個(gè)人示位標(biāo)研究與設(shè)計(jì)

姚克波 陳岱岱

摘? ?要：隨著海事活動(dòng)、戶外探險(xiǎn)、野外作業(yè)的廣泛開展，緊急情況下快速準(zhǔn)確的人員定位技術(shù)越發(fā)關(guān)鍵。文章首先闡述個(gè)人示位標(biāo)的概念與原理，設(shè)計(jì)了個(gè)人示位標(biāo)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試其在個(gè)人緊急定位方面的性能。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的個(gè)人示位標(biāo)性能穩(wěn)定可靠，能夠在2 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，定位誤差小于50 m。

關(guān)鍵詞：個(gè)人示位標(biāo);PLB;緊急定位;無(wú)線電通信

個(gè)人示位標(biāo)（Personal Locator Beacons，PLB）是一種小型手持式無(wú)線電裝置，是個(gè)人用全球遇險(xiǎn)搜救的最佳設(shè)備。所有的PLB工作頻率為406 MHz的遇險(xiǎn)求救信號(hào)以數(shù)字模式傳輸，以及121.5 MHz的尋位信號(hào)以模擬信號(hào)模式傳輸，具有攜帶方便、報(bào)警快速精確、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于戶外探險(xiǎn)、野外作業(yè)等領(lǐng)域。緊急情況下，可手動(dòng)啟動(dòng)PLB，發(fā)射無(wú)線電求救信號(hào)至國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPAS—SARSAT），實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的及時(shí)救助[1]。

在2015—2017年內(nèi)，COSPAS—SARSAT系統(tǒng)顯示每年平均有2 300余人通過(guò)示位標(biāo)獲救，在多次遇險(xiǎn)事件中，示位標(biāo)提供了唯一的求救信號(hào)[2]。個(gè)人示位標(biāo)的應(yīng)用加快了遇險(xiǎn)事件的救援速度，有效降低搜救成本和個(gè)人生命安全及財(cái)產(chǎn)損失。因此，目前在澳大利亞新南威爾士州、新西蘭政府這兩個(gè)地方免費(fèi)為徒步旅行者提供個(gè)人示位標(biāo)。

1? ? 國(guó)內(nèi)外PLB研究情況

根據(jù)COSPAS—SARSAT官方網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)資料，2012年全球生產(chǎn)PLB為6.359 7萬(wàn)臺(tái)，更換1.209 4萬(wàn)臺(tái)，保有量46.867 1萬(wàn)臺(tái)。全球主要PLB廠商主要集中于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家（見表1）。其中，美國(guó)ACR公司是世界最大的示位標(biāo)制造商，示位標(biāo)產(chǎn)品型號(hào)超過(guò)73個(gè)，生產(chǎn)的PLB產(chǎn)品最早通過(guò)了COSPAS—SARSAT的認(rèn)證。澳大利亞GME公司是澳大利亞及新西蘭這兩大示位標(biāo)需求大國(guó)唯一的示位標(biāo)制造商。英國(guó)Ocean公司的Rescue Me是目前世界最小的PLB。

在2013年之前，國(guó)內(nèi)的PLB產(chǎn)品主要以代理國(guó)外產(chǎn)品為主，在中國(guó)電子科技集團(tuán)及海洋領(lǐng)域高校的研究推動(dòng)下，國(guó)產(chǎn)PLB產(chǎn)品主要應(yīng)用于海洋電子產(chǎn)業(yè)中面向落水人員救助，在陸上探險(xiǎn)、野外作業(yè)等領(lǐng)域具有較大市場(chǎng)潛力[3]。

2? ? PLB系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于綜合PLB產(chǎn)品快速精確定位、內(nèi)置衛(wèi)星通信、漂浮能力等方面的需求，現(xiàn)提出PLB的設(shè)計(jì)方案，其整機(jī)電路方案原理框架如圖1所示。

其中，呼救信號(hào)主體功能由406 MHz發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)。406 MHz發(fā)射機(jī)主要由溫補(bǔ)晶振TCXO、相位調(diào)制器PM、鎖相環(huán)PLL、功放PA、帶通濾波器BPF等組成。TCXO產(chǎn)生12.688 750 MHz基準(zhǔn)頻率，經(jīng)相位調(diào)制和32倍頻后，得到406.040 MHz調(diào)相信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)后處理，通過(guò)天線發(fā)射至搜救衛(wèi)星。

同時(shí)，121.5 MHz尋位發(fā)射機(jī)輸出ASK掃頻音信號(hào)，附近搜救人員通過(guò)該信號(hào)可定位PLB大體位置。電路由121.5 MHz晶體振蕩器、ASK幅度鍵控調(diào)制電路、功放PA、帶通濾波器BPF等組成。其中，調(diào)制信號(hào)（掃頻音）由主控器MCU產(chǎn)生，電路采用超低工作電壓器件和高效降壓電路降低電池電力消耗。

內(nèi)置的GPS接收機(jī)提供更高定位精度，直接將當(dāng)前GPS定位信息發(fā)射給搜救衛(wèi)星，使定位精度由原來(lái)3.7 km（衛(wèi)星多普勒定位精度）提高到100 m以內(nèi)，并能及時(shí)更新當(dāng)前位置信息。

天線采用卷尺天線，配合天線匹配電路實(shí)現(xiàn)兩頻點(diǎn)50 Ω阻抗，兩頻點(diǎn)共用一根天線。

閃光燈在夜間會(huì)自動(dòng)開啟，以2～3 s的間隔閃爍，方便夜間搜救人員定位。

紅外編程器采用USB接口與PC機(jī)連接，紅外部分采用的是異步收發(fā)方式，載波頻率38 kHz，數(shù)據(jù)波特率為1 200 bps，具有雙向傳輸功能。

3? ? 射頻輸出信號(hào)穩(wěn)定方法

在整個(gè)工作周期及溫度范圍，電池電壓變化范圍達(dá)到7～9.6 V，以保證射頻輸出相位調(diào)制信號(hào)的調(diào)制深度、調(diào)制斜率、調(diào)制對(duì)稱性以及射頻輸出功率的穩(wěn)定性。本文根據(jù)電壓分段原理，用實(shí)時(shí)溫度值對(duì)射頻功放的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)采用溫度、電壓及射頻功率傳感器，形成閉環(huán)控制，確保穩(wěn)定的射頻輸出（見圖2）。其中，MCU接收檢測(cè)功率、電池電壓和功放溫度信號(hào)，PID控制對(duì)功放進(jìn)行模擬調(diào)整。

4? ? PLB性能測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)PLB的性能，在烏克蘭FCC Equipment Testing Firm公司的The Public Enterprise Testing Centre Omega測(cè)試中心開展PLB性能測(cè)試。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)COSPAS—SARSAT 406 MHz Beacon Type Approval Standard C/S T.007。試驗(yàn)方案分別在兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)兩類配置方案進(jìn)行定位耗時(shí)和定位精度測(cè)試，其中，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)事先精確測(cè)定，且兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)相距8.71 km（見表2），配置方案如圖3所示。

測(cè)試點(diǎn)1 緯度：44°35'14.64'' 經(jīng)度：33°29'20.04''

測(cè)試點(diǎn)2 緯度：44°31'19.66'' 經(jīng)度：33°32'59.26''

配置方案1 桌上測(cè)試（a）—距離地面1 m高鋁板桌

配置方案2 地面測(cè)試（b）—鋁板底座

測(cè)試結(jié)果如表3所示。所設(shè)計(jì)的PLB在測(cè)試點(diǎn)1的定位數(shù)據(jù)為緯度 44°35'16''，經(jīng)度 33°29'20''。PLB在測(cè)試點(diǎn)2的定位數(shù)據(jù)為緯度44°31'20''，經(jīng)度33°33'00''。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了個(gè)人示位標(biāo)，設(shè)計(jì)406 MHz發(fā)射機(jī)核心電路及121.5 MHz尋位發(fā)射機(jī)電路，并設(shè)計(jì)了MCU控制射頻輸出相位穩(wěn)定控制閉環(huán)回路。最后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)定了PLB的定位性能，定位耗時(shí)小于2 min，定位誤差小于50 m，能夠滿足緊急情況下的個(gè)人示位。

表3? PLB定位測(cè)試結(jié)果

配置方案 測(cè)試點(diǎn)1 測(cè)試點(diǎn)2

定位耗時(shí)/s 定位誤差/m 定位耗時(shí)/s 定位誤差/m

配置1—桌上 104 41.9 104 19.4

配置2—地面 104 41.9 104 19.4作者簡(jiǎn)介：姚克波（1977— ），男，江蘇連云港人，工程師，大專;研究方向：特種無(wú)線通信。

[參考文獻(xiàn)]

[1]SERRA A A，NEPA P，MANARA G.A wearable two-antenna system on a life jacket for cospas-sarsat personal locator beacons[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation，2012（2）：1035-1042.

[2]馬瑞寧.AIS個(gè)人搜救示位標(biāo)的研究及應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2015（2）：14-15.

[3]方雄生，薛國(guó)松，陳凱.基于北斗RDSS的個(gè)人示位標(biāo)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界，2016（12）：8-9.

Abstract：With the extensive development of maritime activities， outdoor exploration and field operations， rapid and accurate personnel positioning technology is becoming more and more important in emergency situations. In this paper， the concept and principle of personal locator are introduced， and the prototype of personal marker is designed， and its performance in personal emergency positioning is tested by practical experiment. The results show that the performance of the personal indicator is stable and reliable， and the positioning error is less than 50 m in 2 min.

Key words：personal indicator; PLB; emergency location; radio communication