北斗三號終端設備在西藏高寒、高海拔地區的應用

文| 李剛 楊雙

深圳市遠東華強導航定位有限公司

一、引言

高寒地區是指常年低溫、凍土常年不化的地區。高寒地區通常還伴隨著高海拔或高緯度，地形復雜、氣候惡劣且變化無常，主要特點是氣溫低且持續時間長。冬季最低氣溫可達-40℃，晝夜溫差較大。高海拔地區，還存在空氣密度低、日照時間長、紫外線輻射強烈、氣候干燥等環境特點。在西藏高寒高海拔等復雜環境下，大范圍采用傳統的方式開展巡檢工作需要大量的人力、物力、財力。目前隨著北斗技術的成熟，北斗系統已廣泛應用于邊境巡檢、地質災害監測、減災救災等方面，并取得了顯著成效。

北斗系統作為國家重要基礎設施，在我國經濟社會發展和國防建設中都發揮著重要作用，也是推動我國信息化建設的重要力量。2020 年北斗衛星導航系統全面建設完成，向全球提供服務。北斗衛星導航系統自主可控，穩定可靠，覆蓋范圍大，無通信盲區，架設與維護簡單，特別適合大范圍監控管理和數據采集傳輸等應用。西藏高寒高海拔地區人員巡檢或地質災害監測運用北斗衛星導航系統，有很高的安全度和可靠性，而且可以對其他地區進行推廣，推動北斗在各行各業的大規模化應用。

本文以西藏為例，闡述北斗三號終端設備在高寒、高海拔地區的應用。

二、西藏高寒高海拔地區北斗終端需求現狀

1.信息化巡檢手段不足

西藏自治區環境惡劣，地廣人稀，經濟發展相對落后，天氣多變，諸如暴雪、冰雹、強降雨導致山體滑坡、泥石流及雷電災害等頻繁發生，村民外出作業或巡檢信息化、智能化手段不足，人力物力消耗嚴重，高寒缺氧、身體不適，每日早出晚歸。目前還有部分鄉鎮手機信號差，手機無法與外界通信，特別是無人區等通信信號全無。現有的衛星電話能夠實現大部分救援功能，但是價格昂貴，操作復雜，對環境周圍都有山體遮擋的要求極其苛刻，市面上的北斗海聊等便攜終端產品，雖然支持一鍵求救，但是設備高度集成化，不支持自定義，也不支持北斗和4G 雙通道切換，不能因地制宜地在各種場景使用[1]。

2.地質災害監測數據缺乏可靠傳輸手段

西藏地震活動頻繁，且規模較大、破壞力極強。以泥石流、滑坡、崩塌為主，還有少量的濱湖潰決、雪崩。目前災害發生時，附近的移動通信基礎設施被破壞，可用性無法得到保證，需要可靠的數據傳輸手段將災害情況盡快上報。

針對目前國內外市場現有民用、商用設備的諸多弊端，面向西藏、新疆等高寒、高海拔地區等不同場景的應用：

1）開發功耗低、待機長、體積小、具有三防功能、方便邊民隨身攜帶的便攜終端（邊民外出無信號區域隨身攜帶），能適應各種復雜環境的北斗三號系列終端產品，能定時上報當前所處的位置，可一鍵發送帶有當前海拔及定位的預險信息，可將巡檢過程中的災害情況通過圖片的形式上報到監控中心等，解決了邊民在有移動信號的環境，使用移動網絡通信，在無移動信號的區域，使用北斗短報文實現與監控中心或家人的通信。

2）開發具備北斗和4G 雙通道通信的北斗數傳終端設備，保證無移動網絡覆蓋地區或地質災害發生時，地面移動網絡設施被摧毀的情況下，仍然能通過北斗鏈路將地質災害監測數據實時上報監控中心，監控中心根據得到的數據分析，為早期預警或救援提供有利條件，避免人員傷亡，減少經濟損失。北斗三號終端產品應用場景如圖1 所示。

圖1 北斗三號終端產品應用場景

三、 北斗終端產品介紹

1. 北斗民用指揮機

北斗民用指揮機（圖2）具備北斗三代短報文通信，北斗RNSS 定位功能，具備指揮兼收功能。可向所管轄的下屬子用戶發送通播信息，從而實現對子用戶的分組管理和集中調度功能。設備接口豐富，可支持天通語音通信，滿足用戶各種使用需求。北斗指揮機主機部署在用戶機房，天線架設于室外，天線具備防水、低溫工作等性能。

圖2 北斗民用指揮機

2. 北斗車載終端

北斗車載終端（圖3）具備北斗三號民用區域短報文通信，以及北斗三號RNSS 的北斗B1 和GPS_L1 單模或雙模混合定位功能，支持4G 全網通功能。采用一卡雙模技術，自適應切換4G 和北斗兩種通信方式。該終端體積小、安裝方便、可作為偏遠地區獨立使用的全天候定位導航通信設備，使用環境復雜多樣，能夠在-40℃低溫環境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

圖3 北斗車載終端及配套APP 軟件

3. 北斗數傳終端

北斗數傳終端（圖4）具備北斗RDSS 定位、短報文通信功能，以及RNSS 的北斗B1、GPS L1單模或雙模混合定位、支持4G 全網通功能，具備終端狀態自檢功能，具備實時獲取監測站數據的能力，并上報到中心平臺，支持數據拆包組包功能，遠程重啟，參數現場和遠程升級及設置功能。該終端體積小、重量輕、功耗低、IP67 防護等級，可為地質災害監測數據的傳輸提供通信保障，為氣象服務、防災減災提供監測數據支撐。該終端固定安裝，通過寬溫電池供電，能夠在-40℃低溫環境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

圖4 北斗數傳終端

4. 北斗三號手持終端

北斗三號手持機是一款具有北斗定位和通信的加固型便攜綜合信息處理終端，支持通用移動通信（2G/3G/4G）、WIFI、藍牙等無線通信模式，結合移動語音通信、多種數據采集傳感器功能，安裝部署北斗終端APP 應用軟件，可將外出巡檢人員的實時位置上報到監控平臺，并通過北斗短報文與監控平臺實現信息互通。該終端體積小、攜帶方便，內置低溫電池，能夠在-40℃低溫環境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

5. 北斗伴侶終端

北斗伴侶終端，具備北斗三號RSMC 短報文通信、北斗三號和GPS 雙模混合定位功能。具備藍牙通信、OLED 屏幕顯示及按鍵操作、一鍵報警、TYPE-C 接口充電功能。終端內部設計集成度高、功耗低，選用低仰角性能較好的多頻一體天線，可滿足用戶在各種極端條件下對北斗衛星通信和北斗定位的需求。具備OLED 屏幕顯示及按鍵操作，在緊急情況下可一鍵SOS 報警，該設備可手持，可壁掛，可通過藍牙直接升級。該終端主要以電池作為工作能源，可在-40℃連續工作6 小時，支持在5000m 以上的高原通信。

四、北斗終端設備在高寒高海拔地區環境適應性設計

1. 高寒高海拔產品設計需要考慮的問題

1）海拔越高氣壓越低，隨著海拔的增高，大氣壓力呈線性降低。低氣壓會增大有腔體器件的內外壓差，引起外觀變形、爆裂，因此用于高寒高海拔的產品要適當調整密封體內的壓力；

2）海拔增高，空氣密度降低，使以空氣對流為主要散熱方式的產品散熱困難，溫升增加，因此用于高寒高海拔的產品要考慮散熱設計；

3）高寒高海拔地區的晝夜溫差大，較大的溫度變化使產品機械結構變形、開裂，破壞結構的密封，造成涂層開裂脫落等。頻繁的熱脹冷縮，會加速原材料老化，縮短使用壽命[2]。

2. 北斗終端設備設計措施

（1）元材料選型

北斗終端設備長時間工作在晝夜溫差大的環境下，其電子元器件短時間內會頻繁地熱脹冷縮，壽命受到影響。為了提高元器件使用壽命，北斗終端設備使用的電子元器件均為-40℃～85℃的工業級元器件。印制板采用TG 值較高的板材，物理性能更好，減小由于溫差導致的形變，保證板上元器件的可靠工作。

（2）終端低功耗設計

北斗終端設備高度集成，采用低功耗設計，產生的熱量可及時傳導到外部環境中。

（3）外殼結構設計

北斗車載、數傳、手持等終端外殼結構的開口處設計有密封圈保證其密閉性，在腔體和天線罩、腔體和SIM 卡蓋之間均有防水圈。終端底部設計有可平衡內外氣壓的防水透氣閥，保證設備在溫度變化大、設備內外存在氣壓差的環境下的防護穩定性。設備的功耗小，且金屬外殼可導出絕大部分熱量，不會因為熱量堆積影響設備運行，避免了低氣壓空氣散熱效率低的影響。設備板卡的元器件均采用對氣壓不敏感、高絕緣強度型號，保證了設備在低氣壓環境下元器件工作的穩定性。

五、北斗終端在西藏高寒高海拔地區的應用案例

目前西藏地區平均海拔4000m 以上，且晝夜溫差20℃左右，部分地區最低氣溫-40℃。通信基礎設施落后，無法保證巡檢人員、車輛與指揮中心的全時通信，需要借助北斗衛星導航系統實現全天候、全天時的通信。北斗終端設備體積小、功耗低、穩定可靠，且使用環境復雜多樣，包括高寒、高濕、高海拔和高溫等各種惡劣環境。

北斗指揮機主機部署在監控中心機房，天線安裝在樓頂上。管理人員通過操作北斗指揮機發送北斗短報文實現對邊民的指揮調度；同時接收邊民上報的巡檢數據、通信信息、位置數據、緊急求救信號，保障邊民外出作業或輔助巡檢過程中的通信。

山南市錯那縣曲卓木鄉地處西藏南部邊陲山南地區，屬河谷地帶，平均海拔4380m 左右，氣候寒冷，早晚溫差大，全年最低氣溫-18℃。圖5 為北斗車載終端在山南市錯那縣曲卓木鄉邊民巡檢中的應用。北斗車載終端安裝于巡檢車輛上，用于邊境巡檢人員配備，巡檢人員通過操作配套APP 軟件控制北斗車載終端發送定位和北斗短報文功能，實現了車輛位置實時上報、巡檢情況上報等功能，及時將災害預警上報。當遇到緊急情況時，巡檢人員操作軟件發送“SOS 報警”，等待救援隊救援。實際測試，巡檢人員使用北斗短報文能夠保證可靠的通信。

圖5 北斗車載終端在巡檢中的應用

昌都市八宿縣邦達鎮是川藏南線和北線的交匯點，海拔4300m，屬峽谷溫暖帶和高原寒冷帶氣候，年冬春氣溫常在-20℃以下。圖6 為北斗數傳終端在邦達鎮地質災害監測應用。將崩塌監測設備、滑坡監測設備定時上報的各類傳感器的各項指標組包通過北斗/4G 鏈路上報到監測數據處理軟件，實現了對滑坡、崩塌等地質災害的實時監測預警，減少地質災害發生時造成的損失。經過實際測試，北斗數傳終端工作穩定，能夠實時將采集的數據上報到監控中心。

圖6 北斗數傳終端在地質災害監測應用

龐達村是我國西藏日喀則市亞東縣下亞東鄉轄行政村,位于亞東縣南部,屬高原山地氣候，高寒高旱，是一個位于海拔2000m 的邊境村。圖7 為北斗伴侶終端和北斗三號手持終端在地質災害監測和巡檢中的應用。

圖7 北斗伴侶終端、北斗三號手持終端在地質災害和生態保護巡檢中的應用

北斗伴侶通過藍牙方式與手機連接，通過背帶佩戴，確保朝南使用。通過操作北斗伴侶配套APP 發送北斗短報文實現巡檢情況上報，當巡檢人員遇到危險時，可一鍵觸發SOS 報警，大大提高了巡檢人員的安全性。在西藏龐達村，巡檢人員通過操作手機端APP 軟件，控制北斗伴侶終端發送北斗短報文。

外出巡檢任務時，巡檢人員隨身攜帶北斗三號手持終端，在移動信號較好的地方使用移動信號與監控中心或同行巡檢人員通信，在移動信號不好的環境，使用北斗方式通信，還能將巡檢情況以圖片和文字的形式上報到監控中心。經過實際使用驗證，北斗伴侶和北斗三號手持終端在工作正常、定位精度高、通信環境好的情況下，成功率可達95%以上。

六、 總結與展望

本文以西藏自治區獨特的地理位置、氣候條件、環境特征、資源現狀為背景，攻破了北斗天通雙模處理技術、一卡雙模處理技術、基于北斗短報文的數據壓縮處理技術[3]和基于北斗短報文的丟包重傳技術[4]，研究了性能可靠、操作簡單、價格合理、能適應各種復雜環境的北斗三號系列終端產品，既支持4G 也支持北斗通信，為西藏邊民和巡檢人員提供精準定位和緊急救援服務，提高西藏自治區信息化通信手段。隨著國家戰略規劃的持續推動與北斗相關產業的進一步成熟，各種型號的北斗終端設備在西藏、新疆等高寒、高海拔地區的應用將擁有更廣闊的前景。

展望未來，我們還需要在高寒、高海拔應用中把握以下幾個方向。

（1）北斗終端設備擴展支持多民族語言

為增強不同文化程度的西藏邊民在使用北斗終端設備過程中的接受度，以提高北斗終端設備的實用性，增加多民族語言切換功能，即北斗終端設備支持兩種語言的切換，這對于北斗終端設備的推廣有更好的促進作用。

（2）推動北斗三號終端設備與手機應用之間的互聯互通

將北斗三號終端設備集成北斗短報文與手機短信、微信的互聯互通等功能，實現北斗與互聯網、短信之間的多鏈路通信。通過互聯互通實現能力互補，有機協同，有序發展，讓有限的資源發揮無限的價值。

（3）建立高效的應急救援體系

西藏地區由于地形、地貌和大氣環流的影響，氣候獨特而且復雜多樣，極易發生山體滑坡、泥石流等地質災害。面對災害的突發性和不確定性，快速響應、高效處理、全面應對的救援體系顯得尤為重要。要加強國家政策引導，并充分利用高科技手段，將應急處置與醫療救援有效銜接，實現統一調度，進一步提高高寒、高海拔地區邊民的生命安全[5]。