一種適用于水上漂浮目標的北斗信標機
2014-02-03 06:32:00王嘉鑫
艦船科學技術 2014年2期
王嘉鑫
(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)
0 引 言
潛標與浮標是海上的主要試驗設備，浮標工作在水面，潛標位于水下一定深度，通常配備有重塊和浮體，當需要回收時，通過釋放重塊，依靠浮體浮力上浮到水面進行回收。設備浮在水面上時，如果不能及時發現就會導致設備丟失，造成重大經濟損失。
由于海上試驗條件復雜，目視查找距離近，受天氣、海況影響大，目前一般使用信標機進行定位，常用的信標機是通過GPS(全球定位系統)獲取定位信息，再經無線數傳模塊或GPRS(通用分組無線業務)傳輸定位信息，作業人員通過接收端判斷目標方位。但這2種無線通信方式都存在一些缺陷，無線數傳模塊傳輸距離有限，GPRS網絡覆蓋范圍有限，在海上距海岸一定距離(一般港口為50 km)以外無法取得信號。因此，設計一種能夠更可靠、更安全傳輸位置信號的信標機具有重要的實用價值。
北斗衛星導航定位系統是我國自主研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統，該系統主要有快速定位、簡短通信和精密授時三大功能[1]。本文根據實際應用需求，設計了一種北斗信標機，可與試驗設備捆綁使用，當試驗設備漂浮在水面時作業人員可通過接收裝置迅速進行定位，保障設備安全。
1 系統方案
1.1 系統組成
北斗信標機系統由信標機、接收裝置、定位軟件組成。其中信標機由電源模塊、北斗模塊、控制模塊、壓力感應模塊組成；接收裝置由電源模塊、北斗模塊、計算機組成；定位軟件由目標示位系統和聲提示系統組成。系統組成如圖1所示。
圖1 北斗信標機系統組成Fig.1 The system structure of Beidou satellite beacon
1.2 技術指標
北斗信標機技術指標如表1所示。
表1 信標機主要技術指標
1.3 系統工作原理
信標機設計成與浮體捆綁，如浮體為浮球可將信標機與浮體進行集成，使用可充電式鋰電池作為電源。信標機通過電源模塊轉換為各部分電路所需供電電壓，控制模塊采用低功耗電路，使用壓力傳感器作為壓力開關感應水壓變化，設備上浮之后水壓變小，信標機上電并開始工作。信標機每隔一定時間啟動北斗模塊獲得定位信息并通過短報文數據通信將設備的坐標位置向接收裝置發送，接收裝置通過定位軟件接收到目標信號后，發出聲信號報告，軟件能夠指示接收裝置與目標之間的相對位置和距離，作業人員根據現場情況確定回收方案。
2 系統研制
2.1 系統硬件設計
信標機主要由北斗模塊及天線、控制模塊、電源模塊、壓力傳感器、水密殼體組成。北斗模塊采用國內自主研發的一款集北斗和GPS于一體的小型化北斗模塊。該模塊集成度高、功耗低，可實現定位、測速功能和短報文通信功能，定位精度5 m CEP，定位時間小于37 s，數據輸出速率1 Hz，尺寸約為60×50×15 mm，天線選用北斗手持機用小型天線，尺寸約為45×45×15 mm，實物如圖2與圖3所示。北斗模塊提供兩路3.3 V TTL電平串行接口與控制模塊連接，為達到長期值守過程中功耗低的要求，控制模塊選用TI公司超低功耗微控制器MSP430F169。該控制器內部有2個UART異步串行通信接口，波特率由低頻時鐘輸入源及波特率寄存器產生[1]，開啟串口待機模式下功耗僅0.5 mA，同時MSP430微控制器工作電壓為3.3 V，可與北斗模塊串口相匹配，無需其他外圍電路，可有效減小電路模塊體積。接收裝置與計算機通信采用MAX3221芯片完成接口電平的轉換。
圖2 北斗天線Fig.2 Beidou antenna
圖3 北斗模塊Fig.3 Beidou module
信標機電源部分采用可充電鋰電池組供電，電池電壓為12 V，通過電源模塊將電池電壓轉換為各部分電路所需的正常工作電壓，滿足工作要求。MSP430微控制器的標準工作電壓為3.3 V，可通過HT7133芯片將電源電壓轉換為3.3 V。北斗模塊正常工作電壓范圍為4.9～5.2 V，接收電流280 mA，最大發射電流3 A，要求峰間波紋電壓最大100 mV，可通過TI公司的DC-DC模塊LMZ12003進行電源電壓轉換，該電源模塊可將7.5～20 V的電壓轉換為5 V，輸出電流3 A時效率大于85%，輸出電壓紋波8 mV，滿足使用要求，同時該模塊具有使能腳，在發射信號后的間歇期可通過微控制器控制使能腳對北斗模塊進行掉電以節省功耗。為避免在北斗模塊掉電時，控制器串口對其產生影響，采用二極管進行隔離。
信標機外殼采用水密耐壓設計，努力做到結構緊湊，減小體積。為保證信標機與北斗衛星良好的通訊效果，信標外殼應選用透波材料，在信標機露出水面時，天線應在信標機頂端，與衛星之間無遮擋。圖4為信標機內部安裝示意圖。
圖4 信標機(本圖為浮球)內部安裝組成Fig.4 The internal installation structure of beacon(this picture shows the float)
2.2 系統軟件設計
海上試驗時往往需要多個設備同時入水，在軟件設計時為每個信標機分配不同編碼加以區分，寫入控制模塊內部Flash存儲器中。信標機軟件流程如圖5所示。當信標機跟隨設備上浮至水面后，信標機上電并開始工作。控制模塊控制電源模塊使北斗模塊上電，接收北斗定位信息，北斗定位信息數據格式為NMEA0183數據語句，由于在本系統中更關心設備的位置信息，因此控制模塊只讀取其中包含經緯度信息和時間信息的GPRMC(推薦定位信息)語句，這樣可以減少數據傳輸量，降低功耗。GPRMC數據格式如表2所示。
圖5 信標機軟件流程Fig.5 The software flow chart of beacon
＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>?hh
MSP430微控制器的功耗可以通過開關狀態寄存器的控制位來控制，在通常情況下，根據需要使用軟件將微控制器設定到低功耗工作模式下，在串口接收到數據時使用中斷將微控制器從低功耗模式中喚醒，利用主程序判別，當接收到字符串為“MYMGPRMC”時，記錄接下來的數據信息并分析，如果數據定位狀態字符為“A”(有效定位)，判定該組數據有效，通過短報文向接收裝置進行發送，短報文的內容應包括該北斗信標機編號、經緯度坐標、時間信息，根據需要可將信息經加密處理后傳輸。另外在數據傳輸過程中，由于信道的干擾可能會造成誤碼，為保證數據傳輸的可靠性，在本系統中采用CRC(循環冗余校驗)校驗算法，在數據發送端計算得到發送時的CRC值，并將該值填充到數據幀中，在接收端根據接收到的數據幀計算CRC的值，并將計算得到的值與接收到來自發送端的CRC值進行比較，如果2個值一致則數據正確。由于北斗衛星通信時間間隔長，二類民用用戶連續2次通信需要至少1 min的時間間隔，北斗模塊功耗又相對較大，因此信標機采用間歇工作模式，在發送位置信息后關斷北斗模塊電源，在一定時間后再啟動北斗模塊重新定位。
定位軟件使用Microsoft Visual Studio 2008編寫，軟件通過RS232口接收數據，通過定位算法，以接收裝置(如搜索船)為中心，采用網狀框圖，將目標顯示在搜索船周圍。定位軟件通過驅動系統蜂鳴聲，實現聲報警功能；不同信標機發出不同的區分碼，定位軟件以此區分目標，定位軟件界面如圖6所示。
圖6 定位軟件界面Fig.6 Positioning software interface
3 相關試驗
研制過程中，在某海域進行該系統樣機的海上驗證試驗。天氣狀況：3級海況，北風，風速局部5～6級，有霧。
試驗內容如下：
1)浮體沉入水下，上浮后5 min之內收到信號，在水面上漂浮時天線向上，設備在水面搖擺，隨著波浪起伏。在此過程中，信號無中斷，試驗狀態與工作狀態相符。
2)在不大于3級海況情況下，浮體在海浪中漂浮，能夠收到穩定、連續的信號，滿足設計要求。
圖7 信標機樣機水中狀態Fig.7 Prototype state in water
4 結 語
經試驗驗證，信標機能夠適應3級海況的工作需求，在風浪中漂浮，設備運行穩定。使用正常，滿足使用要求。
本系統研制屬實用技術研究，具有功耗低，體積小，不受傳輸距離限制的特點。此次研制包括北斗定位、通信技術和低功耗微控制器的研究，完成了信標機及接收裝置的硬件設計和定位軟件編寫，同時進行了系統的低功耗設計。將信標機與試驗設備捆綁使用，當試驗設備露出水面后，能迅速判定方位，保障設備的安全，有效地減少不必要的損失，具有重要意義。
[1] 黎明,時海勇.基于北斗衛星的大型海洋浮標通信機制研究[J].海洋技術,2012(1):1-5.
[2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：航空航天大學出版社，2008.
