSS）定位和超短波定位技術為實現陸軍戰場傷員位置準確報知、傷員信息上報、距離精確測算等功能提供支撐。傷員搜救引導器的信號鏈路與應用場景如圖1所示，其性能需求包括基本性能、環境適應性和勤務適應性。

表1 傷員搜救引導器的典型應用場景

圖1 傷員搜救引導器的信號鏈路與應用場景

基本性能是傷員搜救引導器的主要性能需求，是實現戰場傷員搜救引導功能的關鍵指標。基本性能需求詳見表2。

表2 傷員搜救引導器的基本性能及需求

環境適應性是引導器對陸軍戰場環境的適應能力要求，對于確保引導器在不同自然環境下正常工作十分重要。對于軍事裝備而言，一般工作溫度為-20～55℃，存儲溫度為-55～70℃，環境相對濕度≤95%，傷員搜救引導器需要滿足溫度、濕度的通用性要求。針對傷員搜救引導器的特殊要求，抗風能力、抗淋雨能力和高原適應性等環境適應性指標的特殊需求詳見表3。

表3 傷員搜救引導器環境適應性的特殊性能及需求

勤務適應性主要是為適應不同任務需要，在抗沖擊、抗振動、電磁兼容性、隱蔽與防偵察能力方面的要求，以國家軍用標準為基本依據。為了滿足傷員搜救引導器戰場運用的特殊要求，勤務適應性特殊需求詳見表4。

表4 傷員搜救引導器勤務適應性的特殊性能及需求

3 設計方案

傷員搜救引導器的設計要符合多樣化應用場景，滿足基本性能、環境適應性和勤務適應性要求。引導器設計以ARM（advanced RISC machines）處理器為核心，包含超短波模塊、北斗模塊和紫外驅動模塊等，實現超短波專用救生頻點（243 MHz）搜救、北斗定位、紫外光定位等功能。其組成框圖如圖2所示。

圖2 傷員搜救引導器組成框圖

3.1 ARM主控模塊

ARM主控模塊以ARM處理器為核心進行開發。該處理器具有性能好、功耗低、價格優勢明顯等特點，能夠有效滿足陸軍戰場傷員搜救引導器的設計需求。其內部結構及外圍電路組成如圖3所示。

3.2 超短波模塊

超短波模塊由數字處理單元、頻合單元、接收單元和發射單元組成，如圖4所示。

圖3 ARM主控模塊組成框圖

圖4 超短波模塊組成框圖

3.2.1 數字處理單元

數字處理單元由現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）、數字信號處理器（digital signal processing，DSP）和A/D轉換電路組成。中頻信號經A/D轉換后，在FPGA內部完成編碼和載波同步、跟蹤、解調和解擴，然后將數據傳送給DSP。DSP進行譯碼后作出應答，將響應的數據（含響應指令、地址碼等）連同測距碼、同步碼、校驗碼等進行卷積和擴頻，經D/A轉換后傳送至發射單元。數字處理單元組成框圖如圖5所示。

圖5 數字處理單元組成框圖

3.2.2 頻合單元

頻合單元主要是為數字處理單元提供標頻時鐘信號，為接收單元和發射單元提供本振信號，如圖6所示。該單元采用低功耗微型貼片頻率合成芯片和溫度補償晶體振蕩器（temperature compensate x’tal oscillator，TCXO），可滿足壓控振蕩器（voltage controlled oscillator，VCO）低工作電壓、低功耗等技術要求，具有面積小、功耗低、可靠性高等優點。

3.2.3 接收單元

接收單元是將來自天線的射頻信號轉化為中頻信號，并將該中頻信號交由數字處理單元處理。接收單元包括保護電路、高頻放大電路（一級高頻放大電路、二級高頻放大電路）、混頻電路、濾波電路、中頻放大電路、自動增益控制（automatic generation control，AGC）電路等部分，組成框圖如圖7所示。

3.2.4 發射單元

發射單元主要實現中頻信號的上變頻、功率放大及濾波功能，以及在243 MHz救生頻點發射信標功率信號。發射單元原理框圖如圖8所示。

3.3 北斗模塊

北斗導航系統是我國自主研制的導航系統，技術應用比較成熟，具有自主、可控的優點，目前北斗3號已完成組網[7-9]。北斗模塊主要用于定位，定位完成后將定位結果通過串口傳送至北斗模塊，并將北斗模塊的短報文內容處理及發射出去[10]。北斗模塊主要包括數字信號處理部分和低噪放部分，其接收到的微弱信號通過處理進入基帶模塊，再將分析好的數據發送到上位機軟件，如圖9所示。

3.4 紫外驅動模塊和電源

紫外驅動模塊采用成熟電路驅動紫外燈。當發射端發射某一固定光功率的測距信號時，接收端接收到測距信號后通過功率測量得到接收光功率，再根據紫外光在大氣信道中的衰減特性，推導計算搜救定位距離。電源采用一次性鋰錳電池，具有安全性高、能量密度高、免激活、貯存壽命長等特點，可為設備各功能單元提供適宜的工作電壓和電流，滿足戰場傷員搜救引導器的設計要求。傷員搜救引導器外形與內部構造圖如圖10所示。

圖6 頻合單元組成框圖

圖7 接收單元組成框圖

圖8 發射單元原理框圖

圖9 北斗模塊組成框圖

圖10 傷員搜救引導器

4 試驗驗證

傷員搜救引導器設計完成后，進行樣機試制，同時結合引導器的典型應用場景進行試驗，以驗證功能的完整性。傷員搜救引導器的試驗驗證要滿足實戰化搜救任務和訓練要求，在性能試驗的基礎上突出任務需求滿足度考核驗證[11]。試驗條件、方法和驗證標準詳見表5。

表5 傷員搜救引導器的試驗條件、方法和驗證標準

經試驗，傷員搜救引導器在15~1 200 m高度范圍內北斗RNSS定位功能和超短波定位功能正常，電源續航能力能夠滿足設計要求。

環境適應性試驗采用室內環境條件試驗與室外自然環境試驗相結合的方式。勤務適應性試驗結合搜救任務進行，重點試驗傷員搜救引導器與現有搜救裝備體系的融合度。試驗結果表明，傷員搜救引導器各項參數達到設計要求，能夠滿足戰場搜救的需要。

5 結語

傷員搜救引導器設計以陸軍戰場搜救需求為牽引，以ARM處理器為核心，綜合集成超短波定位、北斗定位和紫外定位功能。通過樣品試制和試驗驗證，傷員搜救引導器各項指標達到設計要求，設計方案具有較強的可行性。傷員搜救引導器具有低功耗、低成本、便攜等特點，具有較強的推廣價值。后續需進一步結合戰場搜救場景開展作戰試驗，進一步驗證、完善傷員搜救引導器的設計。