北斗信標機在深海潛標中的應用

摘要：隨著我國海洋資源的開發和利用，浮標潛標以及海岸基的布放數量隨之增加。由于海底環境比較復雜，近海漁民捕撈活動比較頻繁，捕撈范圍有所擴大，這對水下設備的安全構成了威脅。并且，在設備打撈回收時，復雜的海況會增加回收標體的難度，容易造成丟標事故。文章通過“GPS+北斗”雙星定位，結合壓力檢測，設計并實現了一種可用于水下平臺意外出水報警、出水后實時定位的衛星定位信標機系統，經多次應用證明其性能穩定可靠。

關鍵詞：GPS;北斗雙星定位;深海;系統

中圖法分類號：TN967文獻標識碼：A

Application of Beidou beacon in deep sea submarine beacon

CHEN Junji

（715 Research Institute of China Shipbuilding Group，Hangzhou 310000，China）

Abstract：With the development and utilization of China's marine resources， the number of buoys， submarines and coastal bases is also increasing. Due to the complex seabed environment， the fishing activities of offshore fishermen are more frequent， and the fishing depth and scope have been expanded. These activities pose a threat to the safety of underwater equipment. In addition， during equipment salvage and recovery， complex sea conditions will increase the difficulty of recovering the standard body， which is easy to cause standard loss accidents. Through “GPS+Beidou” double satellite positioning and pressure detection， this paper designs and implements a satellite positioning beacon system which can be used for accidental water out alarm of underwater platform and real-time positioning after water out. After many applications， it has been proved that the performance is stable and reliable.

Key words： GPS， Beidou double star positioning， deep sea，system

隨著北斗定位通信技術的不斷發展，定位精度逐步增加，北斗通信系統可進行短報文通信。2020年，北斗衛星信號完成全球覆蓋。目前，國內信標回收體系不完善，相應功能與國外主流產品還存在一定差距，在功能與回收服務方面有很大的提升空間。本文從海床基監測平臺實際應用的需求出發，開發出一款續航時間長和定位精度高的北斗信標機。該設備使用壓力傳感器進行出水檢測。為了配合布放，在信標機外側安裝了磁力開關。北斗短報文通信模塊為 RD0538。信標機內部初始設置接收端北斗 ID、發射次數，將位置坐標信息經過加密后發射至衛星轉發站。

如圖1所示，通過將接收到的數據傳輸至服務器，可將信標機數據傳輸至客戶郵箱或者手機終端，達到實時監測的目的。為了滿足水下待機時間較長的需求，選擇鋰氬硫酰氯電池，一年期自放率2%。該設備配置了藍牙配置串口，可通過手機與信標機內部藍牙配對，方便參數設置和更改，并方便布放前檢查設備。目前，該設備經過多次海試以及布放回收作業，多次實時反饋潛標意外上浮狀況，通知業主進行回收打撈，幫助業主挽回經濟損失，在現場回收作業中，可迅速報告作業船只精確位置，對目標物打撈起到很好的輔助作用。

1系統硬件設計

1.1系統組成

信標機回收系統由信標機主體和數據終端接收轉發平臺構成。信標機主體包括主控電路、北斗短報文配置電路、鋰氬硫酰氯電池包、壓力檢測電路、GPS 加北斗雙定位模塊、天線和磁力開關[1]。天線置于信標機頂部，外殼采用聚甲醛材料，方便北斗信號傳輸。數據終端接收轉發平臺由北斗接收終端、串口線、上位機、上位機顯控軟件組成。信標機發出位置信息，接收終端收到位置信息后，可通過后臺軟件顯示出來，若計算機連接互聯網，也可以轉發至用戶郵箱或通過短信方式發出。

1.2信標機電路設計

1.2.1主控電路

水下信標機以 STM32L151C8T6作為控制芯片，主要包括 MCU 模塊、晶振電路、復位電路、啟動模式電路和下載調試電路，如圖2所示。

STM32L151主控芯片用3V 供電，UART2用于傳輸北斗短報文信息，UART1用于接收讀取雙模位置信息，UART3用于配置信標工作的參數信息，藍牙連接也可以通過該串口進行訪問

1.2.2雙模定位電路

為了滿足高精度的定位回收要求，采用了北斗加 GPS 雙定位模式，其定位方式屬于被動定位，在定位時無須用戶向衛星發送定位申請，其工作頻段為北斗二代的 B1頻段和 GPS 的 L1頻段。

定位模塊選擇了 JS?U810，由于不需要一直訪問位置信息，如信標機出水后5min 需要獲取一次位置信息，為了降低系統的功耗，采用肖特基二極管電路來控制定位模塊的供電。當系統需要獲取位置信息時，二極管導通，為模塊提供電源，當獲得有效數據之后斷開模塊電源連接，滿足低功耗、長續航要求。

1.2.3衛星通信電路

系統選用的江蘇博納雨田通信模塊 RD0538，這是一款 RDSS 單模通信模塊，產品性能穩定。RD0538內部集成了射頻收發電路、數字解調電路、運放及其他電路。該模塊采用5V 供電，待機功耗≤0.65W，發射瞬間功耗≤15W 。IC_SCLK，IC_SD ，IC_SRSTIN 和 IC_VCC 為模塊的 SIM 卡接口，在 RD0538模塊與 SIM 卡接口處需要做防靜電保護。VCC_PA 為 RD0538射頻模塊供電，RNSS 短報文發射瞬間電流可達2.5A ，根據設計要求，此電路需要滿足2.7A 電流要求，并且要鋪銅，走線要寬大。VCC_PA 外側放置兩個220uF 的鉭電容，用來保證發射時電流要求;VCC 用來提供小信號供電，為了保證供電質量，在 VCC 外側放置電容用于濾波，使電源紋波<50mv。

1.2.4供電電路設計

北斗短報文在發射瞬間的電流可達3A 左右，為了滿足多種情況的供電需求，并且供電模塊同時為 STM32和 RD0538、定位模塊等器件供電，以及為防止北斗發送消息瞬間電壓被拉低，供電模塊選用德州儀器公司的 TPS54527芯片提供5V 直流電平輸出，最大對地電流可達5A;輸入端允許7V ～15V 電壓，范圍較寬，可滿足三節或者四節鋰氬硫酰氯電池組供電。

1.3信標機軟件設計

信標機上電后，通過定位模塊處理位置信息，通過短報文模塊將數據發送至船載接收端。并且，為了方便調試，在信標機串口端加裝了藍牙接收模塊，可通過 APP 遠程進行數據設置。因項目要求，須每5min 上傳一次位置信息，所以短報文發射間隔設定為5min 。

1. 3.1定位信息處理

定位模塊具有 BDS/GPS 雙模定位功能，數據格式滿足 NMEA 3.0協議，在其基礎上擴展為滿足北斗通信定位協議[2]。對比通信內容，其中 RMC（推薦定位信息）適合作為信標機的位置信息來源，其數據幀結構包含 UTC 時間、地理位置信息等，其輸出格式為：

$GPRMC ，time ，status ，Lat，N ，Lon ，E ，spd，cog，

date? mv? mvE? mode ?cs

位置信息處理代碼為：

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（strstr（ p_result，"."））

strcpy（ str_Latitude，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（（strcmp（ p_result，"N"）==0）||（ strcmp（ p _

result，"S"）==0））

strcpy（str_NS，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（strstr（ p_result，"."））

strcpy（str_Longitude，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）

if（（strcmp（ p _result，"E"）==0）||（ strcmp （ p _ result，"W"）==0））

strcpy（str_EW，p_result）;

1.3.2藍牙遠程配置處理

為了方便參數設置，采用 INI 驅動為藍牙設備參數配置[3]。用 APP 打開藍牙，打開 HC_BLE 助手軟件，連接編號為 HC?08的藍牙接口。原始參數設置可寫在 E2 PROM 內，信標機上電后，INI 可從 E2 PROM 內讀取設置參數，并且將原始參數初始化。表1為藍牙連接配置指令。

INI 調用示例代碼：

instance：INI ?

dst_num：uint32_t

freq：uint32_t

tel_num：uint32_t

getInstance（）：INI ?

Load_Cfg（cfg：Cfg_Info&）：void

Cfg_Process（）：void

Set_Default_Dst（）：void

Set_Default_FREQ（）：void

INI（）

read（addr：uint32_t）：uint32_t

write（addr：uint32_t，data：uint32_t）：void

2信標機工作性能測試

2.1電池耗盡測試

考慮到信標機在水下工作時間較長，并且其發射瞬間電流較大，所以選擇了功率型的鋰氬硫酰氯電池組，選用9節鋰氬硫酰氯26500電池，采用三串三并的連接方式，輸出電壓11V 左右，單節電池容量為8000mAh ，總計72000mAh 。信標機待機功耗為0.5W，發射瞬間功耗為10W（發射瞬間0.2s）

單次5min 消耗電量為0.043wH=11.61mAh ，假設其放電效率為80%，可計算該信標機原則上可發射4961次，能夠連續發射17天。

在實際應用過程中，該信標機搭載設備在東海某地意外上浮，接收終端可接收18天左右的完整數據，定位周期為5min。

2.2信標機海試實際應用

2021年8月，搭載某海床基項目，在南海某地進行海試，能夠滿足設計使用需求，能夠在上浮5min 內回傳位置信息，回傳后的位置信息與船上的 GPS 位置信息幾乎一致，偏差在5m 內，可以精確地找到坐標位置。2022年2月，某搭載平臺被漁網意外打撈，根據信標機位置信息準確定位到相應漁船，在漁船靠岸前準確聯系到船長，為國家挽回數百萬元的經濟損失。

3結論

經過實驗論證以及實際應用，該信標機擁有長續航、低功耗、易操作等優勢，通過了各項質量檢查，可在海底500m 內進行長時間布放，可在水下續航達5年之久，定位精度可在5m 內，方便潛標找回，搭載定時釋放裝置，可對原有的脫鉤釋放系統進行完善，大幅度提高了潛標的回收率。設備若被意外打撈，也可進行遠程跟蹤，將位置信息發送至業主手機或郵箱，大幅度減少信標終端的維護成本。

參考文獻：

[1]鄭俊華，譚秋林，秦小龍.基于兩路 GPS 信息接收和切換的無線信標機設計[J].電子器件.2015，38（4）：863?867.

[2]何方城，甄國涌，單彥虎.基于北斗通信的小型無線信標機設計[J].電子器件.2020，43（1）：15?19.

[3]歐陽育華，張威.基于北斗衛星導航系統的救生信標機[J].江蘇科技信息.2017（19）：41?42.

作者簡介：

陳俊吉（1992—），碩士，助理工程師，研究方向：控制工程。