0 引言

    信標機是向外界傳遞自身位置信息的裝置，一個重要的應用是降低目標物的搜尋難度。在軍事和航天領域中，設計新型的飛行器需要進行大量的實驗測試，每次實驗獲得的重要參數均存儲在記錄器中，而記錄器在實驗后往往降落在地形復雜、人跡罕至的地區，如果通過信標機準確定位記錄器位置，將會大幅降低搜尋成本，并提高回收效率^[1]。

    通過信標機定位通常有兩種方法，分別是GPS定位和無線定位^[2]。無線定位方式由于信號傳輸距離有限，需要接收機距離信標機一定范圍內方可接收到其發射的信號^[3]，而且一般需要多臺接收機同時對信號強度進行探測來確定方向，同時多普勒頻移效應的存在也有可能影響通信^[4]，這種方法的搜索效率并不高。因此針對記錄器回收問題，本文提出一種基于GPS和北斗的高可靠性信標機系統設計，該設計采用GPS快速獲得定位信息，并通過北斗模塊將定位信息發送至接收機，這種能為搜索人員提供記錄器坐標的方案可大大提高回收效率。

1 系統總體方案

    如圖1所示，該信標機系統由發射端和接收端兩部分組成。發射端為信標機，包含主控單元、GPS模塊、北斗模塊及電源模塊；接收端為兩部北斗手持機。

    在飛行器發生分離前由其上采編器為信標機提供12 V供電，并對其內部電池進行充電，信標機通過GPS模塊獲取定位信息，并將定位信息和信標機電池電壓采集信息經RS422串口發送給采編器。

    當飛行器分離以后，信標機與采編器斷開連接，供電方式轉為內部電池供電，單片機控制終止與采編器的通信，并將定位信息編輯為北斗報文，通過北斗模塊以一定的頻度發送出去，經北斗衛星轉發至北斗手持機。此外，北斗短消息的接收具有實時性，為防止手持機某一時刻由于信號較弱錯過信息接收，同時為了提高通信頻度以保證較高可靠性，采用雙SIM卡切換交替發送位置信息至兩臺手持機的設計。

    此系統涉及的技術要點主要有兩個：其一是提高信標機通信的可靠性，北斗民用SIM卡允許的最大通信頻率為1次/min，增加單位時間內的通信次數是提高通信可靠性的有效途徑；其二是降低信標機的功耗，由于該信標機在小型化方面有著較高的要求，電池的體積和容量也受到限制，因此在器件選型和各模塊控制方面要盡可能地降低其功率損耗，以延長工作時間。

2 硬件設計

2.1 GPS模塊

    作為高速飛行器定位裝置，其定位精度和速度極為關鍵，本文雖涉北斗系統，北斗系統同樣具有定位功能，但經過比較發現GPS的定位速度、精度、穩定性等方面均相對優于北斗，故采用GPS來實現快速定位功能，以達到高精度、高可靠性的目的。

    GPS定位模塊選用北京東方聯星公司的CNS35H-202，5 V電壓供電，體積小，45 s內快速定位，具備失鎖重捕功能，可適應速度0~5 000 m/s、加速度小于等于35 g的應用環境，定位精度水平位置15 m，垂直位置20 m。此外，該模塊數據輸出引腳采用TTL邏輯電平輸出，可直接連接于單片機的串口接收引腳，波特率為9 600 bit/s。

    如圖2所示，單片機通過光繼電器控制GPS模塊供電，信標機上電后，單片機初始化打開GPS供電通路，GPS采集定位信息；與飛行器分離后2 min可認為設備已經著陸，位置信息不再改變，單片機將控制光耦斷開GPS模塊的供電，以降低設備的功率損耗。

2.2 北斗模塊

    “北斗一號”是我國自主研制的導航定位及通信系統，在中國境內無通信盲區，雨雪等天氣對其產生的影響非常小，通信成功率幾乎達到100%^[5]，與其他通信手段相比，非常適合在偏遠地區及惡劣天氣環境下使用。因此，選用北斗系統來實現高可靠性和強環境適應性的通信功能。

    北斗模塊選用北京東方聯星公司的TM0558，該模塊體積小，同等應用條件下其集成度做到業界領先，外接SIM卡和無源天線即可實現通信功能；采用5 V供電，待機功耗≤0.65 W，發射瞬間功耗≤15 W；有5個引腳連接至SIM卡，其中IC_CLK、IC_DAT為讀取SIM信息的時鐘引腳和數據引腳，IC_VCC和GND為北斗模塊向SIM卡供電的引腳，IC_RST為復位引腳；通信引腳采用TTL邏輯電平，可直接與單片機連接進行通信。

    北斗模塊只在通信期間需要供電，通信等待時間不需要進行其他工作，可切斷對其供電以降低設備功耗。

    為了實現北斗上下電控制，以及實現單北斗模塊進行雙SIM切換通信，在北斗的電源引腳及北斗對SIM卡的供電輸出IC_VCC引腳處設置光繼電器進行隔離。光繼電器選用Panasonic公司的AQV252G2S，響應速度快，可承受負載電流大，滿足北斗模塊發射瞬間功率15 W的要求。單片機可通過光繼電器控制北斗模塊的供電和SIM的切換，北斗模塊周圍電路如圖3所示。

2.3 主控單元

    主控單元選用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機，負責定位信息的提取、精簡、編幀及定時發送，同時控制各個模塊的供電以降低功耗。單片機具有兩路串口，通過USART0進行北斗通信，通過USART1接收GPS定位信息和向采編器發送數據；具有12位ADC，可實現電池電壓的采集；16位定時器可完成對北斗通信周期的精準控制。

2.4 供電模塊設計

    北斗在發送信息的瞬間需要最大3 A的瞬態電流，由于供電模塊同時為單片機、北斗模塊、GPS模塊等器件供電，為防止北斗發送消息瞬間電壓被拉低，供電模塊選用MICREL公司的MIC29501芯片提供5 V電平輸出，最大對地電流可達5 A；輸入端允許2.3 V~26 V電壓，范圍較寬，滿足采編器12 V和電池8.4 V電壓輸入條件；并具有使能引腳，可通過單片機控制裝置斷電。供電模塊電路如圖4所示。

    采編器12 V供電和電池供電分別串接一個二極管后再接入電源芯片輸入端，二極管可防止3個電源間出現電流倒灌，當12 V電源斷開時可自動轉換為電池8.4 V供電。

3 軟件設計

3.1 信標機工作流程

    上電后單片機對裝置進行初始化，使能GPS模塊獲取定位信息，然后判斷信標機與采編器是否斷開連接，若沒有斷開，則將定位信息和電池電壓采集信息編幀后通過串口發送至采編器；若識別到斷開連接，則關斷通信串口，轉而將定位信息編幀后通過北斗發送至手持機。信標機與采編器斷開后單片機定時器對斷開時間進行計時，因為裝置非海上使用，落地后位置固定，當計時滿2 min后可確認著陸，因此關閉GPS供電，之后每間隔65 s分別使用SIM卡1和SIM卡2向外界通信兩次，兩卡通信間隔5 s。信標機工作流程如圖5所示。

3.2 定位信息處理

    GPS定位輸出頻率為1 Hz，輸出數據包括幀頭為﹩GPGGA、﹩GPGSV、﹩GPRMC的3種數據，幀頭為﹩GPGGA的一幀數據中含有經緯度和高度信息，單片機通過串口接收到GPS的數據后，進行幀頭判斷，將幀頭為﹩GPGGA的一幀數據存入數組WHOLE_GPS[]；接著從WHOLE_GPS[]數組中提取經緯度、高度信息存入數組BRIEF_GPS[]中，其中高度保留一位小數；同時，提取的經緯度信息去掉小數點并將高度保留整數后也將循環存儲在數組BRI1[]、BRI2[]和BRI3[]。

    每次通過北斗發送消息時，先將BRI1[]、BRI2[]和BRI3[] 3個數組的內容按照更新先后順序存入數組BD_TX[]中，然后再將此數組的內容編輯為北斗短報文格式進行發送，例如，發送前最新的一組定位信息被存入數組BR2[]中，則將3個數組以BR3[]、BR1[]、BR2[]的順序存入BD_TX[]進行發送，這樣可以使每條短消息包含最近3次定位的信息，并且最后一組信息為最新定位信息，充分利用北斗短報文的通信容量。定位信息處理流程如圖6所示。

3.3 北斗模塊數據傳輸協議

    使用北斗模塊進行通信，只需通過單片機串口USART0向其發送包含定位信息的通信申請即可，通信波特率為115 200 bit/s，通信協議如表1所示。

    每次通信申請發出后，北斗模塊會返回反饋信息，由此來查看通信完成情況，幀格式如表2所示，如接收到的信息中反饋標志為0x00，表示通信成功。

4 測試結果及分析

    信標機系統設計完成后，對其功能實現進行了測試。信標機與采編器斷開連接前通過串口發送定位信息及電池電壓采集信息，例如，一條串口數據內容為“EB 90 00 60 0F 6C 0F 85 33 38 30 30 2E  38 33 39 33 36 2C 4E 2C 31 31 32 32 36 2E 37 35 36 35 33 2C 45 2C 38 34 39 2E 35 00”，其中“EB 90”為幀頭，“00 60”為幀計數，“0F 6C 0F 85”為內部兩塊電池電壓采集的數字量，后面信息為定位信息，含義為“北緯38°0.83936′，東經112°26.75653′，高度849.5 m”。

    與采編器斷開后，信標機切換內部SIM卡分別向兩臺手持機發送短信，短信內容為最近3次的定位信息，例如，手持機接收的一條信息為“380084359N1122674530E827M380084357N1122674521E827M380084333N1122674497E827M”，其中最后一條定位信息為最新坐標，坐標含義為“北緯38°0.84333′，東經112°26.74497′，高度827 m”。實際測試結果表明，該信標機系統的定位及通信功能均能正常實現。

5 結論

    基于GPS和北斗的信標機系統能夠提供精確的目標位置信息，接收機位于任何位置均可獲得該信息，突破了目標物與接收機相對距離的限制，從而大大提高了回收效率，降低回收難度。在性能方面，該信標機系統通過雙卡切換提高北斗信息發送頻率，從而提高其工作的可靠性；同時完成了小型化和低功耗設計，有利于作為手持設備等進行拓展應用。

參考文獻

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[5] 楊倩.彈載多參數測量系統地面測試臺的設計與研究[D].太原：中北大學，2008.

作者信息:

于皓博，單彥虎，任勇峰，焦新泉

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)