應(yīng)用北斗通信定位技術(shù)的遙控遙測航標(biāo)燈設(shè)計*

鄭 偉 秦實宏 楊啟偉 饒 云

（1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205）（2.長江武漢航道工程局 武漢 430014）

1 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2018年12月27日，北斗三號開始提供全球服務(wù)，這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)正式邁入全球時代［1]。相比于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，BDS的獨特之處在于它除了可以定位、導(dǎo)航和授時以外，還具有短報文通信功能，相當(dāng)于它整合了通信衛(wèi)星系統(tǒng)和定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的功能［2]。雖然目前它的通信能力還不及專用的通信衛(wèi)星，但是它的覆蓋范圍相比GPRS、GSM等更廣，相比成本更低，在海域、山林和偏遠(yuǎn)地區(qū)等惡劣環(huán)境下，可低成本實現(xiàn)警情、災(zāi)情的應(yīng)急通信和位置報告［3]。

航標(biāo)燈用于海域、流域上，標(biāo)示著航道方向、界限、礙航物和危險警告，幫助引導(dǎo)船舶航行及定位。由此可見，它在航運、漁業(yè)、海洋開發(fā)和國防建設(shè)等方面都扮演著極其重要的角色［4～5]。將北斗的通信定位功能應(yīng)用于航標(biāo)燈，將大幅提升航標(biāo)燈的通信能力，提升航標(biāo)燈的公共服務(wù)水平［6]。

2 北斗通信定位功能介紹

北斗短報文通信功能是北斗一代定位機制的產(chǎn)物，北斗一代的定位方式是有源衛(wèi)星定位，用戶至衛(wèi)星的距離測量和位置計算無法由用戶自身獨立完成，必須由外部系統(tǒng)通過用戶的應(yīng)答來完成。正是這種定位方式使得BDS具備了短報文通信能力。BDS短報文通信的主要優(yōu)點有響應(yīng)速度快、抗干擾強、可靠性高、通信成本低、保密性較高、覆蓋范圍廣等［7～8]，缺點是目前民用的北主要是分鐘卡，且短報文漢字?jǐn)?shù)不超過36個［9]。

要實現(xiàn)短報文雙向通信，需要先購置北斗通信卡，每張通信卡都有唯一的卡號，通信機制跟移動手機通信機制類似。具體的通信流程為，發(fā)送方將包含接收方卡號和要發(fā)送的內(nèi)容加密后提交通信申請，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面中心站入站；地面中心站接收到通信申請信號后，將信號解密后加密，加入到出站電文中，被指定的接收用戶通過衛(wèi)星廣播接收信息；接收方接收到衛(wèi)星廣播的通信信息后，通過解調(diào)、解密和提取來獲得所需信息，完成一次通信［10～11]。

BDS的定位方式分為有源衛(wèi)星定位和無源衛(wèi)星定位兩種［12]。采用有源定位方式時，用戶終端只需要接收到兩顆北斗衛(wèi)星的信號。當(dāng)用戶終端發(fā)送北斗短報文定位請求給衛(wèi)星后，衛(wèi)星將請求轉(zhuǎn)發(fā)給地面中心站，中心站計算完成后，就將用戶終端的位置坐標(biāo)發(fā)送給衛(wèi)星，再經(jīng)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)到用戶終端，實現(xiàn)一次定位功能。采用無源定位方式時，用戶終端需要接收到三顆以上北斗衛(wèi)星的信號，通過用戶終端自身計算得出位置信息，從而實現(xiàn)定位，常用定位技術(shù)為差分定位技術(shù)［13～14]。

3 硬件設(shè)計

設(shè)計的遙控遙測航標(biāo)燈同傳統(tǒng)的遙控遙測航標(biāo)燈相比，只是更換了通信定位方式，對航標(biāo)燈遙控遙測的基本內(nèi)容沒有變化，還是位置、蓄電池電壓、溫濕度、水深等數(shù)據(jù)的檢測，以及航標(biāo)燈終端系統(tǒng)重啟功能等。本文設(shè)計的航標(biāo)燈終端要實現(xiàn)功能如下：采集航標(biāo)燈終端的位置和溫濕度傳感器實時數(shù)據(jù)，然后按北斗短報文通信格式處理打包，每分鐘向管理中心發(fā)送打包后的狀態(tài)數(shù)據(jù)；隨時接收來自管理中心的控制指令，然后按北斗短報文通信協(xié)議解包，并按解包得到的指令執(zhí)行系統(tǒng)重啟功能。遙控遙測航標(biāo)燈管理系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

航標(biāo)燈終端的硬件主要由微處理控制器（STM32）、北斗通信定位模塊、電源模塊等構(gòu)成。航標(biāo)燈終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

航標(biāo)燈終端使用的北斗通信定位模塊集成了RDSS射頻收發(fā)電路、功放電路、基帶電路等，它的基帶芯片為BM3005，它的BD/GPS雙模接收機為ATGM332D。該模塊可以實現(xiàn)RDSS、GPS/RNSS同時工作，支持北斗信號頻段和GPS信號L1頻段，可實現(xiàn)短報文通信功能、BD/GPS雙模定位功能。

圖1 遙控遙測航標(biāo)燈管理系統(tǒng)總體設(shè)計

圖2 航標(biāo)燈終端硬件結(jié)構(gòu)圖

4 軟件設(shè)計

航標(biāo)燈終端的程序設(shè)計主要包括以下幾個部分：主控制器STM32系統(tǒng)初始化，溫濕度數(shù)據(jù)采集，以及位置信息采集，串口中斷服務(wù)等。STM32系統(tǒng)初始化后，一方面接收串口2過來的位置信息，讀取數(shù)字溫濕度傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)，然后將它們按北斗短報文通信協(xié)議打包，再通過串口1將短報文發(fā)送給北斗通信定位模塊；另一方面響應(yīng)接收串口1過來的短報文，解析報文后根據(jù)指令重啟系統(tǒng)。航標(biāo)燈終端的軟件設(shè)計總體流程圖如圖3所示。

圖3 航標(biāo)燈終端的軟件設(shè)計總體流程圖

5 測試

航標(biāo)燈終端的測試實物如圖4所示。用PC機和北斗通信模塊搭建上位機，由于還沒有編寫上位機管理中心軟件，故在此處用串口調(diào)試助手顯示串口接收到的數(shù)據(jù)，并通過串口助手按通信申請格式發(fā)送十六進制數(shù)的控制指令。

圖4 測試實物

實驗中，航標(biāo)燈終端北斗卡號為403483，上位機北斗卡號為403482。上位機串口助手接收到的數(shù)據(jù)如圖5所示，實驗結(jié)果證明了航標(biāo)燈終端能夠定時發(fā)送航標(biāo)燈信息給上位機，實現(xiàn)了遙測功能。程序設(shè)定了當(dāng)航標(biāo)燈終端接收到上位機發(fā)送來的報文內(nèi)容為0X01時，系統(tǒng)重啟。上位機用串口助手發(fā)送十六進制數(shù)（24 54 58 53 51 00 13 00 00 00 46 06 28 1B 00 08 00 01 43）給北斗通信模塊后，航標(biāo)燈終端的初始化燈閃爍，證明航標(biāo)燈終端接收到了上位機的重啟指令，完成了系統(tǒng)重啟，實現(xiàn)了遙控功能。綜上，實驗表明設(shè)計出的應(yīng)用北斗通信定位技術(shù)的航標(biāo)燈具備遙控遙測功能。

圖5 串口助手接收到的數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

本文以STM32為終端的主控制器，植入北斗通信定位模塊，獲取位置數(shù)據(jù)，發(fā)送航標(biāo)燈終端信息至上位機，接收上位機的重啟指令，實現(xiàn)了對航標(biāo)燈的遙控遙測，增強了航標(biāo)燈的通信能力，拓寬了北斗的應(yīng)用范圍。下一步工作將運用Visual Studio 2017編寫上位機軟件，完成上位機的相關(guān)工作。