基于衛星通信的信標機設計?

溫 倩 施 睿 文 豐 武慧軍

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室 太原 030051）（2.中國運載火箭技術研究院空間物理重點實驗室 北京 100076）

1 引言

在飛行器飛行試驗過程中，通常會需要將飛行數據采集、存儲至飛行記錄器中，試驗參數的獲得需要快速準確地回收飛行記錄器。目前我國慣用的落點搜尋還停留在較為原始的方法，無法準確、快速地實現回收［1］。基于此問題，本文提出了一種新型的落點回收的方法，根據該方法設計的信標機，可以隨飛行記錄器一起下落，并在下落過程中以一定頻率實時發送位置坐標，實現落定回收［2］。目前這種方法已成功應用于某航天項目中，并取得了良好的效果。

本文提出的設計方法主要由天線單元、定位和通信組件、主控單元，電源管理等部分組成。根據該方法研制的信標機規避了傳統信標機功耗高、定位時間長、適用范圍小的缺點，可實現記錄器下墜過程中或落地后的快速定位和及時發送，提高了回收效率［3］。

2 提出設計方法

目前常用到的目標追蹤和落點搜尋方法有以下幾種。

1）利用肉眼搜尋：該方法主要是通過改變飛行記錄器的外觀，使其具有明顯的特征，從而進行搜尋［4］。例如，（1）飛行記錄器在落地時遭到激烈沖擊觸發裝置噴出煙霧，引導搜尋人員找到落點位置，這種方式成本低，在晴朗無風的天氣可以實現快速搜尋；（2）在飛行記錄器表面涂上亮眼的顏色、這種方法提高了在空曠地帶的搜尋率，但需要對落點位置有一定的預測，如果落點范圍太廣、環境較復雜，想要快速搜尋仍然困難；（3）在飛行記錄器上安裝亮度較強的發光裝置，方便在光線較暗的環境下搜尋，在晴朗的日間仍不方便回收。

2）利用電磁波的反射原理搜尋：該方法主要是將雷達發射臺發射的電磁波遇到待尋目標后反射回的電磁波與未遇到目標正常發出的電磁波對比，通過改變的方向和時間差，即可確定落點的大致方位［5］。這種方法更適用于大型目標的搜尋，且要求落點位置必須有雷達基站的存在，成本大，布設困難，不利于推廣。

為了解決上述方法存在的問題，提出了一種基于衛星通信的定位方法，如圖1 所示。該方法基于GPS/BDS 導航衛星可方便快速的對目標的位置實時跟蹤和定位，當定位成功后通過北斗通信衛星實現坐標的發送，從而實現定位回收［6］。

圖1 系統總體方案圖

圖2 各模塊連接示意圖

3 實現設計方案

信標機系統主要將天線單元、主控邏輯、定位及通信、電源管理等進行模塊化設計。各模塊之間通過主控制器調度控制，實現位置信息的獲取、解析和發送。

3.1 天線單元設計

隨著軍民兩用信息技術不斷發展，信息通信的發展向航空一體化方向發展。天線作為無線通信系統中電磁波的轉換裝置，是系統中基本且重要的基礎部件［7］。

本次設計選用的天線是圓極化天線，主要因為其可以接收圓極化、線極化和橢圓極化的波，且該天線使無線電波的極化面與大地法線面之間的夾角可以360°周期變化，增加了信號的接收概率［8］。此外，對于電磁波而言，雨雪和云霧等介質是均勻介質，電磁波傳播過程中遇到均勻介質的反射可以進行左右旋圓偏振波的相互轉換。這就要求接收信號的物體可以接收到穿過非均勻介質后產生的線極化和圓極化分量，這也是選擇圓極化天線的重要因素。本次設計選用的天線指標如表1 所示。

表1 選用天線指標

3.2 主控邏輯設計

主控單元選用可進行IAP 編程的單片機作為控制芯片，主要功能是對定位信息的編幀、解析和傳送，同時對各個模塊進行調度控制［9～10］。

系統加電后，信標機以100ms的頻率實時刷新定位信息，并將該位置信息編幀后通過422 接口按照一定格式發送給外部連接設備，若當前定位信息有效，則將位置信息存放在內部緩存隊列中，若當前定位信息無效，則不寫入緩存隊列；當信標機系統與外部連接設備分離后自動切換為內部鋰電池供電，定時器以此為零點開始工作，在T1 計時標志有效后，判斷緩存中的定位信息是否有效，若有效，由內置的SIM1 立刻發出一組定位信息，之后等T2計時標志有效，則由SIM2 再發出一組定位信息，60S 后由SIM 卡1 和SIM 卡2 交替將位置信息發送到地面接收設備，通信頻次為32s/次。

此外，控制器支持IAP 編程，可在系統運行過程中通過對FLASH 區域的替換和擦除實現對用戶程序的更新。單片機系統主要設計Boot 和FLASH_APP 兩段程序。Boot 程序主要實現執行程序的遠程更新及向執行程序跳轉兩項功能。FLASH_APP 程序分為A、B 兩個區域進行存儲，A區放置當前運行的程序，B 區放置當前更新的程序，當程序接收校驗無誤后從B 區拷貝至A 區，并從A區引導執行［11］。主控邏輯流程如圖3所示。

圖3 主控邏輯流程圖

3.3 定位及通信設計

由于此次提出的信標機設計方法是為了滿足小型化設備的回收問題，所以在選擇定位模塊時除了定位精度和刷新精度之外，還需綜合考慮尺寸大小、電源功耗以及系統集成度和成熟性［12］。綜合考慮上訴因素，設計的信標機選用了一款北京東方聯星公司的小型化定位模塊，可實現60s 內快速定位，水平定位精度10m，垂直定位精度15m，可滿足設計所需。

通信主要是利用北斗衛星獨有的短報文功能完成實時定位信息的發送，在選型中也要考慮信標機小型化的要求［13］。同時為了提高信標機通信的效率和容量，降低通信模塊及其附屬天線的設計難度，采用兩張北斗SIM 卡作為通信發送方，該卡被允許的通信頻率為1 次/min，若時間間隔未到1min，則通信請求不被響應。鑒于上述原因，提出雙SIM 卡交替通信的構想，增加通信頻率，使整體通信更加穩定可靠［14］。

信標機外接電源上電后，實時刷新定位信息并將其存放在緩存隊列中，最多可存放三條，當記錄器與飛行器分離進入定時流程后，當計時標志和定位信息有效后，將緩存的短報文發送給北斗模塊，發射按照北斗4.0協議執行如表2所示。

表2 北斗4.0通信協議

通信信息類別如表3所示。

表3 通信信息類別

3.4 電源管理設計

根據使用要求，需對信標機的電源進行管理，具體包括電池充放管理和電池靜態損耗管理［15］。

1）電池充放管理，旨在確保信標機脫離飛行器后的工作性能和工作時長。設計選用型號為BQ24105的充電芯片對鋰電池進行充電，充電過程分為預充電、恒流充電和恒壓充電三個階段，預充電階段先以小電流對電池充電至設置的閥值后進入恒流充電階段，預充電的目的在于避免突發大電流對電池造成損害；恒流充電階段進入快速充電模式，當電量充至90%后進入下一階段；恒壓充電時電流會隨著電池電量的增加而減小，避免電池過充［16］。

信標機內部集成兩塊鋰電池互為備份，電池電壓為8.4V，單個電池容量為500mA/h，內部設計雙路充電管理電路分別對雙冗余鋰電池進行充電管理。對鋰電池進行充放電測試，測試結果如圖4 所示。

圖4 電池充放電曲線圖

2）電池靜態損耗管理，本次設計中電池的靜態功耗主要是由電源芯片的靜態電流產生。由于電源芯片在電路中只起到穩壓的作用，不參與電路板功能的實現，所以在理想狀態下希望其本身不要有損耗。為了實現低功耗設計，選用了靜態電流為70 μA 的電源芯片，且電路設計中加入了繼電器來控制電路的通斷。

4 驗證設計思路

針對上述設計，對信標機進行功性能測試。測試方法主要分為三個部分：自檢測試、通信測試和模擬測試。

自檢測試包括對通信模塊信號測試和自發自收測試；對定位模塊的性能測試。

單元測試是對整體系統的功能測試。

模擬測試是模擬飛行過程中的信標機，對其進行功能性測試。

4.1 自檢測試

自檢測試主要防止電路板設計不當產生的干擾對北斗通信、定位功能及北斗用戶卡造成不良影響。如圖5 所示，圖（a）為標準版測試圖，圖（b）為本次設計的電路板測試圖。由圖5 可知，PCB 設計連接對通信模塊的信號影響較小。

圖5 通信波束信號對比

對北斗通信模塊的自發自收功能進行驗證，如圖6 所示。測試方法是設置好北斗衛星具體的收信方和收信內容，通信模塊按照每分鐘1 次的頻率發送通信申請后，測試通信申請是否成功及是否收到北斗衛星向指定設備發送的反饋。

圖6 自發自收功能測試圖

定位功能的自檢測試圖如圖7 所示，該圖顯示了信標機所在區域的衛星分布情況、衛星序號、定位模塊捕捉到的衛星及其信噪比情況。文字區域中幀頭為$GPGGA 的一幀數據中含有定位狀態、衛星顆數和經緯度及高度信息，圖中所示的位置坐標為“東經112°35.91756′、北緯37°44.06335′、海拔773m”。

圖7 定位功能測試圖

4.2 單元測試

信標機在進行單元測試時需保證在斷電之前定位成功，并通過422 接口將定位信息反饋回來，如圖8 所示，可實時觀測電池電壓、定位狀態、電源在線情況、及定位后的位置坐標。圖中顯示的位置坐標都是以ASCII 碼的形式顯示的，轉碼后的位置坐標為“東經112°36.03109′、北緯37°44.06492′、海拔785.3m”。

圖8 通信測試圖

系統斷電后，由內部鋰電池供電，切換SIM 卡交替向外部接收設備發送短信，短信內容接收最近三次的位置信息，如圖9 所示為地面接收設備接收到的北斗衛星反饋內容，內容顯示坐標為“北緯37°44.06818′，東經112°36.03088′，海拔772m”。

圖9 接收到的定位信息內容

如圖10 所示為接收設備接收到反饋的時間，由此圖可驗證信標機系統的工作流程，地面接收設備在T1 時刻接收到SIM 卡1 發送的信息，在T2 時刻接收到SIM 卡2 發送的信息，T1、T2 時刻設置時間間隔為3s，并設置T2+2min 后以次/32s 接收雙卡交替發送的信息。

圖10 系統工作流程驗證圖

4.3 模擬測試

在模擬測試下，信標機裝置在戶外空曠地帶的各個方向測試產品的工作邏輯和工作性能。通過外接的測試工裝給定位裝置供電，戶外測試圖如圖11所示。

圖11 戶外測試圖

定位成功后，模擬彈射筒彈出及其在下落過程中的工作狀態，按照系統工作流程測試信標機的定位功能，統計信標機在不同方向下重要時間節點的短報文狀態及測試10min收到的短報文個數如表4所示。

表4 戶外測試結果

由上述測試結果表明，按照此方法設計的信標機系統可以正常實現定位和通信功能。

5 結語

本文提出一種基于衛星通信的信標機設計方法，并且根據該方法設計出一款信標機進行了實驗驗證，驗證結果表明信標機系統具備所需的功能性，可以做到快速、準確、穩定地回收目標物。本次提出的信標機設計方法突破了目標物與搜尋人員的距離限制，也不需要大規模的基站鋪設，成本低，應用范圍廣，具有較好的參考價值和應用前景。