基于北斗海事衛星船載終端的設計與應用

□ 文 丁 祥

一、引言

之前國內漁船基本裝備基于GSM/CDMA/LTE網絡或者電臺開發設計的船載終端，實現船舶定位導航、語音通信和數據傳輸功能，但在遠海公網無覆蓋區域，應用受到限制，無法滿足遠洋作業通信需求。

北斗導航系統是中國自主建設、獨立運行的全球衛星導航系統，從2000年北斗一號提供區域性有源導航功能開始，分階段建設北斗二號、北斗三號，2020年實現了全球衛星導航功能。

Inmarsat系統是利用衛星作為中繼站的海事衛星移動通信系統，它具有全時、全天候、穩定、可靠、高質量等優點。而我國于2016年8月發射“天通一號01”衛星，建設自主地球同步軌道衛星移動通信系統，當前也已投入試商用。

這樣的背景下，開發基于北斗衛星導航系統與Inmarsat移動衛星通信融合船載終端與應用系統，在公網無覆蓋區域建立船與船、船與岸有效的信息交互，實現語音通信、數據通信、電子圍欄、一鍵報警等功能，規避敏感水域作業、漁船越界捕撈，提升了漁業漁政管理以及防災減災、應急救援、指揮調度等領域精細化和智能化水平。同時滿足漁民作業時對遠洋通信的基本需求。

二、系統總體設計

面向海洋漁業監管部門、授權行業和公眾用戶，構建起覆蓋沿海以及遠海作業區域，支持高可靠、大容量和高并發，天地一體化綜合信息服務系統。通過北斗海事雙模終端、衛星系統、北斗運營中心、移動基站、公共服務平臺，為漁業主管部門和海上作業漁船建立一種有效的溝通與信息交互機制，為應急指揮決策提供支撐。原理如圖1所示。

在后臺岸基指揮中心搭建船聯網位置公共服務平臺，北斗海事雙模船載終端采集漁船在航行過程中的數據信息，通過北斗短報文系統傳送到公共服務平臺，平臺根據業務需要自動生成圖形與數據，并進行統計、比較、分析、響應、列表等處理，提供移動目標船舶定位、監控、監聽、調度、遠程控制、軌跡回放、聯網報警求助及信息發布等服務，同時通過桌面用戶工作站、手持移動端、web等方式實現信息交互。

在前端漁船部署北斗海事雙模船載終端，融合北斗導航、GIS、AIS、移動衛星通信等技術，實現航行環境全方位感知、監控和綜合信息服務，保障漁船全天候安全暢通航行和生產作業安全，滿足漁民遠洋基礎語音通信需求。

圖1 系統原理框圖

三、終端總體設計

終端總體設計由海事單元、北斗通信單元和顯控單元三個部分組成，如圖2所示。

顯控單元通過電纜分別連接海事單元、北斗通信單元、主供電源，實現人機交互、海圖展示、一鍵報警、語音通話功能；北斗通信單元主要由天線、射頻模塊、主板組成，通過北斗/GPS系統實現定位、短報文通信功能；海事單元主要由MSS通信模塊、數據處理、天線組成，通過海事移動衛星通信系統，實現船船、船岸、網內與公網之間語音通信，為用戶提供全球覆蓋的語音通信。

圖2 終端總體設計及原型圖

（一）總體設計思路

1、ARM系統平臺的選型，主要基于嵌入式海圖引擎、海圖加載、處理速度、存儲空間、接口等滿足設計需求，經充分驗證、綜合評估后選用Cortex-A8處理器800MHz、512MB內存、8GB存儲，該系統平臺具備網絡、鍵盤掃描、多路UART、顯示觸控等功能。

2、考慮系統和船載使用環境復雜度，電磁兼容設計猶為關鍵，具體如下：

1）PCB模塊化設計

在器件EMI優選基礎上，PCB按模塊化設計如圖3所示，數字電路、電源電路、語音電路單獨屏蔽引出信號再接入接口插座，防止信號間輻射干擾、疊加，同時增加濾波器件，優化對同船設備頻點、北斗和GPS接收頻點、海事衛星接收頻點的輻射干擾。

圖3 PCBA設計示意圖

2）多系統共存情況下射頻模塊前端設計

北斗海事雙模船載終端共5個頻點都集中在L頻段，且北斗短報文通信和海事衛星通信發射信號功率較大，解決電磁兼容問題是終端達到實用化水平的關鍵。

射頻前端高頻信號采用鋁合金完全屏蔽，射頻模塊發射端L波段在帶外抑制B1/L1、S頻點達最大限度，接收端濾波器處理帶外抑制；同時北斗單元四頻天線設計重點考慮收發隔離度，避免射頻信號發射時造成接收信號失鎖或器件損壞。通過海事天線與北斗天線空間隔離，增加射頻前端的濾波器性能，以及BM3005信號基帶處理中動態同步跟蹤技術的采用，較好地解決了多系統共存的電磁兼容問題。

3）電纜輻射干擾優化設計

選屏蔽線纜，對于高速率傳輸的線纜外層必須增加屏蔽，電源線纜增加共模磁環，減少低頻信號輻射。每艘漁船空間環境差異，艙內和艙外設備安裝位置、連接電纜走線布置，需充分驗證，并形成可操作性的綜合設計方案。

4）主要功能設計與性能要求

主要功能設計與性能要求如表1所示。

（二）詳細設計

1、顯控單元

顯控單元主要由主板、按鍵板、顯示屏和外部接口組成，如圖4所示。按鍵和顯示屏主要實現人機交互功能。主控板主要由ARM平臺、語音處理單元、電源模塊組成。

圖4 顯控單元框圖

1)電源模塊將輸入電源+12V～+36V轉換成所需電壓值，供電給各個單元或模塊：+56V、+12V、+5V和+3.3V，具體如圖5所示。

表1 功能性能要求

圖5 電源模塊原理框圖

2）ARM平臺選擇較成熟的 Cortex-A8處理器800MHz主頻以上、內存512MB以上、存儲8GB以上），滿足網絡驅動、鍵盤掃描、4路以上UART以及顯示觸摸屏驅動。如圖6所示。

圖6 ARM平臺組成框圖

3）語音處理單元實現海事單元輸出電話信號與手柄送受話器之間的語音信號控制、處理，如圖7所示。采用AS2533轉換芯片，實現二線式模擬電話信號/四線式語音信號之間的轉換。

圖7 語音處理單元原理框圖

2、北斗通信單元

北斗通信單元由四頻天線、射頻模塊、主板等組成，主要接收RNSS信號并解析位置信息，通過北斗短報文功能實現終端與終端、終端與平臺之間的通信功能和位置上報功能。如圖8所示。

圖8 北斗通信單元原理框圖

基于高頻板材設計的北斗四頻天線，集成4個頻點：B1、L1、L、S，采用3層PCB疊加設計，具有高增益、寬波束、高隔離度，如圖9所示。

北斗S頻點信號經天線接收，送LNA濾波、放大后，經混頻、濾波、AGC控制輸出12.24MHz中頻信號，再經基帶信號解調數據解析后UART口輸出。基帶芯片從UART口接收指令，按格式組包成基帶數據，經濾波、調制至L頻段，經放大、濾波，經天線輻射出去。B1/L1頻點經天線接收，送LNA濾波、放大，再經B1/L1接收模塊基帶處理、解析、UART口輸出。接收通道連續工作，發送通道為突發式工作。

因L發射功率較大，需要求濾波器的帶外抑制，以及濾波器和低噪聲放大器滿足最大輸入功率要求而不受損壞。

主板將+12V～+36V的輸入電源轉換成射頻模塊電源和串口電平轉換電路所需+12V、+5V、+3.3V電源，如圖10所示。+12V、+5V均采用TPS54系列電源芯片，+3.3V則采用TPS62203，可以滿足設計要求。

北斗射頻模塊采用雙路UART，一路用于RDSS通信收發，一路用于RNSS通信接收，另需將UART轉換成RS232，相應采用MAX3232雙路串口電平轉換功能正好滿足需求。

3、海事單元

主要由海事天線、海事模塊、信息控制板組成，通過AT指令控制與顯控單元的信息交互，實現海事信號收發、話音功能，如圖11所示。

海事天線采用圓柱形螺旋設計，基于軸向模螺旋天線原理，以變升角低剖面螺旋改善圓極化性能，以微帶匹配段實現最優阻抗匹配，用功分網絡聯結組成四元陣列天線，再根據螺旋相移器原理，調節天線與探針旋轉實現單元天線之間的相位差，達到微波定向輻射。彌補單元螺旋天線增益不足的缺陷。

4、軟件設計

基于嵌入式海圖引擎開發設計，功能如圖12所示。

圖9 射頻模塊原理框圖

圖10 主板原理框圖

圖11 海事單元原理框圖

圖12 顯控功能列表

5、接口設計

接口設計如表2所示。

表2 終端接口定義

6、結構設計

依據使用環境和特點，考慮可靠性、可維性、電磁兼容性等要求，采用成熟、通用原材料及“三防”加工工藝。

顯控單元為室內單元采用為ABS材質，面殼和底殼之間采用硅膠密封圈，防護等級滿足IP54以上。

北斗通信單元和海事單元為艙外設備，需要考慮鹽霧、防水、陽光暴曬等。外罩PC注塑成型，采用珍珠白色減少陽光吸收。底座鋁合金壓鑄，安裝防水透氣閥加速內外冷熱空氣交換和傳熱速度，保持內外壓力平衡，降低熱量堆積，防止鹽霧滲透，防護等級滿足IP66以上。

四、關鍵技術與創新

1、四元陣列螺旋天線設計

采用圓柱形螺旋設計方案，設計圓形天線總高度11cm、直徑為4.5cm，饋電部分采用高頻介質微帶貼片，粘附于圓柱形介質泡棉外壁，以微帶匹配段實現最低剖面，變升角螺旋天線，用十字型微帶功分網絡，將單元天線組合成四元螺旋天線陣，并用探針穿孔連接功分網絡和天線，調節天線與探針的旋轉實現螺旋單元天線之間的相位差，設計過程基于HFSS軟件仿真優化，在有限體積情況下，實現寬波束下的增益要求，達到最佳輻射。

2、多系統多頻點電磁兼容處理

終端融合了北斗衛星系統、GPS系統、海事衛星系統，共6個頻點，其中L波段有5個頻點：RNSS中的L1、B1接收頻點、RDSS發射的L頻點、海事電話收發頻點，S波段的接收頻點，且北斗通信和海事電話通信發射功率較大。通過天線高隔離度和射頻前端的帶外抑制降低收發信號的相互干擾，以及終端屏蔽設計、干擾信號濾波處理，以及兼顧漁船電氣環境，較好地處理了電磁兼容性問題。

3、長報文北斗短報文通信

北斗短報文每幀發送電文容量有限（以民用卡3級為例，可發送78個字節），終端軟件設計上對于長報文短信采用分包傳輸：輸入長報文后，終端自動識別長電文并經過哈夫曼壓縮算法進行壓縮（50%）后將長報文分為N段（每段70個字節，其他字節作為報文標識信息），每段增加標識信息（報文時間戳、總包數、段序號）后發送給接收方；接收方在接收到所有數據包后，將數據拼接起來經解壓后還原成原始報文。這樣大大提高終端與系統端用戶編輯、收發北斗短報文的效率與用戶體驗。

五、項目實施情況

1、福建海洋漁業船載北斗示范工程

北斗海事雙模船載終端研制及應用，屬國內首創，填補了遠洋通信的空白，在項目執行期累計創收超6000萬元，利潤近千萬元；搭建福建海洋漁業應急指揮決策支撐系統，實現對福建海洋漁業60以上7000余艘漁船北斗船載終端的部署，提供船船、船岸之間的信息交互服務，氣象、海浪、漁情、漁訊等多種信息動態發布，解決導航、越界作業、緊急救援、應急指揮等海上作業安全生產問題，加速福建海洋漁業信息化建設進程。

2、衍生產業化應用情況

1）在雙模船載示范項目基礎上，拓展改型，為杭州G20、廈門金磚國家領導人峰會艦船海域安保調度任務提供技術支撐與保障。

2）研制獨立北斗通信單元，在福建省應急通信工程北斗及衛星系統示范項目中，對全省400多個無人氣象站部署了北斗數傳終端，解決無或弱公網信號區域數據傳輸。

3)創新開發新一代智能船載終端，融合北斗RDSS、北斗RNSS/GPS、天通一號、AIS、高精度定位、3G/4G及wifi，為一體化多功能船用通信終端，如圖13-圖14所示。完成交通部長江海事局“長江干線北斗衛星地基增強系統工程”北斗船載設備前期科研與交付任務。

圖13 智能船載終端原理框圖

圖14 智能船載終端

六、總結

該項目的實施提升了福建省漁業漁政管理、防災減災、應急救援、指揮調度等領域精細化和智能化水平，大幅提高福建海洋漁業產業鏈效率與效益，對維護國家海洋漁業權益，對“數字福建”的建設具有重要意義。

基于北斗海事船載設備研發與衍生技術產品化，結合北斗、天通、高通量寬帶衛星Ka以及地面5G系統建設發展，通過融技術、融網絡、融終端、融數據，真正實現產業融合與協同共生，主動融入國家衛星互聯網大戰略，或將成為“新基建”邁向數字化、智能化不可或缺的重要抓手。■