基于北斗/GPS的山區定位救援系統設計

泰山學院物理與電子工程學院 董 程 魏 浩 趙婧君 劉 磊

衛星導航[1]是通過全球導航衛星(Global Navigation Satellite System, GNSS)精確的測定位置和時間的方法。目前有美國的 GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗和歐洲的 GALILEO 系統[3]。 我國計劃 “北斗二代”到2020年實現全面商業化。

我國北斗應用范圍較廣，例如天津市薊縣林業局的森林防火實戰指揮系統[4]；鐵總公司的列車運行控制系統[5]；海洋漁業也應用了北斗系統[6]。在救援定位應用上，目前國內主要是 GPS+ 2G/3G通信模塊，但是在沒有手機信號情況下，這種系統無法做到報警救援。國內的惠州華陽公司曾開發了一款北斗 RDSS 應急終端ET600，具備樂一定的應急救援功能。但是體積較大，攜帶不便，價格貴，續航差。

針對目前國內山區及復雜環境下，移動信號失效時，無法準確定位、通信和搜救的問題。以北斗二代為基礎研究了一套能夠實時定位、通信暢通、體積適中、攜帶方便、價格低廉、通用性好、可靠性高、方便擴展的救援系統。

本設計主要解決三大問題：

（1）信號融合問題

目前北斗系統穩定性、精度、以及應用范圍都不如GPS信號。因此研究雙模式甚至是多模式下的定位導航[7]，可以進一步提高系統的精確度和穩定性。

（2）定位信號的抗噪性和補償算法

信號接收時的噪聲問題，尤其是信號的散射、反射產生的多徑效應，多普勒效應甚至被遮擋都是影響定位的因素。通過對芯片接收靈敏度的提高，考慮采用軟硬件算法對各種噪聲濾波的研究可以提高其抗噪性。在信號被阻擋的過程中，多模式導航可提高可靠性，如信號被完全阻擋，那么利用慣性導航原理輔以硬件加速度檢測器可以推算出坐標位置。

（3）嵌入式ARM系統開發

ARM硬件系統輔以Android操作系統使開發難度遠大于以往簡單的ARM和嵌入式開發足以滿足本系統以及未來的升級功能和后續開發要求。

系統的用戶終端通過北斗衛星通信鏈路與計算機控制中心連接，用戶終端包括控制、加速度檢測、多模定位、通信、存儲、電源等模塊以及鍵盤和顯示屏，各模塊均與控制模塊連接。

如圖1所示，山區定位救援系統還包括與電源模塊相匹配的充電裝置，包括太陽能充電器和支撐架。充電器包括折疊式軟布包9，包內表面布設有若干塊太陽能板8，包上設置有兩對粘貼鏈10，包通過10固定在支撐架的伸縮桿2上。其中，支撐架包括連接架和四個伸縮桿，連接架包括連接桿5和固定在連接桿5兩端的兩個連接筒4，連接筒的兩端均設置有內螺紋，伸縮桿2包括伸縮端1和固定端3，固定端 3 設置有與內螺紋配合使用的螺紋柱，伸縮端1設置有支撐腿6，四個伸縮桿2 通過固定端3的螺紋柱與連接架螺紋連接；支撐腿6為U型，支撐腿上端通過一銷軸與伸縮桿2的伸縮端1鉸接，銷軸的一端設置有螺紋配合的鎖緊螺母7；支撐腿設置有防滑膠套。

圖1 戶外支架模塊和太陽能充電模塊

本定位救援系統中選用多模定位模塊 BM3013，能夠使 GPS 和北斗兩大坐標系相互轉換結合，并在測距中利用兩者相互補償，提高了系統的準確性；選用加速度檢測模塊 MXA6500，當用戶發生跌落等意外情況時自動檢測并發送報警信息，選用三星 A9 四核 Exynos 4412 為控制模塊，芯片速率高、通用性好，未來可以繼續擴展升級 ；選用北京微電子所的研發芯片 BM3013 作為北斗及 GPS 衛星導航定位、短信（120 漢字 / 次）通信模塊，可在水平3m、高度 6m 內精確定位精度高，靈敏度好。

[1]趙琳.衛星導航系統[M].哈爾濱工程大學出版社,2001.

[2]冉承其.北斗衛星導航系統運行與發展[J].衛星應用,2016(6)：13-16.

[3]林金海.北斗導航通訊技術在海事安全管理中的應用研究[D].集美大學,2016.

[4]付立紅,王大震,張大永.薊縣護林員定位系統使用情況分析[J].森林防火,2014(3)：17-18.

[5]蔡伯根,上官偉,王劍,等.基于北斗衛星導航系統的列車安全定位保障方法[J].中國鐵路,2013(4)：12-17.

[6]居禮.北斗衛星導航系統在海洋漁業的應用[J].衛星與網絡,2013(3)：14-22.

[7]周巍.北斗衛星導航系統精密定位理論方法研究與實現[D].解放軍信息工程大學,2013.