北斗信標(biāo)機(jī)在深海潛標(biāo)中的應(yīng)用

摘要：隨著我國(guó)海洋資源的開發(fā)和利用，浮標(biāo)潛標(biāo)以及海岸基的布放數(shù)量隨之增加。由于海底環(huán)境比較復(fù)雜，近海漁民捕撈活動(dòng)比較頻繁，捕撈范圍有所擴(kuò)大，這對(duì)水下設(shè)備的安全構(gòu)成了威脅。并且，在設(shè)備打撈回收時(shí)，復(fù)雜的海況會(huì)增加回收標(biāo)體的難度，容易造成丟標(biāo)事故。文章通過“GPS+北斗”雙星定位，結(jié)合壓力檢測(cè)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可用于水下平臺(tái)意外出水報(bào)警、出水后實(shí)時(shí)定位的衛(wèi)星定位信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)多次應(yīng)用證明其性能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：GPS;北斗雙星定位;深海;系統(tǒng)

中圖法分類號(hào)：TN967文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application of Beidou beacon in deep sea submarine beacon

CHEN Junji

（715 Research Institute of China Shipbuilding Group，Hangzhou 310000，China）

Abstract：With the development and utilization of China's marine resources， the number of buoys， submarines and coastal bases is also increasing. Due to the complex seabed environment， the fishing activities of offshore fishermen are more frequent， and the fishing depth and scope have been expanded. These activities pose a threat to the safety of underwater equipment. In addition， during equipment salvage and recovery， complex sea conditions will increase the difficulty of recovering the standard body， which is easy to cause standard loss accidents. Through “GPS+Beidou” double satellite positioning and pressure detection， this paper designs and implements a satellite positioning beacon system which can be used for accidental water out alarm of underwater platform and real-time positioning after water out. After many applications， it has been proved that the performance is stable and reliable.

Key words： GPS， Beidou double star positioning， deep sea，system

隨著北斗定位通信技術(shù)的不斷發(fā)展，定位精度逐步增加，北斗通信系統(tǒng)可進(jìn)行短報(bào)文通信。2020年，北斗衛(wèi)星信號(hào)完成全球覆蓋。目前，國(guó)內(nèi)信標(biāo)回收體系不完善，相應(yīng)功能與國(guó)外主流產(chǎn)品還存在一定差距，在功能與回收服務(wù)方面有很大的提升空間。本文從海床基監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的需求出發(fā)，開發(fā)出一款續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和定位精度高的北斗信標(biāo)機(jī)。該設(shè)備使用壓力傳感器進(jìn)行出水檢測(cè)。為了配合布放，在信標(biāo)機(jī)外側(cè)安裝了磁力開關(guān)。北斗短報(bào)文通信模塊為 RD0538。信標(biāo)機(jī)內(nèi)部初始設(shè)置接收端北斗 ID、發(fā)射次數(shù)，將位置坐標(biāo)信息經(jīng)過加密后發(fā)射至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)站。

如圖1所示，通過將接收到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，可將信標(biāo)機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至客戶郵箱或者手機(jī)終端，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。為了滿足水下待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)的需求，選擇鋰氬硫酰氯電池，一年期自放率2%。該設(shè)備配置了藍(lán)牙配置串口，可通過手機(jī)與信標(biāo)機(jī)內(nèi)部藍(lán)牙配對(duì)，方便參數(shù)設(shè)置和更改，并方便布放前檢查設(shè)備。目前，該設(shè)備經(jīng)過多次海試以及布放回收作業(yè)，多次實(shí)時(shí)反饋潛標(biāo)意外上浮狀況，通知業(yè)主進(jìn)行回收打撈，幫助業(yè)主挽回經(jīng)濟(jì)損失，在現(xiàn)場(chǎng)回收作業(yè)中，可迅速報(bào)告作業(yè)船只精確位置，對(duì)目標(biāo)物打撈起到很好的輔助作用。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

信標(biāo)機(jī)回收系統(tǒng)由信標(biāo)機(jī)主體和數(shù)據(jù)終端接收轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)構(gòu)成。信標(biāo)機(jī)主體包括主控電路、北斗短報(bào)文配置電路、鋰氬硫酰氯電池包、壓力檢測(cè)電路、GPS 加北斗雙定位模塊、天線和磁力開關(guān)[1]。天線置于信標(biāo)機(jī)頂部，外殼采用聚甲醛材料，方便北斗信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)終端接收轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)由北斗接收終端、串口線、上位機(jī)、上位機(jī)顯控軟件組成。信標(biāo)機(jī)發(fā)出位置信息，接收終端收到位置信息后，可通過后臺(tái)軟件顯示出來，若計(jì)算機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，也可以轉(zhuǎn)發(fā)至用戶郵箱或通過短信方式發(fā)出。

1.2信標(biāo)機(jī)電路設(shè)計(jì)

1.2.1主控電路

水下信標(biāo)機(jī)以 STM32L151C8T6作為控制芯片，主要包括 MCU 模塊、晶振電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)模式電路和下載調(diào)試電路，如圖2所示。

STM32L151主控芯片用3V 供電，UART2用于傳輸北斗短報(bào)文信息，UART1用于接收讀取雙模位置信息，UART3用于配置信標(biāo)工作的參數(shù)信息，藍(lán)牙連接也可以通過該串口進(jìn)行訪問

1.2.2雙模定位電路

為了滿足高精度的定位回收要求，采用了北斗加 GPS 雙定位模式，其定位方式屬于被動(dòng)定位，在定位時(shí)無須用戶向衛(wèi)星發(fā)送定位申請(qǐng)，其工作頻段為北斗二代的 B1頻段和 GPS 的 L1頻段。

定位模塊選擇了 JS?U810，由于不需要一直訪問位置信息，如信標(biāo)機(jī)出水后5min 需要獲取一次位置信息，為了降低系統(tǒng)的功耗，采用肖特基二極管電路來控制定位模塊的供電。當(dāng)系統(tǒng)需要獲取位置信息時(shí)，二極管導(dǎo)通，為模塊提供電源，當(dāng)獲得有效數(shù)據(jù)之后斷開模塊電源連接，滿足低功耗、長(zhǎng)續(xù)航要求。

1.2.3衛(wèi)星通信電路

系統(tǒng)選用的江蘇博納雨田通信模塊 RD0538，這是一款 RDSS 單模通信模塊，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。RD0538內(nèi)部集成了射頻收發(fā)電路、數(shù)字解調(diào)電路、運(yùn)放及其他電路。該模塊采用5V 供電，待機(jī)功耗≤0.65W，發(fā)射瞬間功耗≤15W 。IC_SCLK，IC_SD ，IC_SRSTIN 和 IC_VCC 為模塊的 SIM 卡接口，在 RD0538模塊與 SIM 卡接口處需要做防靜電保護(hù)。VCC_PA 為 RD0538射頻模塊供電，RNSS 短報(bào)文發(fā)射瞬間電流可達(dá)2.5A ，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此電路需要滿足2.7A 電流要求，并且要鋪銅，走線要寬大。VCC_PA 外側(cè)放置兩個(gè)220uF 的鉭電容，用來保證發(fā)射時(shí)電流要求;VCC 用來提供小信號(hào)供電，為了保證供電質(zhì)量，在 VCC 外側(cè)放置電容用于濾波，使電源紋波<50mv。

1.2.4供電電路設(shè)計(jì)

北斗短報(bào)文在發(fā)射瞬間的電流可達(dá)3A 左右，為了滿足多種情況的供電需求，并且供電模塊同時(shí)為 STM32和 RD0538、定位模塊等器件供電，以及為防止北斗發(fā)送消息瞬間電壓被拉低，供電模塊選用德州儀器公司的 TPS54527芯片提供5V 直流電平輸出，最大對(duì)地電流可達(dá)5A;輸入端允許7V ～15V 電壓，范圍較寬，可滿足三節(jié)或者四節(jié)鋰氬硫酰氯電池組供電。

1.3信標(biāo)機(jī)軟件設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)上電后，通過定位模塊處理位置信息，通過短報(bào)文模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至船載接收端。并且，為了方便調(diào)試，在信標(biāo)機(jī)串口端加裝了藍(lán)牙接收模塊，可通過 APP 遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置。因項(xiàng)目要求，須每5min 上傳一次位置信息，所以短報(bào)文發(fā)射間隔設(shè)定為5min 。

1. 3.1定位信息處理

定位模塊具有 BDS/GPS 雙模定位功能，數(shù)據(jù)格式滿足 NMEA 3.0協(xié)議，在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展為滿足北斗通信定位協(xié)議[2]。對(duì)比通信內(nèi)容，其中 RMC（推薦定位信息）適合作為信標(biāo)機(jī)的位置信息來源，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含 UTC 時(shí)間、地理位置信息等，其輸出格式為：

$GPRMC ，time ，status ，Lat，N ，Lon ，E ，spd，cog，

date? mv? mvE? mode ?cs

位置信息處理代碼為：

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（strstr（ p_result，"."））

strcpy（ str_Latitude，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（（strcmp（ p_result，"N"）==0）||（ strcmp（ p _

result，"S"）==0））

strcpy（str_NS，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）;

if（strstr（ p_result，"."））

strcpy（str_Longitude，p_result）;

p_result=strtok（NULL，delims）

if（（strcmp（ p _result，"E"）==0）||（ strcmp （ p _ result，"W"）==0））

strcpy（str_EW，p_result）;

1.3.2藍(lán)牙遠(yuǎn)程配置處理

為了方便參數(shù)設(shè)置，采用 INI 驅(qū)動(dòng)為藍(lán)牙設(shè)備參數(shù)配置[3]。用 APP 打開藍(lán)牙，打開 HC_BLE 助手軟件，連接編號(hào)為 HC?08的藍(lán)牙接口。原始參數(shù)設(shè)置可寫在 E2 PROM 內(nèi)，信標(biāo)機(jī)上電后，INI 可從 E2 PROM 內(nèi)讀取設(shè)置參數(shù)，并且將原始參數(shù)初始化。表1為藍(lán)牙連接配置指令。

INI 調(diào)用示例代碼：

instance：INI ?

dst_num：uint32_t

freq：uint32_t

tel_num：uint32_t

getInstance（）：INI ?

Load_Cfg（cfg：Cfg_Info&）：void

Cfg_Process（）：void

Set_Default_Dst（）：void

Set_Default_FREQ（）：void

INI（）

read（addr：uint32_t）：uint32_t

write（addr：uint32_t，data：uint32_t）：void

2信標(biāo)機(jī)工作性能測(cè)試

2.1電池耗盡測(cè)試

考慮到信標(biāo)機(jī)在水下工作時(shí)間較長(zhǎng)，并且其發(fā)射瞬間電流較大，所以選擇了功率型的鋰氬硫酰氯電池組，選用9節(jié)鋰氬硫酰氯26500電池，采用三串三并的連接方式，輸出電壓11V 左右，單節(jié)電池容量為8000mAh ，總計(jì)72000mAh 。信標(biāo)機(jī)待機(jī)功耗為0.5W，發(fā)射瞬間功耗為10W（發(fā)射瞬間0.2s）

單次5min 消耗電量為0.043wH=11.61mAh ，假設(shè)其放電效率為80%，可計(jì)算該信標(biāo)機(jī)原則上可發(fā)射4961次，能夠連續(xù)發(fā)射17天。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，該信標(biāo)機(jī)搭載設(shè)備在東海某地意外上浮，接收終端可接收18天左右的完整數(shù)據(jù)，定位周期為5min。

2.2信標(biāo)機(jī)海試實(shí)際應(yīng)用

2021年8月，搭載某海床基項(xiàng)目，在南海某地進(jìn)行海試，能夠滿足設(shè)計(jì)使用需求，能夠在上浮5min 內(nèi)回傳位置信息，回傳后的位置信息與船上的 GPS 位置信息幾乎一致，偏差在5m 內(nèi)，可以精確地找到坐標(biāo)位置。2022年2月，某搭載平臺(tái)被漁網(wǎng)意外打撈，根據(jù)信標(biāo)機(jī)位置信息準(zhǔn)確定位到相應(yīng)漁船，在漁船靠岸前準(zhǔn)確聯(lián)系到船長(zhǎng)，為國(guó)家挽回?cái)?shù)百萬元的經(jīng)濟(jì)損失。

3結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證以及實(shí)際應(yīng)用，該信標(biāo)機(jī)擁有長(zhǎng)續(xù)航、低功耗、易操作等優(yōu)勢(shì)，通過了各項(xiàng)質(zhì)量檢查，可在海底500m 內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間布放，可在水下續(xù)航達(dá)5年之久，定位精度可在5m 內(nèi)，方便潛標(biāo)找回，搭載定時(shí)釋放裝置，可對(duì)原有的脫鉤釋放系統(tǒng)進(jìn)行完善，大幅度提高了潛標(biāo)的回收率。設(shè)備若被意外打撈，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程跟蹤，將位置信息發(fā)送至業(yè)主手機(jī)或郵箱，大幅度減少信標(biāo)終端的維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

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[3]歐陽(yáng)育華，張威.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的救生信標(biāo)機(jī)[J].江蘇科技信息.2017（19）：41?42.

作者簡(jiǎn)介：

陳俊吉（1992—），碩士，助理工程師，研究方向：控制工程。