数字化自动识别系统航标结构设计*

(成都天奥信息科技有限公司，成都 610036)

1 引 言

数字化自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)航标是一种导航定位设备，主要安装在基站覆盖范围内的灯浮、灯船、灯塔等航标设施上，除了能准确定位，还能将当地水文、气象等实时信息通过广播的方式发送给海上的船只，及时地把航标灯的故障、浮标漂移出安全范围等信息发送给基站，为船舶安全航行、海上遥测监控以及航标灯的维护和管理提供极大的便利[1]。数字化AIS航标对实现数字化航道的建设具有重要意义，研究开发适合我国出海口及内陆河道的航标是一项紧迫的任务。

本文介绍的数字化AIS航标主要由GPS天线、VHF天线、射频模块、基带模块、电源控制模块和两根直径为Φ8.2 mm的外接电缆构成。图1为该设备的结构框图。

图1 数字化AIS航标的结构框图

2 数字化AIS航标的结构设计

数字化AIS航标的结构由内部模块和外壳两大部分组成，其详细情况如图2所示。

图2 数字化AIS航标的整体结构及外形尺寸

2.1 内部模块的结构设计

2.1.1内部模块介绍

数字化AIS航标的内部模块包括射频模块、基带模块和电源控制模块，除此以外，还包括N/SMA-KYK1转接器、GPS天线和VHF天线各一件。

射频模块通过一根高频电缆和一件N/SMA-KYK1转接器与VHF天线座接插互联，并要求高频电缆尽可能短，以降低高频损耗；基带模块通过一根高频电缆和GPS天线座接插互联，并通过双排插针与射频模块接插互联；电源控制模块通过两根低频电缆与基带模块接插互联。

2.1.2内部模块的结构设计

根据模块间的连线关系，将内部模块设计成为“塔形”结构：顶层为射频模块，中间层为基带模块，底层为电源控制模块。为了降低彼此间的干扰，在模块与模块之间设置了2 mm厚的铝合金屏蔽板[2]，上面除了开有过线槽外，还设有4处直径为Φ3.5 mm的安装孔。

接下来将内部模块设计成相对独立的两个部分：一部分是由射频模块、基带模块、屏蔽板和安装件等所组成的功能模块组件，另一部分是由电源控制模块和出线底板所组成的电源控制模块组件。

(1) 功能模块组件

为了满足功能模块组件的整体安装，在射频模块上方设有2 mm厚的防锈铝合金安装板，除8处Φ3.5 mm安装孔外，周边还设有4处让位槽孔，专门用于功能模块组件装配时的让位。GPS天线采用703硅橡胶粘固在安装板上方。N/SMA-KYK1转接器利用自带螺母直接安装在安装板的中心位置，上接VHF天线，下与高频电缆一端相接。射频模块通过4件镀光亮镍的M3×33(mm)六方铜螺柱与安装板螺装。基带模块和两屏蔽板则分别通过4件镀光亮镍的M3×12(mm)六方铜螺柱一层一层地悬挂在射频模块的下方。

(2)电源控制模块组件

为了能获得最佳的散热效果，特将电源控制模块设计安装在出线底板上，通过4件M3×6(mm)的不锈钢螺钉进行紧固，同时保证3处散热元件与出线底板紧密接触，充分利用出线底板进行传导散热。

2.2 外部壳体的结构设计和外观造型

该设备壳体结构分为3部分，上部分为天线罩，中间为筒体，底部为出线底板，各壳体接口处设有O形密封圈，为整体密封结构。

2.2.1壳体的材料选择

(1)天线罩材料

ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯)树脂具有耐冲击、耐磨、耐寒、耐油、耐酸碱、化学性稳定、刚性和电性能良好等优点[3]。文献[4]采用ABS材料制作了DGPS(差分GPS)天线单元的天线罩，并指出该产品各项技术性能指标符合要求，且生产成本较低。鉴于此，数字化AIS航标的天线罩材料也选定为ABS。

(2)筒体材料

选择耐蚀性好的5A06(LF6)防锈铝合金管作为筒体材料，规格为Φ140×20(mm)。选用此种规格的管材能够保证机加的切削量最少，有利于节省材料和加工费用。

(3)出线底板材料

选择耐蚀性和导热性好的5A06(LF6)防锈铝合金板作为出线底板材料，厚度为25 mm。筒体和出线底板均选择相同的金属材料，能够保证两者长时间接触而不会发生电偶腐蚀，有利于增强航标的抗蚀能力。

2.2.2壳体结构及造型

在壳体的三部分中，天线罩的主要功能是容纳和保护VHF天线、GPS天线；筒体的主要功能是容纳和保护射频模块、基带模块、电源控制模块和相关的连接件；出线底板的主要功能是支撑电源模块并帮助该模块散热，同时也起出线和密封设备的作用。根据各部的功能特征，结合造型美学原则和成型工艺特点，将数字化AIS航标外形设计成上小下大的弹头形状，中间融入流畅的圆弧过渡，使其在整体上具有高度的视觉统一感，在上、下方向具有极强的视觉稳定感，在左、右方向又具有良好的视觉平衡感。

(1)天线罩设计

天线罩上部为弹头造型，下部为法兰盘结构，周边均布有6处直径为Φ3.2 mm的通孔，整体表面为一缓和过渡的光滑曲面。为了保证天线罩的结构强度和透波能力，将壁厚定为1.2 mm，法兰厚度定为5 mm。选用注塑成型的加工方式，拔模斜度为45′～1°。

(2)筒体设计

筒体内部安装有功能模块组件，上部与天线罩相连，下部与出线底板相连。筒体上、下端均为法兰盘结构，且端面都开有专门用于放置O形密封圈的沟槽，四周均布有6处直径为Φ3.2 mm的通孔，采用数控加工方式以保证精度。筒体内部靠上端位置设有4四处高为10 mm的凸台，上面分别开一个M2.5×6(mm)的安装孔。装配时，功能模块组件从筒体底部放入，找准安装板上的让位槽并缓慢向上推动，到位后逆时针旋转约10°，然后将其放置在凸台上端，找准孔位后即可进行螺装。

(3)出线底板设计

出线底板采用数控加工方式制造，上表面设有4处电源控制模块安装孔和3处散热元件安装孔，均为M3×6(mm)螺孔，周边位置设有4处Φ6.5 mm安装孔。将出线底板边缘切除一小部分，用以破坏其整圆形式，这样能有效防止设备的自由滚动，有利于安装放置。出线底板也是两根Φ8.2 mm外接电缆的出口，结合电源控制模块的外形尺寸和安装方式，将出线口设置在底部的偏心位置，并在该处装有与电缆直径相对应的PVC护线圈。待两根电缆安装到位后，用703硅橡胶对出线口内腔进行灌封，用黑色双壁带胶热缩管ATUM32/8对电缆出口位置进行热缩密封。

2.2.3壳体的密封

壳体的接口处均设有耐高温、耐寒、低硬度、低扯断、抗腐蚀，工作范围在-60℃～+250℃之间的硅橡胶O形密封圈[3]。根据壳体的直径大小，将O形密封圈规格选定为外径Φ120 mm，断面直径d0= 3.1±0.1 mm。为了获得良好的密封效果，将O形密封圈的最小压缩率Emin设定为22%，上下接触面最大间隙Cmax设定为0.15 mm，根据下列公式[5]可求得槽深和槽宽：

Hmax=d0min(1-Emin)-Cmax

(1)

式中，H为槽深，d0为O形密封圈断面直径。

Bmin=(1.05～1.2)B1

(2)

式中，B为槽宽，B1为O形密封圈受压后横向宽度，且B1=(1+E1.5)d0。壳体的沟槽尺寸可确定为：H=2.1±0.05 mm，B=3.8±0.05 mm。

2.2.4壳体的热设计

该设备主要通过壳体外表面热对流和热辐射两种方式散热，具体的热交换途径为：内部各单元与设备内部空气热交换，设备内部空气与设备外壳热交换，设备外壳与外部空气热交换。设备允许的温升为15℃，内部模块的峰值功耗为3 W，壳体的表面积约为1 445 cm2，根据公式(3)[2]可求得热流密度为0.002 W/cm2。

φ=Φ/A

(3)

式中，φ为热流密度，Φ为热流量，且Φ=3 W，A为热换面积，且A=1445 cm2。

由于求得的热流密度值0.002 W/cm2小于文献[2]中自然冷却的热流密度值0.02 W/cm2(温升为15℃)，所以选择自然散热能够满足散热要求。

2.2.5壳体的镀涂和色彩

为了满足防潮、防霉和防盐雾(“三防”)的要求，筒体和出线底板均经过导电氧化处理，表面喷涂有“三防”性能良好的丙烯酸聚氨脂漆。

借鉴普通航道左侧标为红色、右侧标为绿色的规定[6]，将整个壳体设计为红色和绿色两种色彩方案，鲜艳的色彩有助于提高航标的识别性和警示功能。安装时也遵守左侧红色，右侧绿色的规定。

3 结束语

本结构设计方案针对海上恶劣的气候环境，装配、使用及维护过程中的方便性和可操作性等多个方面，通过采用密封结构、选用防腐材料和有效的散热措施，使设备在“三防”、散热、装配、整机结构可靠性和美观性等方面得到了有效的保证。该航标的成功设计将为数字化航道的建设提供有力的设备保障。

参考文献：

[1] 王健，刘人杰. 基于AIS的数字航标[C]//中国航海学会通信导航专业委员会2005年学术年会论文集. 大连：大连海事学院，2005: 129-132.

WANG-Jian, LIU Ren-jie. The Digital Aids to Navigation Based on AIS[C]// Proceedings of 2005 Annual Conference on Communication and Navigation Professional Committee of China Institute of Navigation.Dalian:Dalian Maritime University,2005: 129-132. (in Chinese)

[2] 邱成悌，赵享殳，蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2005.

QIU Cheng-ti, ZHAO Dun-shu, JIANG Quan-xing. Principles of Structure Design of Electronic Equipment[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2005. (in Chinese)

[3] Q/AD90-1999,常用非金属材料手册[S].

Q/AD90-1999,Non-metallic Materials Commonly Used Manual [S]. (in Chinese)

[4] 阳安源.自动车船定位系统(AVLS)的结构设计[J]. 电讯技术, 2007, 47(3)：182-184.

YANG An-yuan. Structure Design of the Automatic Vehicle Location System (AVLS) for HongKong Fire Services Department[J]. Telecommunication Engineering, 2007, 47(3)：182-184. (in Chinese)

[5] 卢黎明. O形密封圈的压缩率对其密封性能的影响[J]. 华东交通大学学报, 2003, 20(2)：9-10.

LU Li-ming. Influence of the Form-change Ratio of O Type Airtight Gasket on Its Airtighteness[J]. Journal of East China Jiaotong University,2003,20(2)：9-10.(in Chinese)

[6] GB4696-1999,中国海区水上助航标志[S].

GB4696-1999,Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China [S]. (in Chinese)