基于北斗系統的軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統設計

趙華琛，蘇正煉，王海濤，孫志丹，申金星

（陸軍工程大學 野戰工程學院，南京 210007）

0 引言

隨著我國國防事業的發展，以軍用工程機械群為基礎，開設和構筑部隊作戰所依存的高強度、多樣化、大范圍的作戰保障工程，將成為工程部隊的主要任務之一[1]。因此，加強軍用工程機械位置采集系統的研究與設計，便于指揮端信息互聯、輔助決策和指揮調度，對提升我軍工程機械群遂行工程保障任務的能力具有十分重要的作用，對提升民用工程機械群實施工程建設具有較強的參考價值[2]。

2020年6月，隨著“北斗三號”最后一顆組網衛星正式入網運行，標志著我國“北斗三號”衛星系統完成組網，可在全球范圍內為用戶提供導航、授時、定位服務[3]。北斗的特色功能之一——短報文功能，可支持用戶與地面控制中心、用戶與用戶之間的雙向點對點的傳輸[4]。隨著短報文功能的升級，在特批情況下頻次可達到30秒/240字符/次，實現指令的快速下達[5]。著眼當前國際形勢，出于軍事安全和技術前瞻的考慮，本課題選擇北斗系統來實現工程機械的位置定位及信息傳送。

1 系統總體結構設計

1.1 基本需求分析

軍用工程機械群位置更新的基本需求包括：

1）通過北斗模塊接收北斗衛星發播的信號，獲取機械實時的位置信息，進行自身定位；

2）通過顯示模塊，將機械自身的實時位置在車載顯示屏上顯示出來；

3）將定位信息通過北斗系統發送給指揮機構。

1.2 總體結構設計

根據基本需求，設計整個位置信息采集與傳輸系統的總體結構如圖1所示。

圖1 軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統總體結構

其中，每臺機械上都安裝有基于北斗系統的車載智能終端，它是實現信息采集、信息傳輸和指揮調度的核心設備，由通信、北斗、傳感器、CAN總線、控制和顯示等模塊組成。其具體組成如圖2所示。

圖2 基于北斗系統的車載智能終端的簡化結構

2 硬件平臺設計

2.1 北斗模塊

北斗模塊需同時集成定位功能和短報文通信功能[6]，綜合尺寸、功率、價格和性能等因素，選擇AGM1221A北斗模塊。AGM1221A北斗模塊是一款基于北斗二代衛星通信標準設計的集成收發、定位功能的一體化模塊，該模塊采用愛潔隆公司自主研制的北斗二代射頻芯片，在50×60×10mm的體積上集成了北斗二代的基帶芯片、射頻芯片、低噪放、4W功放、SIM卡座等功能組件，具有體積小、功耗低、通信成功率高、結構緊湊等特點，其外形如圖3所示，技術指標如表1所示。

圖3 AGM1221A北斗模塊外形圖

表1 AGM1221A北斗模塊的技術指標

AGM1221A北斗模塊的原理結構如圖4所示，該模塊集成了低噪放（LNA）、可配置的串口（TTL）、射頻芯片和基帶芯片等，其中LNA外接無源天線，用于數據接收和發送；TTL串口連接控制模塊芯片，用于控制模塊與北斗模塊的通信，實現北斗二代的定位、短報文通信等功能，其波特率可由用戶自行配置，默認為115200bps。

圖4 AGM1221A北斗模塊原理結構圖

2.2 控制模塊

控制模塊是車載智能終端的控制中樞，實現對不同模塊的硬件操作、邏輯處理和協議轉換等。STM32F103C8T6嵌入式芯片是意法半導體（ST）公司開發的單片機，具有性能強大、穩定性好、擴展性強及通信接口豐富等優點，因此選擇STM32F103C8T6芯片作為控制模塊的核心處理器。

根據車載智能終端的功能需求、模塊配置以及各指令的運行規范，定義STM32F103C8T6芯片引腳在控制模塊中的功能配置如圖5所示。

圖5 STM32F103C8T6引腳的功能配置

2.3 通信模塊

該模塊采用ME909S-821無線通信模塊，適合遠距離傳輸，采用Mini PCIE封裝，提供最高下行1Gbps和上行100Mbps的傳輸速率，內嵌TCP/IP協議棧，提供UART結構，能夠很好地實現文本、語音和視頻等信息的傳輸。ME909S-821無線通信的設計電路圖如圖6所示。

圖6 ME909S-821無線通信模塊電路原理圖

其中，RXD和TXD引腳分別與STM32F103C8T6控制芯片的TX和RX引腳相連，實現信息的收發，其網絡建立及數據發送流程如圖7所示。

圖7 無線通信網絡連通及數據發送流程圖

1）系統初始化：模塊上電后，完成模塊狀態、SIM卡狀態的檢測和波特率、通信方式的設置，以及打開串口等初始化工作；

2）構建通信網絡：通過AP指令建立一個具有公網IP的TCP服務器，并設置好端口號；

3）構建網絡連接：通過服務器公網IP地址及相應的端口號建立網絡連接，并開啟TCP數據透明傳輸模式；

4）數據傳輸：通過串口將指揮調度指令信息發送到服務器上，從而實現信息的實施傳輸。

2.4 電源模塊

該系統主要采用12V、5V、3.3V三種電源。其中，12V為外接電源，5V主要用于顯示模塊的供電，3.3V主要用于控制模塊、北斗模塊、通信模塊的供電。

3 數據傳輸系統設計

3.1 數據傳輸流程

車載智能終端和指揮控制終端對裝備位置數據信息進行采集和傳輸是通過調用北斗模塊完成的，其流程如圖8所示。

圖8 裝備位置信息的采集與傳輸流程

上述流程的具體實現是通過嵌入到STM32F103C8T6芯片內的程序來實現的。通過上述流程，在車載智能終端和指揮控制終端能夠實時可視化顯示所有裝備的當前位置信息，從而便于指揮員掌握裝備的分布情況，并及時進行指揮調度。

3.2 數據傳輸格式

北斗模塊AGM1221A上電后，會根據北斗SIM卡的用戶級別，每隔一定時間返回一定格式的數據幀，并通過北斗短報文功能將數據傳輸到指揮機構的指揮終端上進行解析并顯示，從而便于指揮機構實時掌握每臺機械的位置信息。定義其數據格式如圖9所示。

圖9 位置信息傳輸格式示意圖

可以表示為：

式中，Start表示起始字符，id表示設備編號，time表示時間，date表示日期，longitude表示經度，latitude表示緯度，End表示結束字符。

如“$5123501.55200818253.21782118.45522 *”，其中，第1位“$”表示每幀的起始字符；第2位“5”表示各裝備北斗模塊的編號；第3～11位“123501.55”表示當前時間為12時35分01秒550毫秒，精度已達0.01秒；第12～17位“200818”表示當前日期為20年08月18日；第18～26位“253.21782”表示東經253.21782°，折算成“度/分/秒/毫秒”的形式為253°13'41.52''，精度已達0.01毫秒；第27～35位“118.45522”表示北緯118.45522°；第36位“*”表示每幀的結束標識符。因此，每幀的長度為36Byte，那么一次北斗短報文傳輸的容量為72Byte，則可包含兩個采樣周期的位置數據，這樣能提高裝備位置信息的采樣精度。

4 系統測試

課題組以構筑100m長度的急造軍路為基本任務，開展了功能和性能測試。經功能測試，工程機械群位置顯示、裝備歷史軌跡查詢等功能齊全，可以滿足軍用工程機械群指揮調度的需要。具體功能界面如圖10、圖11所示；經性能測試，數據傳輸基本穩定，軟件及設備使用較為便捷，可靠性能基本達到研究預期。

圖10 單個工程機械歷史軌跡顯示界面（指揮端）

圖11 單個工程機械當前和目標位置顯示界面（車載端）

5 結語

本文針對軍用工程機械群遂行大型工程保障任務時出現的各機械位置不明、動向不清等指揮管理問題，設計了一種基于北斗系統的軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統，并進行了相關理論分析和方案設計。文中經過綜合比較，選擇了AGM1221A北斗模塊來實現裝備位置信息的傳輸，并定義了數據傳輸格式，完成了數據傳輸流程的詳細設計，實現了通過北斗短報文功能進行位置信息的采集、傳輸與顯示，并最終呈現出機械群整體態勢顯示、單個機械歷史軌跡查詢等界面，進一步增強了對作業現場的管控，提升了整體指揮調度效率。