基于北斗海事卫星船载终端的设计与应用

□ 文 丁 祥

一、引言

之前国内渔船基本装备基于GSM/CDMA/LTE网络或者电台开发设计的船载终端，实现船舶定位导航、语音通信和数据传输功能，但在远海公网无覆盖区域，应用受到限制，无法满足远洋作业通信需求。

北斗导航系统是中国自主建设、独立运行的全球卫星导航系统，从2000年北斗一号提供区域性有源导航功能开始，分阶段建设北斗二号、北斗三号，2020年实现了全球卫星导航功能。

Inmarsat系统是利用卫星作为中继站的海事卫星移动通信系统，它具有全时、全天候、稳定、可靠、高质量等优点。而我国于2016年8月发射“天通一号01”卫星，建设自主地球同步轨道卫星移动通信系统，当前也已投入试商用。

这样的背景下，开发基于北斗卫星导航系统与Inmarsat移动卫星通信融合船载终端与应用系统，在公网无覆盖区域建立船与船、船与岸有效的信息交互，实现语音通信、数据通信、电子围栏、一键报警等功能，规避敏感水域作业、渔船越界捕捞，提升了渔业渔政管理以及防灾减灾、应急救援、指挥调度等领域精细化和智能化水平。同时满足渔民作业时对远洋通信的基本需求。

二、系统总体设计

面向海洋渔业监管部门、授权行业和公众用户，构建起覆盖沿海以及远海作业区域，支持高可靠、大容量和高并发，天地一体化综合信息服务系统。通过北斗海事双模终端、卫星系统、北斗运营中心、移动基站、公共服务平台，为渔业主管部门和海上作业渔船建立一种有效的沟通与信息交互机制，为应急指挥决策提供支撑。原理如图1所示。

在后台岸基指挥中心搭建船联网位置公共服务平台，北斗海事双模船载终端采集渔船在航行过程中的数据信息，通过北斗短报文系统传送到公共服务平台，平台根据业务需要自动生成图形与数据，并进行统计、比较、分析、响应、列表等处理，提供移动目标船舶定位、监控、监听、调度、远程控制、轨迹回放、联网报警求助及信息发布等服务，同时通过桌面用户工作站、手持移动端、web等方式实现信息交互。

在前端渔船部署北斗海事双模船载终端，融合北斗导航、GIS、AIS、移动卫星通信等技术，实现航行环境全方位感知、监控和综合信息服务，保障渔船全天候安全畅通航行和生产作业安全，满足渔民远洋基础语音通信需求。

图1 系统原理框图

三、终端总体设计

终端总体设计由海事单元、北斗通信单元和显控单元三个部分组成，如图2所示。

显控单元通过电缆分别连接海事单元、北斗通信单元、主供电源，实现人机交互、海图展示、一键报警、语音通话功能；北斗通信单元主要由天线、射频模块、主板组成，通过北斗/GPS系统实现定位、短报文通信功能；海事单元主要由MSS通信模块、数据处理、天线组成，通过海事移动卫星通信系统，实现船船、船岸、网内与公网之间语音通信，为用户提供全球覆盖的语音通信。

图2 终端总体设计及原型图

（一）总体设计思路

1、ARM系统平台的选型，主要基于嵌入式海图引擎、海图加载、处理速度、存储空间、接口等满足设计需求，经充分验证、综合评估后选用Cortex-A8处理器800MHz、512MB内存、8GB存储，该系统平台具备网络、键盘扫描、多路UART、显示触控等功能。

2、考虑系统和船载使用环境复杂度，电磁兼容设计犹为关键，具体如下：

1）PCB模块化设计

在器件EMI优选基础上，PCB按模块化设计如图3所示，数字电路、电源电路、语音电路单独屏蔽引出信号再接入接口插座，防止信号间辐射干扰、叠加，同时增加滤波器件，优化对同船设备频点、北斗和GPS接收频点、海事卫星接收频点的辐射干扰。

图3 PCBA设计示意图

2）多系统共存情况下射频模块前端设计

北斗海事双模船载终端共5个频点都集中在L频段，且北斗短报文通信和海事卫星通信发射信号功率较大，解决电磁兼容问题是终端达到实用化水平的关键。

射频前端高频信号采用铝合金完全屏蔽，射频模块发射端L波段在带外抑制B1/L1、S频点达最大限度，接收端滤波器处理带外抑制；同时北斗单元四频天线设计重点考虑收发隔离度，避免射频信号发射时造成接收信号失锁或器件损坏。通过海事天线与北斗天线空间隔离，增加射频前端的滤波器性能，以及BM3005信号基带处理中动态同步跟踪技术的采用，较好地解决了多系统共存的电磁兼容问题。

3）电缆辐射干扰优化设计

选屏蔽线缆，对于高速率传输的线缆外层必须增加屏蔽，电源线缆增加共模磁环，减少低频信号辐射。每艘渔船空间环境差异，舱内和舱外设备安装位置、连接电缆走线布置，需充分验证，并形成可操作性的综合设计方案。

4）主要功能设计与性能要求

主要功能设计与性能要求如表1所示。

（二）详细设计

1、显控单元

显控单元主要由主板、按键板、显示屏和外部接口组成，如图4所示。按键和显示屏主要实现人机交互功能。主控板主要由ARM平台、语音处理单元、电源模块组成。

图4 显控单元框图

1)电源模块将输入电源+12V～+36V转换成所需电压值，供电给各个单元或模块：+56V、+12V、+5V和+3.3V，具体如图5所示。

表1 功能性能要求

图5 电源模块原理框图

2）ARM平台选择较成熟的 Cortex-A8处理器800MHz主频以上、内存512MB以上、存储8GB以上），满足网络驱动、键盘扫描、4路以上UART以及显示触摸屏驱动。如图6所示。

图6 ARM平台组成框图

3）语音处理单元实现海事单元输出电话信号与手柄送受话器之间的语音信号控制、处理，如图7所示。采用AS2533转换芯片，实现二线式模拟电话信号/四线式语音信号之间的转换。

图7 语音处理单元原理框图

2、北斗通信单元

北斗通信单元由四频天线、射频模块、主板等组成，主要接收RNSS信号并解析位置信息，通过北斗短报文功能实现终端与终端、终端与平台之间的通信功能和位置上报功能。如图8所示。

图8 北斗通信单元原理框图

基于高频板材设计的北斗四频天线，集成4个频点：B1、L1、L、S，采用3层PCB叠加设计，具有高增益、宽波束、高隔离度，如图9所示。

北斗S频点信号经天线接收，送LNA滤波、放大后，经混频、滤波、AGC控制输出12.24MHz中频信号，再经基带信号解调数据解析后UART口输出。基带芯片从UART口接收指令，按格式组包成基带数据，经滤波、调制至L频段，经放大、滤波，经天线辐射出去。B1/L1频点经天线接收，送LNA滤波、放大，再经B1/L1接收模块基带处理、解析、UART口输出。接收通道连续工作，发送通道为突发式工作。

因L发射功率较大，需要求滤波器的带外抑制，以及滤波器和低噪声放大器满足最大输入功率要求而不受损坏。

主板将+12V～+36V的输入电源转换成射频模块电源和串口电平转换电路所需+12V、+5V、+3.3V电源，如图10所示。+12V、+5V均采用TPS54系列电源芯片，+3.3V则采用TPS62203，可以满足设计要求。

北斗射频模块采用双路UART，一路用于RDSS通信收发，一路用于RNSS通信接收，另需将UART转换成RS232，相应采用MAX3232双路串口电平转换功能正好满足需求。

3、海事单元

主要由海事天线、海事模块、信息控制板组成，通过AT指令控制与显控单元的信息交互，实现海事信号收发、话音功能，如图11所示。

海事天线采用圆柱形螺旋设计，基于轴向模螺旋天线原理，以变升角低剖面螺旋改善圆极化性能，以微带匹配段实现最优阻抗匹配，用功分网络联结组成四元阵列天线，再根据螺旋相移器原理，调节天线与探针旋转实现单元天线之间的相位差，达到微波定向辐射。弥补单元螺旋天线增益不足的缺陷。

4、软件设计

基于嵌入式海图引擎开发设计，功能如图12所示。

图9 射频模块原理框图

图10 主板原理框图

图11 海事单元原理框图

图12 显控功能列表

5、接口设计

接口设计如表2所示。

表2 终端接口定义

6、结构设计

依据使用环境和特点，考虑可靠性、可维性、电磁兼容性等要求，采用成熟、通用原材料及“三防”加工工艺。

显控单元为室内单元采用为ABS材质，面壳和底壳之间采用硅胶密封圈，防护等级满足IP54以上。

北斗通信单元和海事单元为舱外设备，需要考虑盐雾、防水、阳光暴晒等。外罩PC注塑成型，采用珍珠白色减少阳光吸收。底座铝合金压铸，安装防水透气阀加速内外冷热空气交换和传热速度，保持内外压力平衡，降低热量堆积，防止盐雾渗透，防护等级满足IP66以上。

四、关键技术与创新

1、四元阵列螺旋天线设计

采用圆柱形螺旋设计方案，设计圆形天线总高度11cm、直径为4.5cm，馈电部分采用高频介质微带贴片，粘附于圆柱形介质泡棉外壁，以微带匹配段实现最低剖面，变升角螺旋天线，用十字型微带功分网络，将单元天线组合成四元螺旋天线阵，并用探针穿孔连接功分网络和天线，调节天线与探针的旋转实现螺旋单元天线之间的相位差，设计过程基于HFSS软件仿真优化，在有限体积情况下，实现宽波束下的增益要求，达到最佳辐射。

2、多系统多频点电磁兼容处理

终端融合了北斗卫星系统、GPS系统、海事卫星系统，共6个频点，其中L波段有5个频点：RNSS中的L1、B1接收频点、RDSS发射的L频点、海事电话收发频点，S波段的接收频点，且北斗通信和海事电话通信发射功率较大。通过天线高隔离度和射频前端的带外抑制降低收发信号的相互干扰，以及终端屏蔽设计、干扰信号滤波处理，以及兼顾渔船电气环境，较好地处理了电磁兼容性问题。

3、长报文北斗短报文通信

北斗短报文每帧发送电文容量有限（以民用卡3级为例，可发送78个字节），终端软件设计上对于长报文短信采用分包传输：输入长报文后，终端自动识别长电文并经过哈夫曼压缩算法进行压缩（50%）后将长报文分为N段（每段70个字节，其他字节作为报文标识信息），每段增加标识信息（报文时间戳、总包数、段序号）后发送给接收方；接收方在接收到所有数据包后，将数据拼接起来经解压后还原成原始报文。这样大大提高终端与系统端用户编辑、收发北斗短报文的效率与用户体验。

五、项目实施情况

1、福建海洋渔业船载北斗示范工程

北斗海事双模船载终端研制及应用，属国内首创，填补了远洋通信的空白，在项目执行期累计创收超6000万元，利润近千万元；搭建福建海洋渔业应急指挥决策支撑系统，实现对福建海洋渔业60以上7000余艘渔船北斗船载终端的部署，提供船船、船岸之间的信息交互服务，气象、海浪、渔情、渔讯等多种信息动态发布，解决导航、越界作业、紧急救援、应急指挥等海上作业安全生产问题，加速福建海洋渔业信息化建设进程。

2、衍生产业化应用情况

1）在双模船载示范项目基础上，拓展改型，为杭州G20、厦门金砖国家领导人峰会舰船海域安保调度任务提供技术支撑与保障。

2）研制独立北斗通信单元，在福建省应急通信工程北斗及卫星系统示范项目中，对全省400多个无人气象站部署了北斗数传终端，解决无或弱公网信号区域数据传输。

3)创新开发新一代智能船载终端，融合北斗RDSS、北斗RNSS/GPS、天通一号、AIS、高精度定位、3G/4G及wifi，为一体化多功能船用通信终端，如图13-图14所示。完成交通部长江海事局“长江干线北斗卫星地基增强系统工程”北斗船载设备前期科研与交付任务。

图13 智能船载终端原理框图

图14 智能船载终端

六、总结

该项目的实施提升了福建省渔业渔政管理、防灾减灾、应急救援、指挥调度等领域精细化和智能化水平，大幅提高福建海洋渔业产业链效率与效益，对维护国家海洋渔业权益，对“数字福建”的建设具有重要意义。

基于北斗海事船载设备研发与衍生技术产品化，结合北斗、天通、高通量宽带卫星Ka以及地面5G系统建设发展，通过融技术、融网络、融终端、融数据，真正实现产业融合与协同共生，主动融入国家卫星互联网大战略，或将成为“新基建”迈向数字化、智能化不可或缺的重要抓手。■