北斗三号终端设备在西藏高寒、高海拔地区的应用

文| 李刚 杨双

深圳市远东华强导航定位有限公司

一、引言

高寒地区是指常年低温、冻土常年不化的地区。高寒地区通常还伴随着高海拔或高纬度，地形复杂、气候恶劣且变化无常，主要特点是气温低且持续时间长。冬季最低气温可达-40℃，昼夜温差较大。高海拔地区，还存在空气密度低、日照时间长、紫外线辐射强烈、气候干燥等环境特点。在西藏高寒高海拔等复杂环境下，大范围采用传统的方式开展巡检工作需要大量的人力、物力、财力。目前随着北斗技术的成熟，北斗系统已广泛应用于边境巡检、地质灾害监测、减灾救灾等方面，并取得了显著成效。

北斗系统作为国家重要基础设施，在我国经济社会发展和国防建设中都发挥着重要作用，也是推动我国信息化建设的重要力量。2020 年北斗卫星导航系统全面建设完成，向全球提供服务。北斗卫星导航系统自主可控，稳定可靠，覆盖范围大，无通信盲区，架设与维护简单，特别适合大范围监控管理和数据采集传输等应用。西藏高寒高海拔地区人员巡检或地质灾害监测运用北斗卫星导航系统，有很高的安全度和可靠性，而且可以对其他地区进行推广，推动北斗在各行各业的大规模化应用。

本文以西藏为例，阐述北斗三号终端设备在高寒、高海拔地区的应用。

二、西藏高寒高海拔地区北斗终端需求现状

1.信息化巡检手段不足

西藏自治区环境恶劣，地广人稀，经济发展相对落后，天气多变，诸如暴雪、冰雹、强降雨导致山体滑坡、泥石流及雷电灾害等频繁发生，村民外出作业或巡检信息化、智能化手段不足，人力物力消耗严重，高寒缺氧、身体不适，每日早出晚归。目前还有部分乡镇手机信号差，手机无法与外界通信，特别是无人区等通信信号全无。现有的卫星电话能够实现大部分救援功能，但是价格昂贵，操作复杂，对环境周围都有山体遮挡的要求极其苛刻，市面上的北斗海聊等便携终端产品，虽然支持一键求救，但是设备高度集成化，不支持自定义，也不支持北斗和4G 双通道切换，不能因地制宜地在各种场景使用[1]。

2.地质灾害监测数据缺乏可靠传输手段

西藏地震活动频繁，且规模较大、破坏力极强。以泥石流、滑坡、崩塌为主，还有少量的滨湖溃决、雪崩。目前灾害发生时，附近的移动通信基础设施被破坏，可用性无法得到保证，需要可靠的数据传输手段将灾害情况尽快上报。

针对目前国内外市场现有民用、商用设备的诸多弊端，面向西藏、新疆等高寒、高海拔地区等不同场景的应用：

1）开发功耗低、待机长、体积小、具有三防功能、方便边民随身携带的便携终端（边民外出无信号区域随身携带），能适应各种复杂环境的北斗三号系列终端产品，能定时上报当前所处的位置，可一键发送带有当前海拔及定位的预险信息，可将巡检过程中的灾害情况通过图片的形式上报到监控中心等，解决了边民在有移动信号的环境，使用移动网络通信，在无移动信号的区域，使用北斗短报文实现与监控中心或家人的通信。

2）开发具备北斗和4G 双通道通信的北斗数传终端设备，保证无移动网络覆盖地区或地质灾害发生时，地面移动网络设施被摧毁的情况下，仍然能通过北斗链路将地质灾害监测数据实时上报监控中心，监控中心根据得到的数据分析，为早期预警或救援提供有利条件，避免人员伤亡，减少经济损失。北斗三号终端产品应用场景如图1 所示。

图1 北斗三号终端产品应用场景

三、 北斗终端产品介绍

1. 北斗民用指挥机

北斗民用指挥机（图2）具备北斗三代短报文通信，北斗RNSS 定位功能，具备指挥兼收功能。可向所管辖的下属子用户发送通播信息，从而实现对子用户的分组管理和集中调度功能。设备接口丰富，可支持天通语音通信，满足用户各种使用需求。北斗指挥机主机部署在用户机房，天线架设于室外，天线具备防水、低温工作等性能。

图2 北斗民用指挥机

2. 北斗车载终端

北斗车载终端（图3）具备北斗三号民用区域短报文通信，以及北斗三号RNSS 的北斗B1 和GPS_L1 单模或双模混合定位功能，支持4G 全网通功能。采用一卡双模技术，自适应切换4G 和北斗两种通信方式。该终端体积小、安装方便、可作为偏远地区独立使用的全天候定位导航通信设备，使用环境复杂多样，能够在-40℃低温环境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

图3 北斗车载终端及配套APP 软件

3. 北斗数传终端

北斗数传终端（图4）具备北斗RDSS 定位、短报文通信功能，以及RNSS 的北斗B1、GPS L1单模或双模混合定位、支持4G 全网通功能，具备终端状态自检功能，具备实时获取监测站数据的能力，并上报到中心平台，支持数据拆包组包功能，远程重启，参数现场和远程升级及设置功能。该终端体积小、重量轻、功耗低、IP67 防护等级，可为地质灾害监测数据的传输提供通信保障，为气象服务、防灾减灾提供监测数据支撑。该终端固定安装，通过宽温电池供电，能够在-40℃低温环境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

图4 北斗数传终端

4. 北斗三号手持终端

北斗三号手持机是一款具有北斗定位和通信的加固型便携综合信息处理终端，支持通用移动通信（2G/3G/4G）、WIFI、蓝牙等无线通信模式，结合移动语音通信、多种数据采集传感器功能，安装部署北斗终端APP 应用软件，可将外出巡检人员的实时位置上报到监控平台，并通过北斗短报文与监控平台实现信息互通。该终端体积小、携带方便，内置低温电池，能够在-40℃低温环境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

5. 北斗伴侣终端

北斗伴侣终端，具备北斗三号RSMC 短报文通信、北斗三号和GPS 双模混合定位功能。具备蓝牙通信、OLED 屏幕显示及按键操作、一键报警、TYPE-C 接口充电功能。终端内部设计集成度高、功耗低，选用低仰角性能较好的多频一体天线，可满足用户在各种极端条件下对北斗卫星通信和北斗定位的需求。具备OLED 屏幕显示及按键操作，在紧急情况下可一键SOS 报警，该设备可手持，可壁挂，可通过蓝牙直接升级。该终端主要以电池作为工作能源，可在-40℃连续工作6 小时，支持在5000m 以上的高原通信。

四、北斗终端设备在高寒高海拔地区环境适应性设计

1. 高寒高海拔产品设计需要考虑的问题

1）海拔越高气压越低，随着海拔的增高，大气压力呈线性降低。低气压会增大有腔体器件的内外压差，引起外观变形、爆裂，因此用于高寒高海拔的产品要适当调整密封体内的压力；

2）海拔增高，空气密度降低，使以空气对流为主要散热方式的产品散热困难，温升增加，因此用于高寒高海拔的产品要考虑散热设计；

3）高寒高海拔地区的昼夜温差大，较大的温度变化使产品机械结构变形、开裂，破坏结构的密封，造成涂层开裂脱落等。频繁的热胀冷缩，会加速原材料老化，缩短使用寿命[2]。

2. 北斗终端设备设计措施

（1）元材料选型

北斗终端设备长时间工作在昼夜温差大的环境下，其电子元器件短时间内会频繁地热胀冷缩，寿命受到影响。为了提高元器件使用寿命，北斗终端设备使用的电子元器件均为-40℃～85℃的工业级元器件。印制板采用TG 值较高的板材，物理性能更好，减小由于温差导致的形变，保证板上元器件的可靠工作。

（2）终端低功耗设计

北斗终端设备高度集成，采用低功耗设计，产生的热量可及时传导到外部环境中。

（3）外壳结构设计

北斗车载、数传、手持等终端外壳结构的开口处设计有密封圈保证其密闭性，在腔体和天线罩、腔体和SIM 卡盖之间均有防水圈。终端底部设计有可平衡内外气压的防水透气阀，保证设备在温度变化大、设备内外存在气压差的环境下的防护稳定性。设备的功耗小，且金属外壳可导出绝大部分热量，不会因为热量堆积影响设备运行，避免了低气压空气散热效率低的影响。设备板卡的元器件均采用对气压不敏感、高绝缘强度型号，保证了设备在低气压环境下元器件工作的稳定性。

五、北斗终端在西藏高寒高海拔地区的应用案例

目前西藏地区平均海拔4000m 以上，且昼夜温差20℃左右，部分地区最低气温-40℃。通信基础设施落后，无法保证巡检人员、车辆与指挥中心的全时通信，需要借助北斗卫星导航系统实现全天候、全天时的通信。北斗终端设备体积小、功耗低、稳定可靠，且使用环境复杂多样，包括高寒、高湿、高海拔和高温等各种恶劣环境。

北斗指挥机主机部署在监控中心机房，天线安装在楼顶上。管理人员通过操作北斗指挥机发送北斗短报文实现对边民的指挥调度；同时接收边民上报的巡检数据、通信信息、位置数据、紧急求救信号，保障边民外出作业或辅助巡检过程中的通信。

山南市错那县曲卓木乡地处西藏南部边陲山南地区，属河谷地带，平均海拔4380m 左右，气候寒冷，早晚温差大，全年最低气温-18℃。图5 为北斗车载终端在山南市错那县曲卓木乡边民巡检中的应用。北斗车载终端安装于巡检车辆上，用于边境巡检人员配备，巡检人员通过操作配套APP 软件控制北斗车载终端发送定位和北斗短报文功能，实现了车辆位置实时上报、巡检情况上报等功能，及时将灾害预警上报。当遇到紧急情况时，巡检人员操作软件发送“SOS 报警”，等待救援队救援。实际测试，巡检人员使用北斗短报文能够保证可靠的通信。

图5 北斗车载终端在巡检中的应用

昌都市八宿县邦达镇是川藏南线和北线的交汇点，海拔4300m，属峡谷温暖带和高原寒冷带气候，年冬春气温常在-20℃以下。图6 为北斗数传终端在邦达镇地质灾害监测应用。将崩塌监测设备、滑坡监测设备定时上报的各类传感器的各项指标组包通过北斗/4G 链路上报到监测数据处理软件，实现了对滑坡、崩塌等地质灾害的实时监测预警，减少地质灾害发生时造成的损失。经过实际测试，北斗数传终端工作稳定，能够实时将采集的数据上报到监控中心。

图6 北斗数传终端在地质灾害监测应用

庞达村是我国西藏日喀则市亚东县下亚东乡辖行政村,位于亚东县南部,属高原山地气候，高寒高旱，是一个位于海拔2000m 的边境村。图7 为北斗伴侣终端和北斗三号手持终端在地质灾害监测和巡检中的应用。

图7 北斗伴侣终端、北斗三号手持终端在地质灾害和生态保护巡检中的应用

北斗伴侣通过蓝牙方式与手机连接，通过背带佩戴，确保朝南使用。通过操作北斗伴侣配套APP 发送北斗短报文实现巡检情况上报，当巡检人员遇到危险时，可一键触发SOS 报警，大大提高了巡检人员的安全性。在西藏庞达村，巡检人员通过操作手机端APP 软件，控制北斗伴侣终端发送北斗短报文。

外出巡检任务时，巡检人员随身携带北斗三号手持终端，在移动信号较好的地方使用移动信号与监控中心或同行巡检人员通信，在移动信号不好的环境，使用北斗方式通信，还能将巡检情况以图片和文字的形式上报到监控中心。经过实际使用验证，北斗伴侣和北斗三号手持终端在工作正常、定位精度高、通信环境好的情况下，成功率可达95%以上。

六、 总结与展望

本文以西藏自治区独特的地理位置、气候条件、环境特征、资源现状为背景，攻破了北斗天通双模处理技术、一卡双模处理技术、基于北斗短报文的数据压缩处理技术[3]和基于北斗短报文的丢包重传技术[4]，研究了性能可靠、操作简单、价格合理、能适应各种复杂环境的北斗三号系列终端产品，既支持4G 也支持北斗通信，为西藏边民和巡检人员提供精准定位和紧急救援服务，提高西藏自治区信息化通信手段。随着国家战略规划的持续推动与北斗相关产业的进一步成熟，各种型号的北斗终端设备在西藏、新疆等高寒、高海拔地区的应用将拥有更广阔的前景。

展望未来，我们还需要在高寒、高海拔应用中把握以下几个方向。

（1）北斗终端设备扩展支持多民族语言

为增强不同文化程度的西藏边民在使用北斗终端设备过程中的接受度，以提高北斗终端设备的实用性，增加多民族语言切换功能，即北斗终端设备支持两种语言的切换，这对于北斗终端设备的推广有更好的促进作用。

（2）推动北斗三号终端设备与手机应用之间的互联互通

将北斗三号终端设备集成北斗短报文与手机短信、微信的互联互通等功能，实现北斗与互联网、短信之间的多链路通信。通过互联互通实现能力互补，有机协同，有序发展，让有限的资源发挥无限的价值。

（3）建立高效的应急救援体系

西藏地区由于地形、地貌和大气环流的影响，气候独特而且复杂多样，极易发生山体滑坡、泥石流等地质灾害。面对灾害的突发性和不确定性，快速响应、高效处理、全面应对的救援体系显得尤为重要。要加强国家政策引导，并充分利用高科技手段，将应急处置与医疗救援有效衔接，实现统一调度，进一步提高高寒、高海拔地区边民的生命安全[5]。