某型水下航行體北斗狀態監控系統研究

張慶國

（昆明船舶設備研究試驗中心，云南 昆明650051）

水下航行體/平臺的中近程通信多為水聲、光電或電磁等方式[1-2]，但超遠程通信常依賴衛星定位導航系統，如我國自主研發的北斗系統。北斗衛星導航系統在水下航行體/平臺和多種水下武器裝備上應用極為廣泛，發揮重要作用，產生顯著的經濟和社會效應[3]。在實際海上使用過程中，如航行體在浮起點規定時間內未能通過北斗衛星導航系統進行有效定位和通信，則可能會造成航行體在海上丟失或損傷，也無法對其后續工作流程進行遠程操控。因此，在某型水下航行體中，內部北斗工作狀態直接影響其性能指標的實現，甚至成為該水下航行體主要功能及戰技指標是否實現的關鍵點。

航行體在水下航行時，用來衛星導航通信的天線將被海水淹沒，無線信號被屏蔽。因此，通常只在航行體浮出水面或利用水面浮標等方式短時間內完成信息傳遞[4-5]。即使北斗天線采用折疊或伸縮結構，在一定程度上可解決天線產生的航行阻力與無線通信效果之間的矛盾問題，但天線在水面伸出高度依然較低，距離水面較近。可見，水下航行體利用北斗衛星進行通信定位時，天線基本處于水面附近，天線隨著水面浪涌擺動姿態很難準確控制[6]。同時，航行體北斗接收信號還受水面反射雜波等眾多不利因素干擾[7]。另外，常規水下航行體內部空間、功耗均有一定限制，特別是航行體內部采用電池供電方案時，需著重考慮水下航行體的航程、航速等總體要求，使得內部電子系統應為小尺寸、低功耗，不能影響總體性能指標的實現。

北斗一代通過衛星無線電測定方式來確定用戶位置，需要用戶進行定位申請，通過地面站的計算獲得定位信息。北斗二代采用衛星無線電測定和衛星無線電導航相結合的集成體制完成用戶導航定位，屬于被動定位范疇。北斗三代相對于一代和二代而言，屬于全球組網，具備更高的精度和可靠性。近年來，國內外在北斗狀態實時監控方面發展較為迅速，可對當前衛星數量、位置精度強弱度（Position Dilution Of Precision，PDOP）等數值進行實時監視，較好解決了北斗接收端實時狀態故障問題，大大提高了北斗系統應用可靠性。但某型水下航行體屬于首型，基于北斗衛星系統的水下航行體批量交裝產品，基于北斗一代設計。受當時技術條件，以及當前交裝現狀等具體條件限制，之前基于北斗的定位通信設計存在一定的不足，導致某型水下航行體存在偶發性北斗故障情況發生。考慮某型水下航行體生產交付及實際使用情況，不更改航行體內部組部件，在北斗內部新增實時監控系統成為當前最佳解決方案。

綜上所述，某型水下航行體的內部北斗工作狀態對其安全性和可靠性影響極大，甚至對其功能和性能造成較大影響。因此，有必要在某型航行體內對北斗工作狀態進行實時監測，并在適當情況下進行介入性操控，以提高該水下航行體的實航可靠性和安全性。

1 監控方法

北斗衛星導航系統是我國自主研發的，可以覆蓋我國及周邊部分地區的全天候衛星導航系統。其基本定位原理是根據全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收機接收到同步衛星發送信息之后，進行時間對標。然后解算衛星偽距并利用空間幾何距離交會，實現對接收機的定位[8]。以典型一代系統為例，主要由導航衛星、中心控制、標校和北斗用戶終端幾個部分組成，具備定位、授時和短報文衛星通信功能[9]。基本工作原理如圖1所示。

圖1 北斗衛星導航系統基本工作原理示意圖

如圖1所示，“北斗一代”的導航衛星由位于赤道上空的兩顆地球靜止衛星（東經80°和140°）、一顆在軌備份衛星（東經110.5°）組成，它們的軌道高度約為20 000 km[10]。“北斗一號”的覆蓋范圍是北緯5°—55°、東經70°—140°之間的區域，最寬處在北緯35°左右。“北斗一代”導航系統的定位精度約為水平精度100 m（1σ），設立標校站之后為20 m（類似差分狀態）。工作頻率分別為1 610 MHz～1 626.5 MHz（L頻段，上行鏈路）和2 483.5 MHz～2 500 MHz（S頻段，下行鏈路）。其基本工作過程是，北斗用戶終端通過北斗導航衛星向地面中心控制提出定位申請或通信申請，中心控制接收到服務申請后進行相應的處理，并將處理結果通過北斗導航衛星發送給北斗用戶終端，從而實現相應的通信、定位功能。關于北斗通信方面，不同等級終端用戶擁有不同的頻率和通信帶寬，通常可實現每分鐘120字的通訊功能。為了更好理解該監控方法和實施環境，給出某型水下航行體內部北斗結構基本框圖，詳見圖2所示。

圖2 某型水下航行體內部北斗接收部分結構框圖

如圖2所示，北斗狀態監控程序對應接口較多，按照功能可分為供電和通信兩種。供電接口主要為水下航行體提供穩壓直流供電電源，通信接口主要為控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）、串行通信接口（如RS-232、RS485等）等[11-12]。其中自檢接口及狀態監控接口為本文方法中預留的查詢及調試接口，如試后讀取內部記錄信息等。由于某航行體屬于早期定型且批量交裝產品，通常情況下其組成結構不能及時進行大幅更改。同時，考慮該型水下航行體的后續生產使用及維護保養等相關方面，采用在航行體北斗組件現有內部空間內增加實時監控部分（航行體內組部件組成及結構均不發生變化），對實航使用過程中發現的偶發性北斗故障問題進行解決。因此，需要本文涉及的北斗狀態實時監控系統具備小尺寸和低功耗功能，以滿足不更改航行體組部件結構，在北斗組件內部安裝及供電等需求。結合某型水下航行體北斗組件內部空間，這里設計新增北斗狀態監控電路集成安裝在北斗組件盒內部，航行體接口及組成結構不發送變化。北斗組件內部新增部分安裝結構如圖3所示。

如圖3所示，某型水下航行體北斗組件為獨立的金屬屏蔽盒結構，新增北斗狀態實時監控系統電路集成安裝在上述金屬屏蔽盒內，具體尺寸為95 mm×63 mm×6.5 mm。圖3中的北斗狀態實時監控電路板利用原有4個安裝孔進行固定安裝，內部A區域和B區域最大高度實際只有13 mm和7 mm，否則無法順利安裝在現有北斗金屬屏蔽盒內。如采用常規隔離電源模塊和繼電器方式構建，其整個新增電路高度高達20 mm及以上，無法滿足上述尺寸安裝要求。因此，該硬件設計采用電源隔離芯片加負載開關的方式，控制整個新增電路高度為6.5 mm，以滿足實際安裝尺寸要求。另外，某型水下航行體為電池供電方式，預留的供電余量有限，新增電路必須盡可能地滿足低功耗，降低對水下航行體電池消耗。新增北斗狀態實時監控電路部分摒棄常規大規模處理器外加通信接口芯片的結構方式，采用微控制處理器（Micro Controller Unit，MCU）加軟件模擬外設接口方式，將該新增控制電路功耗控制在20 mW以內（實測19.2 mW），滿足航行體北斗組件供電預留余量1%（50 mW）的具體要求。

圖3 航行體北斗內部新增狀態監控部分安裝結構圖

硬件設計中，某型水下航行體北斗狀態監控軟件運行平臺為可國產替代的某型號嵌入式處理器，該處理器除了具備常規小尺寸、低功耗等特點外，內部集成多種常規通信接口。

2 程控設計

某型水下航行體北斗狀態監控方法與程序主要功能是，獨立對航行體內部北斗狀態進行實時連續監測，并依據相關判斷準則進行數據解算和預測，當判斷北斗工作狀態出現異常情況時，臨時性介入操控。如單獨對總線上的北斗進行重置復位、指令初始化，以及單次通信或定位申請控制等操作。

為了進一步簡化硬件結構尺寸和功耗，在程序設計中除了常規進行選擇性休眠外，采用軟件方式進行部分通信監視接口的模擬實現。由于受尺寸和功耗等條件限制，該監控程序的硬件平臺只有一個RS-232硬件串口，為了更可靠對北斗狀態進行實時監控，還需多個RS-232串口對其他部分狀態接口進行并行監測。因此，在軟件設計中采用軟件模擬通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）方法實現常規通信功能[13-14]，即利用常規處理器的輸入與輸出接口（Input/Output，I/O）構建一個軟件模擬的UART串口（如RS-232協議通信口）。該方法可在節省硬件資源和處理器帶寬的前提下，幾乎完全模擬硬件UART的功能。

2.1 程序框架及處理流程

該程序主要負責對某型水下航行體北斗狀態數據的實時解算，并對自身硬件平臺工作參數的實時監測，綜合上述測量信息進行北斗狀態的綜合評價，當滿足判斷條件時，對北斗處理器進行干預處理。軟件主要接口見圖4所示。

圖4 程控框架結構圖

如圖4所示，虛線框內為監控軟件對應部分。對應監控功能，該軟件主要接口有三部分：（1）內部工作狀態測量接口，如內部工作電壓、電流、通信狀態，以及內部記錄存儲等；（2）航行體總線接口，如CAN、供電等；（3）北斗處理器接口，如CAN、RS-232，以及及時操控等。軟件主要處理步驟如下。

（1）監控軟件初始化。含嵌入式處理器內部串口、軟件UART、AD采樣、外部中斷等。

（2）對北斗卡信息進行實時解算與存儲。按照約定加密算法進行解算當前北斗卡信息進行解算，并存儲后計算獲得相應北斗處理器控制信息包。

（3）規定動作執行。如硬件負載開關默認打開，發送北斗處理器初始化指令信息等。

（4）實時監控總線及接口信息，進行實時解算和判斷。根據總線信息對當前點位的北斗衛星狀態進行預先解算，并對北斗處理器的原始輸出接口進行定時監測。

（5）對北斗處理器進行實時介入性操控。如北斗處理器長時（如10 s以上）輸出信息不正常，則對北斗處理器進行操控。

（6）試后查詢及調試等功能。如試后可按約定加密指令，實現單獨調試或內部Flash記錄信息讀取等。

基本程序流程如圖5所示，t和T分別為與北斗工作先關的時間參數，通常以秒為單位。其中Flash（Flash EEPROM Memory，Flash）檢查及標記，是為了通過校驗的方式，確保每次工作前明確獲得用于內部信息記錄的Flash狀態，防止偶發性Flash內部個別“壞點”造成記錄數據錯誤或失效[15]。記錄信息1主要是當前時間，北斗工作電壓、電流，以及衛星定位經緯度、波束等信息。記錄信息2主要是當前時間，北斗處理器瞬間工作電流、當前接收點衛星波束，以及介入性操控次數等信息。

圖5 程控軟件流程圖

2.2 通信口軟件模擬設計

硬件UART通過連接處理并行對北斗處理器的串口發送及接收端進行監測和控制，軟件UART連線并聯在北斗處理器的串口發送端上進行當前并行串口數據監測，避免并行發送數據造成數據紊亂，導致故障報錯。軟件模擬UART主要是為了降低硬件復雜度，同時降低整體功耗，利用通用I/O口模擬串口對航行體北斗串口進行監測。

軟件UART設計需要在硬件占用和速度/效率之間權衡，使用較多硬件的設計可能消耗較小的處理器帶寬并允許較高的位速率。常規設計中多采用定時器方式，如可將16位硬件定時器分為8位用于UART發送，8位用于UART接收。雖然定時器帶有自動重載功能，可減少軟件開銷并降低或消除中斷延遲問題，但軟件控制需考慮隨機的中斷延遲帶來的累加問題。結合硬件平臺實際情況進行綜合考慮，采用內部可編程計數器陣列（Programmable Counter Array，PCA）來實現軟件UART。PCA包含一個專用的16位計數器/定時器和5個16位的捕捉/比較模塊。每個模塊都可以被設置為，在PCA計數器與相對應的比較模塊的內容一致時觸發中斷。由于PCA計數器不會停止運行，比較模塊可在每個位時間點進行更新，以精確產生下一個位時間。另外，PCA還提供一個在起始位檢測中很有用的捕捉功能，便于多中斷的程序設計與實現。因此，采用PCA方式進行軟件UART模擬，可以避免多次中斷延遲累加的問題，且便于嵌入式程序實現。軟件UART設計主要流程如圖6所示。

如圖6所示，UART的接收和發送均采用中斷方式，需要注意的是接收中斷對時間要求較高，即對時間延遲比較敏感。因此，需軟件UART的接收中斷需要較高優先級。

圖6 軟件UART通信流程圖

當軟件UART被初始化時PCA模塊被配置為下降沿捕捉方式，如果在接收引腳檢測到下降沿，則會產生一個中斷。由于模塊工作在捕捉方式，PCA計數器的內容被裝入到相應寄存器。此時，該值與中斷響應延遲無關。通過強制PCA模塊產生中斷來啟動一次發送，如在發送引腳設置為低電平以產生起始條件。此時讀取PCA計數器的值，并將該值加上一個位時間后裝入到模塊捕捉寄存器。經過9次移位后，數據字節與停止位被發送。最后，發送結束標志被置位，發送忙標志被清除，發送狀態變量被復位。

3 試驗測試

3.1 環境試驗

由于某型航行體內電磁環境較為復雜，內部北斗狀態異常與航行體總體電磁環境密切相關。而對整個北斗組件重新設計，牽扯到航行體組部件級更改，手續復雜且時間效率較低，不能滿足某型水下航行體實際使用需求。因此，在更改最小范圍框架下，新增實時監控系統部分稱為了最佳解決方案。但必須重視電磁環境干擾設計，因此需對新增監控電路進行相應環境測試。

該環境測試主要依據國家標準《系統與軟件工程系統與軟件質量要求和評價（SQuaRE）第51部分：就緒可用軟件產品（RUSP）的質量要求和測試細則》（GB/T25000.51—2016），對軟件功能性和可靠性程度進行第三方測試，測試通過后。利用標準測試設備對運行該監控軟件的系統進行試驗測試，具體為環境和電磁兼容性測試。

環境試驗測試主要依據國內某型號水下航行體的專用環境試驗要求，進行綜合環境試驗測試。供電采用標準穩壓電源，接口均為通用標準通信接口，并模擬北斗工作狀態數據，定時發送至本監控系統。測試項目及結果見表1所示。

表1 環境試驗測試結果

電磁兼容性測試主要依據《GJB151B—2013軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》相關要求[16]，對該系統核心部分（含硬件及軟件）檢測了CE101、CE102和CS101、RS103測試項目，主要對其電磁兼容性進行試驗測試，主要測試結果見表2所示。

表2 電磁兼容性測試結果

3.2 功能試驗

新增北斗狀態實時監控系統主要是為解決某型水下航行體在實航過程中，偶發性的北斗故障問題。為測試新增北斗狀態實時監控電路是否能實時進行航行體內部北斗狀態監測，并在規定時間內完成相應控制等功能，采用逐級測試方式進行功能驗證。（1）單板測試。利用外設標準串口（如計算機串口）模擬北斗組件通信接口，利用標準外設串口連接新增監控系統電路，人為控制外設串口長時停發北斗信息，或發送錯誤北斗信息方式，觀察新增監控系統電路是否識別并對負載開關進行控制，同時按時序通過串口進行北斗組件的初始化等相關信息重置；（2）聯合測試。將新增監控系統電路接入航行體北斗組件，人為關閉或打開航行體北斗天線屏蔽罩的方式模擬航行體北斗狀態故障情況，觀察新增監控系統電路監控動作是否滿足設計要求；（3）實航測試。搭載某型水下航行體，在國內某深水湖進行實航測試，利用以往多發故障水域進行北斗狀態實航測試。試后讀取監控系統內部數據進行控制過程是否有效判別。具體試驗測試結果見表3所示。

如表3所示，其中單板和聯合兩種方式測試均為人工模擬故障情況，觀察監控系統電路是否進行了準確的識別與控制，通過多次模擬測試，證明該新增實時監控系統能夠在北斗組件通信斷開或北斗解算數據錯誤時進行重新復位及初始設置等操控，在規定時間內（2 min）完成重新置位及解算，防止航行體北斗組件故障狀態無法自行重置導致長時無法定位通信現象發生。由于某型水下航行體實航北斗故障屬于偶發性現象，很難固定復現，本次實航5次過程中，只有1次真正復現，通過試后讀取新增北斗狀態實時監控系統內部記錄數據，證明在實航過程中，航行體北斗組件存在長時數據解算錯誤導致通信異常情況發生，而監控電路準確識別，并在規定時間內完成北斗組件重置操作，與實航中觀察某浮起點位通信時間長達10 min，12 min后通信及定位正常現象一致。

表3 功能試驗測試表

4 結 論

某型水下航行體受早期技術條件限制，基于北斗一代的衛星定位及通信部分設計存在一定不足，并未設計有相應的北斗狀態實時監控部分，導致實航中偶發北斗故障問題。基于某型水下航行體交裝現狀，在不更改某型水下航行體組部件結構基礎上，提出一種在航行體北斗組件內增加實時監控系統的方式，在規定時間內進行相應操控，以滿足當前該水下航行體實航使用需求。

該北斗狀態監控方法在航行體內部空間、功耗等受限條件下，摒棄常規的隔離電源和繼電器等大尺寸元件構建方案，采用微型芯片加負載開關等方法實現硬件接口隔離，以滿足實際的安裝、功耗，以及電磁兼容性等要求。在程序設計中，提出一種基于軟件模擬UART方式對通信總線數據進行并行監測，并利用多個UART進行串口并行數據流監控方法，避免并行串口監測過程兩個發送端同時發送數據出現故障問題。充分考慮航行體內部電磁環境實際情況，結合硬件平臺進行環境試驗和電磁兼容性試驗，試驗結果表明該方法及程序設計滿足實際使用要求。可滿足航行體內部結構及電子環境等要求，在航行體內部復雜工況下實現內部北斗狀態的實時監測與及時操控等功能。另外，在國內某深水湖完成該型水下航行體的實航驗證。

該方法與程序結合北斗處理器輸出數據進行實時處理解算，根據當前點位的北斗衛星狀態進行分析判斷，從而在航行體北斗工作異常時，進行相應操控，進一步提高某型水下航行體北斗工作可靠性，從而提高實航安全性，具有較高的工程實用價值。