伤员搜救引导器的设计

邹 渝，程桂禹*，康宏斌，代婷钰，何厚伯，保永泰，郑 然*

（1.陆军军医大学陆军卫勤训练基地，重庆400042；2.陆军军医大学基础医学院，重庆400042）

0 引言

陆军战场搜救行动中，快速、准确定位待救人员是准确实施搜救的首要前提，而伤员搜救引导器是实现这一目标的关键。目前，飞行员、潜艇人员、特战人员及其他执行特殊任务的人员均配备了呼救定位装置用于搜救引导，这些呼救定位装置能够有效满足海、空军伤员搜救引导的需要[1-2]。但是因应用场景不同，现有的呼救定位装备无法有效满足陆军战场搜救的需要，具体体现在以下几个方面：（1）隐蔽性不强。现有呼救定位装置报知距离通常较远，需要增大信号强度来提高己方可探测性。如直接应用于陆地搜救，无法满足隐蔽性要求。（2）不便携带。陆军战斗人员通常随身携带战斗装备，单兵战斗负荷已基本达到极限，难以增加额外负荷。（3）成本较高。现有呼救定位装置采购需求小，总体费用不高。而陆军战场搜救需求量大，现有呼救定位装置无法满足陆军大批量列装的需要。因此，本文设计一种低功耗、便携、经济的伤员搜救引导器，以满足陆军战场搜救装备体系建设的迫切需要。

1 应用场景

陆军作为陆上作战的主体力量，战场伤员搜救需要满足全域机动、精确作战的要求。陆军战场伤员搜救引导器要满足陆军多样化作战任务和复杂作战环境下的使用需要，适应多种应用场景[3-6]。伤员搜救引导器的典型应用场景详见表1。

2 性能需求

伤员搜救引导器应具有定位报知功能，因此综合采用北斗卫星无线电导航系统（radio navigation satellite system，RNSS）定位和超短波定位技术为实现陆军战场伤员位置准确报知、伤员信息上报、距离精确测算等功能提供支撑。伤员搜救引导器的信号链路与应用场景如图1所示，其性能需求包括基本性能、环境适应性和勤务适应性。

表1 伤员搜救引导器的典型应用场景

图1 伤员搜救引导器的信号链路与应用场景

基本性能是伤员搜救引导器的主要性能需求，是实现战场伤员搜救引导功能的关键指标。基本性能需求详见表2。

表2 伤员搜救引导器的基本性能及需求

环境适应性是引导器对陆军战场环境的适应能力要求，对于确保引导器在不同自然环境下正常工作十分重要。对于军事装备而言，一般工作温度为-20～55℃，存储温度为-55～70℃，环境相对湿度≤95%，伤员搜救引导器需要满足温度、湿度的通用性要求。针对伤员搜救引导器的特殊要求，抗风能力、抗淋雨能力和高原适应性等环境适应性指标的特殊需求详见表3。

表3 伤员搜救引导器环境适应性的特殊性能及需求

勤务适应性主要是为适应不同任务需要，在抗冲击、抗振动、电磁兼容性、隐蔽与防侦察能力方面的要求，以国家军用标准为基本依据。为了满足伤员搜救引导器战场运用的特殊要求，勤务适应性特殊需求详见表4。

表4 伤员搜救引导器勤务适应性的特殊性能及需求

3 设计方案

伤员搜救引导器的设计要符合多样化应用场景，满足基本性能、环境适应性和勤务适应性要求。引导器设计以ARM（advanced RISC machines）处理器为核心，包含超短波模块、北斗模块和紫外驱动模块等，实现超短波专用救生频点（243 MHz）搜救、北斗定位、紫外光定位等功能。其组成框图如图2所示。

图2 伤员搜救引导器组成框图

3.1 ARM主控模块

ARM主控模块以ARM处理器为核心进行开发。该处理器具有性能好、功耗低、价格优势明显等特点，能够有效满足陆军战场伤员搜救引导器的设计需求。其内部结构及外围电路组成如图3所示。

3.2 超短波模块

超短波模块由数字处理单元、频合单元、接收单元和发射单元组成，如图4所示。

图3 ARM主控模块组成框图

图4 超短波模块组成框图

3.2.1 数字处理单元

数字处理单元由现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）、数字信号处理器（digital signal processing，DSP）和A/D转换电路组成。中频信号经A/D转换后，在FPGA内部完成编码和载波同步、跟踪、解调和解扩，然后将数据传送给DSP。DSP进行译码后作出应答，将响应的数据（含响应指令、地址码等）连同测距码、同步码、校验码等进行卷积和扩频，经D/A转换后传送至发射单元。数字处理单元组成框图如图5所示。

图5 数字处理单元组成框图

3.2.2 频合单元

频合单元主要是为数字处理单元提供标频时钟信号，为接收单元和发射单元提供本振信号，如图6所示。该单元采用低功耗微型贴片频率合成芯片和温度补偿晶体振荡器（temperature compensate x’tal oscillator，TCXO），可满足压控振荡器（voltage controlled oscillator，VCO）低工作电压、低功耗等技术要求，具有面积小、功耗低、可靠性高等优点。

3.2.3 接收单元

接收单元是将来自天线的射频信号转化为中频信号，并将该中频信号交由数字处理单元处理。接收单元包括保护电路、高频放大电路（一级高频放大电路、二级高频放大电路）、混频电路、滤波电路、中频放大电路、自动增益控制（automatic generation control，AGC）电路等部分，组成框图如图7所示。

3.2.4 发射单元

发射单元主要实现中频信号的上变频、功率放大及滤波功能，以及在243 MHz救生频点发射信标功率信号。发射单元原理框图如图8所示。

3.3 北斗模块

北斗导航系统是我国自主研制的导航系统，技术应用比较成熟，具有自主、可控的优点，目前北斗3号已完成组网[7-9]。北斗模块主要用于定位，定位完成后将定位结果通过串口传送至北斗模块，并将北斗模块的短报文内容处理及发射出去[10]。北斗模块主要包括数字信号处理部分和低噪放部分，其接收到的微弱信号通过处理进入基带模块，再将分析好的数据发送到上位机软件，如图9所示。

3.4 紫外驱动模块和电源

紫外驱动模块采用成熟电路驱动紫外灯。当发射端发射某一固定光功率的测距信号时，接收端接收到测距信号后通过功率测量得到接收光功率，再根据紫外光在大气信道中的衰减特性，推导计算搜救定位距离。电源采用一次性锂锰电池，具有安全性高、能量密度高、免激活、贮存寿命长等特点，可为设备各功能单元提供适宜的工作电压和电流，满足战场伤员搜救引导器的设计要求。伤员搜救引导器外形与内部构造图如图10所示。

图6 频合单元组成框图

图7 接收单元组成框图

图8 发射单元原理框图

图9 北斗模块组成框图

图10 伤员搜救引导器

4 试验验证

伤员搜救引导器设计完成后，进行样机试制，同时结合引导器的典型应用场景进行试验，以验证功能的完整性。伤员搜救引导器的试验验证要满足实战化搜救任务和训练要求，在性能试验的基础上突出任务需求满足度考核验证[11]。试验条件、方法和验证标准详见表5。

表5 伤员搜救引导器的试验条件、方法和验证标准

经试验，伤员搜救引导器在15~1 200 m高度范围内北斗RNSS定位功能和超短波定位功能正常，电源续航能力能够满足设计要求。

环境适应性试验采用室内环境条件试验与室外自然环境试验相结合的方式。勤务适应性试验结合搜救任务进行，重点试验伤员搜救引导器与现有搜救装备体系的融合度。试验结果表明，伤员搜救引导器各项参数达到设计要求，能够满足战场搜救的需要。

5 结语

伤员搜救引导器设计以陆军战场搜救需求为牵引，以ARM处理器为核心，综合集成超短波定位、北斗定位和紫外定位功能。通过样品试制和试验验证，伤员搜救引导器各项指标达到设计要求，设计方案具有较强的可行性。伤员搜救引导器具有低功耗、低成本、便携等特点，具有较强的推广价值。后续需进一步结合战场搜救场景开展作战试验，进一步验证、完善伤员搜救引导器的设计。