一种用于海试设备定位的北斗信标机

刘 鹏，邹田田，隋元杰，崔志光

(中国科学院 声学研究所北海研究站，山东 青岛 266000)

0 引 言

在海上实验研究中，实验平台基本都是由浮标、 潜标搭建而成.平台的主要特点是工作时间长且无人值守，所使用的设备昂贵且存有大量重要数据，因此在布放锚系系统之前必须考虑到如何在后期安全可靠的回收.此前的回收工作一般是将系统布放时的位置信息当作回收参考位置[1].但在实际的海上实验中，实验设备容易受到各种因素的影响，比如洋流、 海洋风暴、 渔船拖网等，设备的位置很可能会发生较大变化，从而增加了设备回收的难度，甚至还会造成设备和数据的丢失，不仅会造成巨大的经济损失还会泄露机密[2].因此，为了降低风险、 减小损失，研制出能够帮助系统可靠回收的技术与设备迫在眉睫.

目前基于GPS的全球定位系统在我国各类定位通信设备中仍起着重要作用[3]，这种情况导致了对国外导航定位系统的过度依赖，不仅阻碍了国产核心技术的研制和发展，还存在相当大的安全隐患，甚至可能对国家的利益和安全造成一定的影响[4].本文主要以“北斗二代 ”定位系统为基础，设计研发了一套工作持久、 性能稳定、 可靠性高、 便于操作、 低成本低功耗的定位通信系统.

1 系统设计

1.1 主板设计

主板采用MSP430系列芯片作为控制单元，其具有电压低、 功耗低、 运行速度快、 片内集成资源丰富等优点[5].主板上设计有电源、 RS232、 预留RS485、 压力传感器等接插件，在信标仓底部增加一个水密开关，可用于控制供电电源的通断.主板尺寸为65 mm×65 mm×15 mm，便于固定和节省仓体内部空间.主板的布局图如图 1 所示.

图 1 主板布局Fig.1 Mainboard layout

1.2 北斗模块

本系统选用的是小型化的手持式北斗天线，尺寸为52 mm×52 mm×16 mm，实物如图 2 所示.选用BDM910北斗模块，尺寸为60 mm×55 mm×12 mm，该模块集成度高、 功耗低、 兼容接收 RDSS、 北斗 RNSS&GPS卫星导航信号，可以实现载体的实时定位、 授时测速、 短报文通信等功能[6]，并通过广濑接口与主控板连接，实物如图 3 所示.

图 2 北斗天线Fig.2 Beidou antenna

图 3 北斗主板Fig.3 Beidou mainboard

1.3 接收软件设计

上位机软件的主要功能是接收定位信息和通信.在接收到位置信息以后会发出提示音，并且可以实时监测接收设备的状态.软件主界面如图 4 所示.

图 4 软件界面Fig.4 Software interface

1.4 电池设计

电池组采用四串七并的连接形式，串联电池组中单只电池加装防止过放电平衡电子器件(1n4007二极管)，平衡电压为0.40～0.75 V，在单组串联电池组合中接入3.50 A防过流热敏，以防止电池组单组出现短路等意外故障.与单只电池并联二极管用来防止过放电问题，不会造成开路电压与工作电压压降问题.实体结构见图 5，原理图见图 6.

图 5 实体结构 Fig.5 Entity structure

图 6 原理图Fig.6 Schematic diagram

2 工作原理

本系统以高容量锂亚电池作为信标的供电电源，在满足工作所需电压的同时又可以延长使用寿命[7].通过压力传感器判断是否满足深度门限，主控板将压力传感器发出的电压信号转换为相应的水深参数，如果深度小于3 m，北斗模块开始按照预设的工作频率发送定位信息.此时，指挥机接收到位置信息，然后通过定位软件发出信息提示音，并将接收到的位置信息显示在相应的界面上.在不满足深度门限的情况下，系统处于待机状态，降低功耗[8].

2.1 设计指标

系统相关的设计指标及参数如表 1 所示.

表 1 设计指标

2.2 系统构成

北斗信标系统主要由3部分组成，分别是北斗信标仓、 接收装置以及定位软件.其中北斗信标仓主要包括控制主板、 北斗天线、 北斗模块、 压力传感器、 电池； 接收装置主要包括北斗天线、 北斗指挥机、 计算机； 定位软件主要包括信息显示窗口以及信息提示音.系统构成如图 7 所示.

图 7 系统构成Fig.7 System construction

2.3 整体结构设计

为使北斗天线更好地接收信号，将其放置在天线仓顶端的尼龙外罩中，既可以减少金属对信号的影响又可以减轻重量.整体结构如图 8 所示，海上布放如图 9 所示.

图 8 整体结构Fig.8 Integral structure

图 9 布放图Fig.9 Deployment diagram

3 结 语

本文在北斗二代通信定位技术的基础上，研制了一种可以实现信标位置数据的无线卫星传输设备.本设备的可靠性已经通过海上实验验证，在设备上浮或被渔船意外拖拽的情况下，一旦设备的深度满足深度门限，就会向北斗指挥机发送位置信息.即使在海况恶劣的水域，只要满足深度门限，信标会按照相应时间频率重复检测北斗的信号状态，直到完成设备定位.本设备的成功研制为海上实验系统和调查设备的可靠回收提供了有力的技术保证，具有重要的意义.