海上無線電求救信號的定向與定位技術(shù)

何婉昀　王洪源　靳曉蕾

摘? 要：海上事故發(fā)生后，第一時間需要確認(rèn)的就是遇難人員無線電求救信號的具體位置，再進(jìn)一步展開救援。由于海上不可控因素的影響，我們無法直接獲取落水人員的具體位置。簡單無線電測向僅知道求救信號的方向而不知道距離，我們很難得知遇難人員的準(zhǔn)確方位。本文通過利用HMC5883L電子羅盤和ATGM336HGPS定位模塊與無線電測向接收機(jī)的結(jié)合，對接收到發(fā)射信號后實現(xiàn)精準(zhǔn)定位進(jìn)而實現(xiàn)高效搜救。

關(guān)鍵詞：海上搜救? 無線電測向? 電子羅盤? HMC5883L? GPS模塊? ATGM336H

中圖分類號：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0030-03

Abstract： After the maritime accident， the first thing to be confirmed is the specific location of the radio distress signal of the victims， and then further rescue. Due to the influence of uncontrollable factors at sea， we are unable to directly obtain the specific location of the person falling into the water. Simple radio direction finding only knows the direction of the distress signal but not the distance. It is difficult for us to know the exact orientation of the victims. Through the combination of HMC5883L electronic compass， ATGM336HGPS positioning module and radio direction finding receiver， this paper realizes accurate positioning after receiving the transmitted signal， so as to realize efficient search and rescue.

Key Words： Maritime search and rescue; Radio DF; Electronic compass; HMC5883L; GPS module; ATGM336H

由于海上氣候的多變以及很多不可控的因素存在，導(dǎo)致許多海難發(fā)生，如何快速且正確地進(jìn)行人員搜救成為了現(xiàn)階段我們最大的難題[1]。海上工作人員在出海作業(yè)時常常配備無線電臺，一般都是通過它進(jìn)行呼救。但是由于接收機(jī)為單值無線電測向設(shè)備，只知道方向，不能夠確定距離，因此在接收端還需要利用MEMS、GPS等技術(shù)對求救者位置進(jìn)行定位。

1? 無線電測向的三角定位原理

無線電測向是通過電磁波的傳輸來判定信號的傳輸方向的[2]，利用具有強(qiáng)方向性的接收天線來判定無線電波的來波方向，并用電子羅盤測定其與正北的的夾角，結(jié)合GPS接收機(jī)給出趕去救援的接收機(jī)的兩點坐標(biāo)，就能唯一確定求救信號的位置，原理如圖1所示。

在A點轉(zhuǎn)動接收機(jī)時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接收機(jī)沿AC方向探測時信號最強(qiáng)，利用指南針測量出此時的方向夾角，即AC與正北方向的夾角α，同時生成此處的地理坐標(biāo)并記錄下來。轉(zhuǎn)動指南針，保持搜救方沿偏離AC夾角為θ的方向前行（0<θ<90°），行使一段距離后再次記錄地理坐標(biāo)位置，此處記為B，利用GPS檢測出的數(shù)據(jù)計算出AB的距離。在B點同樣測量出與正北方向的夾角，記為η，β=360°-η，現(xiàn)在已知α、β、θ和AB的距離，我們可以通過三角形正弦定理計算出此時搜救方與落難方的距離，如圖1所示。

2? 基于GPS的自動化定位技術(shù)

2.1 HMC5883L電子羅盤

霍尼韋爾HMC5883L是三軸地磁傳感器，在實驗?zāi)M海上搜救時，忽略外界干擾因素，假設(shè)HMC5883L電子羅盤時刻保持水平，當(dāng)轉(zhuǎn)動接收機(jī)收到一個最大值時保持不動，測量出此時的接收方向與地磁北極之間的夾角記為α，如圖2所示。隨著搜救方在海上沿直線行駛一段距離后，再利用HMC5883L測出行駛后的偏向角記為β，再利用三角形定理進(jìn)行后續(xù)的推算。

2.2 ATGM336H

ATGM336H[4]是中科微的第四代低功耗單芯片北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而我們所用的AT6558分布到32個通道實現(xiàn)跟蹤獲取消息，聯(lián)合在一起實現(xiàn)共同定位，在同時接收從6個不同衛(wèi)星發(fā)射而來的信號的情況下，做到互不干擾，充分體現(xiàn)了這一系列產(chǎn)品靈敏度高、成本投入低且性價比高的優(yōu)勢，如圖3所示。

實驗時將Arduino電路板與ATGM336H相連，GPS原始數(shù)據(jù)從串口RX讀取出來，經(jīng)過TX串口發(fā)送給電腦，能夠?qū)PS的原始幀數(shù)據(jù)顯示出來。通過解析得到定位點的UTC時間，定位狀態(tài)是處于定位還是導(dǎo)航，此時所處的經(jīng)緯度以及方向，對地航速以及對地航向等。

以當(dāng)前位置為例，通過解析數(shù)據(jù)計算出此時的地理坐標(biāo)，latitude代表緯度，longitude代表經(jīng)度[5]。為了計算地球上兩點的距離，我們需要利用我們接收的GPS數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化成度分秒的形式，以緯度為例，假設(shè)我們此時收到的GPS數(shù)據(jù)為：

3? 計算兩點距離

當(dāng)我們計算地球表面上2個較近的點之間的距離時，使用Great-circle distance公式會用到大量的余弦函數(shù)，這樣計算出的cos值為0.9999....無限循環(huán)，接近于1，導(dǎo)致誤差很大。而haver sin公式（即半正矢公式，意思為sin的一半）采用的是正弦函數(shù)，計算出的距離相較于余弦函數(shù)精確很多。

R是地球半徑，取值近似于6371km;ω1和ω2分別為2個點的緯度;Δτ為2個點經(jīng)度的差。

將平面圖放置在地球模型來看，假設(shè)地球半徑為R，O是球心，我們需要計算出A、B兩個點的距離。在地球的北半球模擬A、B兩個點，坐標(biāo)用經(jīng)緯度表示出來，記為A（α1，β1），B（α2，β2）。兩條經(jīng)度線β1，β2相交于北極N，EF所在的線是緯度為0的赤道。分別在β1，β2兩條經(jīng)線上找到同一緯度的2個點記為C（α2，β1），D（α1，β2），由此構(gòu)成了一個平面上的等腰梯形ABCD，AC和DB的弦在圖上沒有畫出[6]。

由圖4可知，角EOF和角AOC可用經(jīng)緯度之差來表示，即∠EOF=β2-β1=δ=∠COB=∠APD，∠AOC=α1-α2=γ。由此得出：，

A、D兩點同處于半徑AP所在的同一緯度α1， ∠AOE=∠OAP=α1。H為A點向OE做的垂線，OH= AP=cos（α1）。故：，。

在等腰梯形ABCD中，由A點向BC做一條垂線，記AQ⊥BC。利用勾股定理推導(dǎo)得出：

AB2=AC2+AD×CB

將AC、AD、CB的值代入公式：

現(xiàn)在我們得到的是AB的弦長，而地球表面的真實距離為對應(yīng)弧長，所以我們還需要確定∠AOB的大小。將△AOB放在一個平面中，根據(jù)推導(dǎo)得到：

4? 結(jié)語

本文通過利用HMC5883L電子羅盤和ATGM336H定位系統(tǒng)的結(jié)合，精準(zhǔn)且快速地將落水者的位置確定下來。當(dāng)有多個遇難者同時求救時，可以唯一確定求救信號的準(zhǔn)確方位，提高海上救援工作的效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 李苯帥.基于最優(yōu)搜尋理論的海上搜救方案規(guī)劃方法研究[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2020.

[2] 夏陽.無線電通信技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新思考[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2019，16（14）：233-234.

[3] 孔令棚，林浩濤，吳淑樺.STC15W4K58S4的機(jī)械手無線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019，19（7）：86-89.

[4] 舒秀蘭，鄭旭斌，李澤森，等.ATGM336H+ESP01S的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2021：184-185.

[5] Hongsheng Xu. Charging Route Planning for Wireless Rechargeable Sensor Networks[J]. World Scientific Research Journal，2021，7（6）.

[6] 劉力榮，李菡.GPS坐標(biāo)與方向、距離相互轉(zhuǎn)換的計算公式推導(dǎo)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（14）：106.