摘 要： 在介紹船載應急無線示位標EPIRB應用情況的基礎上，根據性能指標對其設計進行了分析研究，給出了EPIRB的設計框圖以及各個組成部分的功能分析，并對EPIRB在我國" title="我國">我國的應用前景進行了展望。
關鍵詞： 示位標 EPIRB 全球衛星搜救系統
船載應急無線示位標EPIRB(emergency position indicating radio beacon)是一個獨立的小型專用發信機。它安裝在船只上，在船只發生危險時，能夠發送船只的注冊信息，加裝了GPS接收機的可以直接發送船只的當前位置信息給全球衛星搜救系統，再由全球衛星搜救系統統一安排營救排險。
全球衛星搜救系統是國際低極軌道搜救衛星系統(COSPAS/SARSAT)的簡稱。它是由美國、前蘇聯、法國和加拿大四國在1981年聯合開發的全球范圍內利用衛星進行搜索救援信息的系統。國際搜救衛星組織成立的宗旨是：為在全球范圍內的用戶提供快速而準確的遇險報警信息。最初的COSPAS-SARSAT為低極軌道搜救衛星系統，后來又使用了同步靜止軌道衛星。這些衛星系統與相應的地面處理設備相配合，能夠為全球海上、空中和陸地，包括極區在內的用戶提供遇險定位報警和用戶身份登記信息查詢服務，使遇險者得到及時有效的救助。
全球衛星搜救系統由遇險示位標、衛星空間段和地面處理分系統三部分組成。其中遇險示位標根據其使用載體的不同分為三種" title="三種">三種類型：第一類是航空機載示位標(ELT)，工作頻率為121.5MHz和243MHz；第二類是船載應急無線示位標(EPIRB)，頻率為406MHz；第三類是個人用示位標(PLB)，頻率也是406MHz。現有的EPIRB產品可以分為含有GPS接收機和不含GPS接收機兩種。不含GPS接收機的只能使用低極軌道衛星定位，而含有GPS接收機的EPIRB還可以使用同步靜止軌道衛星定位。低極軌道搜救衛星組(LEOSAR)能確保衛星掃描且覆蓋地球上的任何地方，平均任何一點最多大約需45min就有一顆衛星經過。當406.028MHz處于發射時，信號經存儲轉發到一個本地用戶終端之前可能還有一平均45min的延遲。由于這些衛星相對于地球是移動的，所接收到的信號頻率會產生多普勒頻移，衛星使用該頻移數據計算出信號所發出的具體位置。因此從一個不含GPS的EPIRB所發射出的求救信號能在90min內被搜救系統檢測到，并且定位精確度達5km。同步靜止軌道衛星主要是為含有GPS接收機的EPIRB服務，利用同步靜止軌道衛星，EPIRB的定位精度可以高達幾十米，這兩者的比較見表1。本文所要研究的EPIRB帶有GPS接收機，能夠利用低極軌道衛星和同步靜止軌道衛星進行自身的定位。下面詳細研究EPIRB的設計問題。
1 EPRIB設計
根據國際搜救衛星組織召開的第十四屆聯合委員會和2000年系統發展研討大會上做出決定：全球所有信標生產廠家，在2003年2月1日以后，不得再生產含有121.5MHz和243MHz頻率的示位標。因此，所研究的EPIRB是指能夠同時利用極地軌道衛星和靜止軌道衛星，并且發射信號頻率為406.028MHz的信標。
根據現存的各種EPIRB、ELT和PLB的功能特點，首先確定將要設計研發的EPIRB應該具有以下電氣性能指標：
·在頻率406.028MHz向極地軌道衛星和靜止軌道衛星發射報警信號；
·信號特性和電文格式符合ITU-RM.633號建議案；
·具有自動啟動、手動啟動和遙控啟動三種啟動方式，并且能人為關閉；
·測試示位標電子設備工作是否正常時，可不用衛星系統。
根據以上性能指標，對EPIRB進行如下的設計分析：從總體上看，EPIRB應由電池供電單元、主控制單元和信號收發" title="信號收發">信號收發單元三部分組成，其功能框圖如圖1。
EPRIB通過鍵盤和顯示設備與外界通信，并能實時地根據當前的環境參數自動做出相應的控制。在EPRIB啟動(分為自動啟動、人工啟動和遙控啟動)后，它能將存儲器中的船只識別和注冊信息與GPS的定位信息相結合，利用406.028MHz的頻率發射出去，以供衛星接收。
1.1 電池供電單元
EPIRB的電池要求能夠在5年內有效，在發射信號過程中要能夠持續工作48小時。因此，選用高性能的鋰電池，電路的其他各個部分都要選用低功耗的元器件，以減少非工作狀態下的電能消耗。如果EPIRB不要求作遙控啟動，應將收發轉換單元和天線單元的供電在非緊急應用時切斷，以減少電量消耗。
1.2 主控制器單元
主控制器單元由微控制器" title="微控制器">微控制器、鍵盤、顯示屏和傳感器組成。其中，微控制器是EPIRB的控制中心，負責所有信息的處理以及控制命令的發出。鍵盤采用簡單的組合按鍵設計，盡可能用較少的按鍵輸入一些命令，控制EPIRB的啟動和關閉。顯示屏能夠顯示一些工作狀態信息，如自動檢測結果信息、電池容量信息等以供操作人員查看。在微控制器內部的flash中，需要寫入船只的識別碼和注冊信息，而船只的識別碼和注冊信息應該能夠在產品完成生產之后寫入。壓力傳感器實時測量環境參數，并傳遞給微控制器，由微控制器根據環境參數做出相應的判斷，以實現自動啟動的功能。
1.3 信號收發單元
信號發射和接收單元包括一個406.028MHz的信號發射機和一個GPS的信號接收機，另外還有天線及收發轉換單元組成。其整體框圖如圖2所示。
由圖2可以看出：信號收發單元可以分為四個部分：406.028MHz發射單元、頻率合成單元、GPS信號接收單元和天線單元。
頻率合成單元為發射單元提供混頻用的具有高穩定度的頻率，以使發射信號的載波頻率為406.028MHz。該單元可以采用DDS，也可以采用一個高穩定的晶振完成此功能。考慮到系統的擴展問題，筆者采用了DDS完成此功能。根據ITU-RM633建議案，406MHz發射功率" title="發射功率">發射功率為5W。
發射單元主要完成對基帶信號的編碼調制，并在混頻后進行帶通濾波，以除去雜波干擾。由于在平時待機情況下要盡量減少功耗，因此發射單元在不發射信號的情況下要切斷供電；功率控制單元對發射功率進行控制，使得滿足406.028MHz頻率的發射功率。
天線單元有一個接收和發射的轉換器，用于完成接收和發射的轉換。在平時狀態下為了節省電量的消耗，可以將此單元的電源關閉，并將天線收發轉換器接通GPS接收機單元。當發生緊急情況時由自動或手動啟動EPIRB，系統開啟GPS接收機，接收到位置信息后，與存儲在flash中的船只識別和注冊信息一起，經過編碼后由發射天線發射出去。
1.4 三種啟動方案設計
EPIRB的啟動分為三種：自動啟動、手動啟動和遙控啟動。
通常EPIRB安裝在浮離式支架上，當遇險時自動浮離后自動啟動發射。還要求被人工移離釋放機構后，不會自動啟動。
自動啟動是在EPIRB落入水中一定深度后，由壓力傳感器測得壓力，自動啟動系統，并且脫離浮離式支架浮出水面。
手動啟動就是人工操作鍵盤，輸入命令字后，確認無誤的情況下，啟動系統。當手動操作時，應通過專用遇險警報啟動器發出遇險報警。而且專用啟動器應能明顯地被識別，并具有意外操作防護裝置，防止意外啟動。手動遇險報警的啟動，至少要求兩次獨立的動作，才能啟動系統。
遙控啟動需要EPIRB保持天線長時間處于接收信號狀態，并且隨時對接收信號進行命令解析，這樣遙控啟動就需要消耗很多的電量，而且考慮到實際的緊急應用時，遙控啟動功能的用處并不是很大。因此，本文的設計中沒有設計遙控啟動功能，而僅僅使用手動和自動啟動兩種啟動方式。
對于任意一種啟動方式都可通過人工操作鍵盤來關閉系統。這個功能可以應用在EPIRB年度檢測以及當誤啟動的情況發生時，由人工手動關閉系統。本功能可以由鍵盤組合鍵與按鍵時間檢測來完成。
2 我國的應用現狀及前景
我國于1985年經國務院批準，由交通部代表國家以“用戶”的身份加入國際搜救衛星組織。1991年，作為“全球海上遇險與安全系統工程”的一個子系統，北京全球衛星搜救系統開始了建設工作，并于1998年1月26日順利通過了國際組織的入網測試，進入全功能運行狀態。同時，我國在該組織的身份變更為“地面設備提供國”。這樣，北京的全球衛星搜救系統就擔負起我國相應搜救服務區的救險工作。但我國現在的應用主要限制在遠洋運輸、漁業生產和民用航空領域，對其它如個人探險應用領域還沒有提供相應的服務。因此，在個人探險應用以及科學探索等相關的地面應用中還有很大的開發前景。
參考文獻
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