基于北斗短報文的便攜式應急通信終端設計與實現

摘要：該文針對應急通信的特殊需求，開展基于北斗短報文通信的便攜式應急通信終端的研究與設計。針對應急通信的應用特點，確定應急通信終端的功能需求。整體方案主要由北斗射頻基帶組件和ARM微處理控制器構成，重點對系統的供電電源、人機交互、藍牙連接等部分進行設計，并實現智能終端的信息交互。

關鍵詞：北斗短報文；便攜式；應急通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.002

中圖分類號：TN 967.1" " " " " 文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-000-04

Design and Implementation of Portable Emergency Communication Terminal Based on Beidou Short Message

SHI Yongxiang

（Fujian Fuda Beidou Communication Technology Co.， Ltd.， Fuzhou 350108， China）

Abstract： This article focuses on the special needs of emergency communication and conducts research and design of a portable emergency communication terminal based on Beidou short message communication. Determine the functional requirements of emergency communication terminals based on the application characteristics of emergency communication. The overall plan mainly consists of Beidou RF baseband components and ARM microprocessor controllers， with a focus on designing the power supply， human-machine interaction， Bluetooth connection， and other parts of the system， and achieving information exchange of intelligent terminals.

Keywords： beidou short message; portable; emergency communication

我國的自然災害形勢嚴峻，影響也比較嚴重，經常會擾亂受災地區人民的正常生活[1][2]。做好突發事件的預警、提高遇險的緊急救助能力、增強搶險緊急通信能力都顯得非常的重要[3]。隨著北斗衛星導航定位系統的日益完善，北斗設備在應急減災中發揮出越來越大的作用[4][5]。北斗短報文通信，可以實現雙向通信、定位、授時，平臺搭建后可以實現北斗短報文與短信互發，平民百姓也使用得起，而且使用像手機正常發短信一樣方便。因此，一款基于北斗短報文的便攜式應急通信終端有其實際意義和市場需求。

1" "通信終端總體方案

1.1 總體架構

本設計采用北斗/GPS的模塊實現自我精確定位，利用北斗一代的短報文功能實現雙向通信功能，結合了兩者的優點，集RDSS和RNSS于一體，不僅提升了性能，還拓展了很多功能。

采用集成的射頻基帶組件+ARM的結構，其中射頻基帶組件包括LNA部分、發射功率放大器、射頻模塊和基帶模塊。ARM作為核心處理器控制整個系統。圖1是基于北斗短報文的便攜式應急通信終端設計架構。

（1）通信鏈路：天線接收到的信號經低噪聲放大、濾波、下變頻以后，由A/D變換器負責采樣，送入基帶信號處理器；基帶處理器根據出站信號格式對輸入信號進行捕獲、碼跟蹤、解擴、載波跟蹤、譯碼、功率估計以及定時測量，獲得接收信號的波束號、信號功率電平，接收數據、雙通道時間差以及幀標識等；在完成接收信號的處理后，接收數據以及其他狀態數據送入信息處理模塊，按信號協議進行拆包解包，提取定位、通信或授時信息，并按信息內容的要求進行顯示、送入藍牙模塊，通過藍牙通信到達手機端，使用專用App即可查收。反之，當需要進行通信定位或查詢時，通過手機App下達指令，由藍牙模塊轉發給信息處理模塊，再按信號格式組成數據包輸入基帶信號處理器，基帶信號處理器對其進行卷積編碼和擴頻調制后送入射頻通道，在基帶信號處理器的控制下，按規定時序開始發送。

（2）定位鏈路：北斗/GPS天線接收北斗/GPS數據（北斗/GPS數據是單向的，1 s傳送一次數據），經過低噪放和濾波送到北斗/GPS模塊，數據經過射頻模塊下變頻、LNA等，送入基帶信號處理器，經過解調獲取數據信息，再送入信息處理模塊，最后通過藍牙模塊把數據發送給專用App，App提取有效定位數據信息顯示出來。

（3）通信+定位鏈路：當使用SOS功能時，信息處理模塊從北斗/GPS數據中提取有效的定位數據，使用北斗一代短報文格式封裝成通信指令，經過北斗一代電路發送出去，全程單機可操作。

1.2 主要模塊設計方案

（1）電源模塊。BOOST升壓型電路，能夠提高輸入的電壓值而不改變輸入極性。其工作狀態可以分為充電和放電兩個部分，拓撲結構如圖2所示。

圖2 BOOST拓撲結構

①充電過程：開關導通時，能量通過開關從直流源輸入電感而沒有被傳遞到輸出端，二極管防止后集電路向前放電，特別是電容對地放電。由于電感上的電流以一定的比率隨電感的增加而線性增加，一些能量被存儲在電感里。

②放電過程：開關關斷時，由楞次定律可知，流經電感的電流不會立刻變成零，而是通過放電曲線下降到零。由于開關關閉了對地短路的路線，電感里存儲的能量只能由二極管傳遞給輸出端，電容開始充電，兩端電壓升高，超過了輸入電壓，同時直流源也給負載提供能量。

輸出、輸入電壓關系可表示為：

（1）

（2）無線連接方案。對于點對點的通信而言，優先選擇藍牙設備，方便安全；傳輸速度方面，北斗并沒有大的數據量，傳輸都是字符；功耗方面，藍牙4.0主打低功耗，比Wi-Fi能耗更小；距離方面，便攜式的應用10 m內沒有問題，何況藍牙4.0增加了通信距離，在無阻礙的情況下能達50 m以上。

（3）人機交互方案。本設計用于應急通信領域，所以使用上要求：外觀上，簡潔大方，定義三個按鍵：開機、關機、SOS。基本參數通過發光LED顯示，共有5個發光LED，分別是終端電源電量指示、終端電源充電指示、SOS指示＼對外放電指示、RDSS衛星信號指示以及藍牙狀態指示。如表1所示。

復雜的人機交互可以連接藍牙通過App端來實現，包括位置查詢、卡號查詢、信號查詢、電量查詢、北斗短報文收發等。

2" "單元電路硬件實現

2.1 主控單元電路

ARM微處理器選擇STM32F103RBT6，圖3為ARM控制模塊原理圖。電源允許供電范圍2.0～3.6 V，紋波能忍受50 mV以內，所以選用LDO穩壓3.3 V供電，確保芯片工作正常。

STM32芯片，通常采用串口燒寫，BOOT引腳要先配置成系統內存模式，把程序燒入Flash后，重新配置BOOT引腳，改為正常工作模式，才能運行程序，操作麻煩需要硬件跳線或開關。

2.2 供電單元電路

（1）放電模塊。TPS61088是一款為小尺寸便攜式設備提供高效同步BOOST的解決方案的電壓芯片，配有低電阻的功率開關和整流器開關。同步整流采用內阻極低的MOSFET來取代續流二極管，大大降低了整流器損耗。TPS61088為寬電壓設計，外部輸入的電壓范圍是2.7～12 V，這個范圍可以適用于單節或雙節鋰電池的方案應用。另外，TPS61088具有高達10 A的電流能力，同時保持較高的電源效率。綜上滿足設計要求，如圖4所示。

（2）充電模塊。LTC4001是一款面向5 V交流適配器的2 A鋰離子電池充電器方案。它采用一種1.5 MHz同步降壓型轉換器拓撲結構來減少充電期間的功耗。低功耗、內部MOSFET和檢測電阻器造就了一種能夠被嵌入在各種便攜式應用中的小型化充電器。LTC4001包括完整的充電終止電路、自動充電功能和一個準確度達到±1%的4.2 V浮動電壓。由于集成了輸入短路保護電路，因此不需要使用隔離二極管。如圖5所示。

2.3 北斗模塊電路

本設計采用的ATGM336H是一款高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊，支持多種衛星導航系統，包含32個跟蹤通道，可以同時接收6個衛星導航系統的GNSS信號，并且實現聯合定位、導航與授時。具有高靈敏度、低功耗、低成本等優勢，適用于車載定位與導航和手持或可穿戴設備。

3" "功能測試

北斗終端設備在使用北斗短報文通信時需要配有一張北斗專用SIM卡，通信過程以SIM卡卡號作為唯一識別號進行數據通信，每張SIM卡都需要通過北斗總站申請才能審批下來。

北斗短報文的單次發送報文長度和發送頻率都是由北斗SIM卡等級決定的，其中北斗卡又分為軍用和民用卡。本次測試的是民用卡中的四級卡，最長可發送848比特的報文內容。

本次測試采用自發自收的模式測試，即通信的北斗卡號設置為本機SIM卡號，通過衛星發送北斗短報文，經過地面控制站再發到衛星，最后被本機所接收，圖6為北斗短報文測試。以上是一個北斗短報文的完整鏈路測試，既能測試發送功能，又能測試接收功能。經檢驗測試，報文收發正常。

4" "結束語

北斗短報文的應急通信終端實用性強，特別是在防災減災方面，北斗短報文的應用使得一種全新的、穩定的應急通信手段得以實現。本文提出了一款基于北斗短報文的應急通信終端，可以實現單機的緊急定位求救，使用藍牙連接智能設備后可以實現北斗短報文通信、用戶自我定位等功能。

參考文獻

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