基于北斗定位的落水人員報(bào)警終端的設(shè)計(jì)

高 婷，陳洪武，張 帥

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海201306）

0 引 言

海洋環(huán)境復(fù)雜、多變，使海難事故的發(fā)生具有突發(fā)性和災(zāi)難性的特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅海上人命及財(cái)產(chǎn)的安全。海上人員遇險(xiǎn)定位是海難事故搜救取得成功的前提，當(dāng)今我國落水人員定位主要依靠搜救飛機(jī)或船舶上所載搜救人員肉眼定位的人工方式，以及航線預(yù)測(cè)、人員飄移預(yù)測(cè)模型等傳統(tǒng)技術(shù)手段［1］，這樣救援的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性較低，不能在第一時(shí)間定位遇險(xiǎn)人員并對(duì)其施救。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為空間基礎(chǔ)設(shè)施，可應(yīng)用于海上人員遇險(xiǎn)定位。我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，具有自主產(chǎn)權(quán)和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)向中國及周邊地區(qū)提供連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)，2020年左右將建成覆蓋全球的導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。本文基于北斗定位系統(tǒng)和無線傳輸技術(shù)，開發(fā)適于海上作業(yè)人員的小型落水報(bào)警定位裝置，為海上作業(yè)人員提供安全救助保障，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上突發(fā)遇險(xiǎn)事故的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

1 北斗二代算法研究

“北斗二號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國獨(dú)立研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在體制上 “北斗二號(hào)”與GPS、GLONASS、Galileo一樣，同屬于 RNSS （radio navigation satellite system），采用的都是無源定位［2］方式。北斗二號(hào)將采用無源定位方式，用戶不需要發(fā)射信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)定位，用戶只要同時(shí)接收4顆或者大于4顆衛(wèi)星的信號(hào)就可以解算出自己的位置。

在對(duì)北斗定位模型的建立時(shí)，設(shè)用戶空間為（xuyuzu），接收機(jī)鐘差為tu，對(duì)空間任意4顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量，得到如下方程

式中：ρi——偽 距 觀 測(cè) 值，i＝1，2，3，4，xsi，ysi，zsi——第i顆衛(wèi)星的位置。對(duì)于此非線性方程首先進(jìn)行性化處理，再利用迭代法進(jìn)行結(jié)算。

設(shè)用戶的近似位置為 （x′uy′uz′u），近似位置與真實(shí)位置的偏差為 （ΔxuΔyuΔzu）將式 （1）在近似位置進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并且去掉高次項(xiàng)，簡(jiǎn)化得方程組的如下

方程組 （2）中的dxi，dyi，dzi表示由近似位置指向第i顆衛(wèi)星的單位矢量的方向余弦，Δρ1＝ρ′i－ρi，其中i＝1，2，3，4。

方程組 （2）表示成矩陣形式為

式 （3）中

從而可以解得

如果觀測(cè)衛(wèi)星的顆數(shù)超過4顆時(shí)，方程組的個(gè)數(shù)超過4個(gè)，利用最小二乘法解方程組，其解為解得

由式 （4）或式 （5）可以解出Δx，用它去修正x’，再進(jìn)行多次迭代，直到Δx達(dá)到一定要求，由此可得到用戶的空間坐標(biāo)。

2 報(bào)警終端硬件構(gòu)成

報(bào)警終端主要完成遇險(xiǎn)報(bào)警、定位信息監(jiān)測(cè)、信息傳遞等功能。手持終端設(shè)置遇險(xiǎn)紅色報(bào)警按鈕，并有防止誤操作的措施。在緊急或落水遇險(xiǎn)情況下，遇險(xiǎn)檢測(cè)模塊中的結(jié)露傳感器被觸發(fā)，手持終端報(bào)警定位裝置立即啟動(dòng)北斗模塊進(jìn)行定位，由射頻模塊將人員遇險(xiǎn)信息發(fā)送給搜救船舶或者海上作業(yè)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示落水者相關(guān)信息。報(bào)警終端在硬件結(jié)構(gòu)上以ARM Cortex－M3構(gòu)架的微控制器STM32F103RBT6為主控CPU （central processing unit），包括北斗定位模塊、遇險(xiǎn)監(jiān)測(cè)模塊、射頻模塊及電源模塊、LED狀態(tài)指示等重要模塊，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 報(bào)警終端原理

系統(tǒng)根據(jù)國際電信聯(lián)盟第五次會(huì)議階段性研究結(jié)論中建議的 《無線電規(guī)則》和無線尋呼報(bào)警系統(tǒng)的原理使用ISM （industrial scientific medical）可用頻段，使用時(shí)無需申請(qǐng)?jiān)S可證，在433MHz公共信道［3，4］上實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，完成人員落水后及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警定位的功能。

2.1 控制核心

報(bào)警終端控制核心采用的是是基于ARM Cortex－M3構(gòu)架的微控制器增強(qiáng)型STM32F103RBT6，增強(qiáng)型系列將32位 MCU （micro control unit）的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別［5，6］。STM32F103RBT6工作頻率可達(dá)72MHz，能實(shí)現(xiàn)高端的運(yùn)算，豐富的增強(qiáng)型I／O端口和連接到兩條APB（advanced peripheral bus）總線的外設(shè)。增強(qiáng)型器件都包含2～3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器。STM32F103RBT6具有51個(gè)多功能雙向5V兼容的I／O口，使用時(shí)可以作為通用GPIO口，也可以作為復(fù)用AFIO口。每一個(gè)GPIO引腳都可以在程序中配置成如下幾種模式：懸空輸入，上拉輸入，下拉輸入，模擬輸入，開漏輸出，推挽式輸出，推挽式復(fù)用功能，開漏復(fù)用功能［6］。如 USART1引腳 USART1－TX、USART1－RX 復(fù)用PA9、PA10，TX、RX復(fù)用端口分別配置為備用功能推拉模式和輸入浮動(dòng)模式。

此處將控制核心作為主機(jī)，由其觸發(fā)和控制定位和射頻器件傳輸數(shù)據(jù)。單主機(jī)SPI連接示意圖如圖2所示，SPI可同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)。當(dāng)SPI工作時(shí)，移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳輸出，同時(shí)從輸入引腳接收的數(shù)據(jù)逐位移到位寄存器。主SPI的時(shí)鐘信號(hào)使傳輸過程同步?？刂坪诵墓ぷ髟谥髂Ｊ较?，串行時(shí)鐘在SCK腳產(chǎn)生，通過SPI＿CR1寄存器的BR ［2：0］位定義串行時(shí)鐘波特率。選擇CPOL和CPHA位，定義數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘間的相位關(guān)系。

圖2 單主機(jī)SPI連接

2.2 北斗定位模塊

北斗定位模塊采用的是和芯星通的UM220模塊，該模塊是雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，是多系統(tǒng)多頻高性能SOC（system on chip）芯片，輸入輸出信號(hào)類型為 LVTTL電平，此電平轉(zhuǎn)為RS232電平，需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。模塊采用 SMT （surface mounted technology）焊盤，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動(dòng)化集成，尤其適用于低沉本、低功耗領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，天線信號(hào)連至模塊GNSS＿ANT引腳，采用非2.85V有源天線，需要為天線供電。UM220模塊包括3個(gè)可配置的UART，3個(gè)串口波特率均可由用戶自行配置，最高可設(shè)為230400bps。串行外設(shè)接口SPI是一個(gè)高速同步串行輸入／輸出端口，它允許一個(gè)具有可編程長度的串行位流，以可編程的位傳送速率從設(shè)備移入或移出。硬件設(shè)計(jì)時(shí)將UM220的SPI的SS端接PB0腳，實(shí)現(xiàn)主機(jī)片選從機(jī)，SPI＿CLK時(shí)鐘端口與PA5引腳相接，SPI＿M(jìn)OSI主機(jī)出從機(jī)進(jìn)出數(shù)據(jù)端口接PA7引腳，SPI＿M(jìn)ISO主機(jī)進(jìn)從機(jī)從數(shù)據(jù)線接PA6引腳。

2.3 射頻模塊

CC1101［7－9］是Chipcon公司最新的高性能無線通信芯片，其電路主要設(shè)定為在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM和短距離設(shè)備頻率波段。CCl101在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達(dá)到＋10dBm，且接收靈敏度可達(dá)－110dBm，抗干擾能力強(qiáng)，功耗較低。CC1101具有一個(gè)SPI接口，ARM可十分便捷地對(duì)其的主要工作參數(shù)以及傳輸／接收FIFO進(jìn)行控制，大大降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)時(shí)間。

在無需外加功放電路的情況下，可使其通訊距離達(dá)到200m以上?？刂坪诵牡腜B9腳與CC1101的GDO2腳連接，當(dāng)信道中有數(shù)據(jù)時(shí)，GDO2腳電平跳變，控制核心產(chǎn)生中斷并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，無線收發(fā)電路如圖3所示。

圖3 CC1101電路連接

2.4 監(jiān)測(cè)模塊

人員落水遇險(xiǎn)，遇險(xiǎn)自動(dòng)檢測(cè)模塊結(jié)露傳感器被觸發(fā)，此部分采用的是結(jié)露傳感器HDS10，HDS10是正特性開關(guān)型元件，對(duì)低濕不敏感，僅對(duì)高濕敏感，可在直流電壓下工作。利用LM393集電極開路輸出電壓比較器，輸出的開關(guān)量可接到控制核心PC5引腳。HDS10電路連接，如圖4所示。

圖4 HDS10電路連接

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的組成部分。設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合硬件部分和所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行軟件開發(fā)。報(bào)警終端主程序主要由C語言來實(shí)現(xiàn)，用戶遇險(xiǎn)手動(dòng)按鍵報(bào)警或者結(jié)露傳感器觸發(fā)報(bào)警，電源為模塊供電，北斗定位模塊進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開始定位，由控制核心檢查北斗定位狀態(tài)，如北斗定位無效，則選擇控制核心內(nèi)所存儲(chǔ)的定位信息，如北斗定位有效，選擇當(dāng)前定位信息，把需要的信息提取出來，由控制核心啟動(dòng)射頻模塊CC1101發(fā)射程序，然后數(shù)據(jù)打包經(jīng)無線射頻模塊傳送至搜救船舶，數(shù)據(jù)發(fā)射完畢，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下次發(fā)送時(shí)間到達(dá)。手持終端軟件工作流程如圖5所示。

3.1 定位解算

圖5 手持終端軟件工作流程

利用北斗UM220芯片接收BD2的B1頻點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航定位解算，輸出原始觀測(cè)量，利用 ADS（ARM developer suite）對(duì)ARM進(jìn)行調(diào)試，解算后得出用戶經(jīng)緯度、當(dāng)前時(shí)間等重要信息。北斗定位算法采用基于偽距定位的最小二乘算法原理，通過空間衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量從而計(jì)算出用戶位置。參照地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星位置進(jìn)行修正，同時(shí)更新坐標(biāo)系，并根據(jù)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，生成每一顆衛(wèi)星距離和觀測(cè)量的比值的矩陣，更新位置估計(jì)值，完成迭代運(yùn)算，最后計(jì)算DOP （dilution of precision），DOP值是基于當(dāng)前衛(wèi)星幾何分布計(jì)算出來，指示定位解算準(zhǔn)確度的值，精度因子的值越小，則定位解算的準(zhǔn)確度越高，其中包括PDOP （position dilution of precision）位 置 精 度 因 子［10］、HDOP （horizontal dilution of precision）水 平 精 度 因 子 及VDOP （vertical dilution of precision）垂直精度因子。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

通過射頻模塊CC1101實(shí)現(xiàn)將遇險(xiǎn)信息發(fā)射出去，通過SPI接口對(duì)CC1101進(jìn)行初始化，發(fā)射時(shí)，將CCC1101設(shè)置在待機(jī)狀態(tài)和SPI編程狀態(tài)，然后對(duì)其進(jìn)行射頻寄存器的初始化設(shè)置。當(dāng)ARM有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，按SPI接口時(shí)序，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入CC1101，再初始化發(fā)射端的地址，計(jì)算數(shù)據(jù)大小，進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，字節(jié)數(shù)小于256則設(shè)置固定長度模式和PKTLEN，填充TX FIFO并使能發(fā)射終端選通發(fā)射狀態(tài)，若完全發(fā)射，則停止中斷服務(wù)，沒有完全發(fā)射則進(jìn)入低功耗模式，開啟TX FIFO閾值終端，填充TX FIFO，所有字節(jié)全部寫完則完全發(fā)送，發(fā)送完成后，CC1101回到待機(jī)狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 終端定位結(jié)果

如有人員遇險(xiǎn)，搜救終端接收到遇險(xiǎn)信號(hào)，其中包含了人員遇險(xiǎn)位置信號(hào)，需要對(duì)北斗衛(wèi)星消息進(jìn)行解析。MYMBDGLL包括地理位置經(jīng)度／緯度信息，而通過MYMBDGGA既可查看到參與定位的北斗衛(wèi)星顆數(shù)，又可查看精度緯度等信息。以 “MYMBDGLL，2953.2891，N，11053.5229，E，010941.000，V，N＊5C”消息為例，可知 遇 險(xiǎn) 人 員，地 理 位 置 為 “北 緯29.532891°東 經(jīng)110.535229°”，UTC （universal time coordinated）時(shí)間為1時(shí)9分41秒，如要換算成北京時(shí)間需加8小時(shí)，解析后的結(jié)果顯示如圖6所示。

圖6 手持終端定位結(jié)果

4.2 報(bào)警終端性能

本文在浙江舟山地區(qū)海域進(jìn)行測(cè)試，使用2艘漁船進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，在A船將手持終端固定于測(cè)試工作人員身上，在A船和B船的中部位置都安裝接收終端，A船和B船都以低速行駛，之間保持200米左右的距離，先測(cè)試手持終端在A船上手動(dòng)按鍵發(fā)射信號(hào)，再測(cè)試工作人員落水后水中觸發(fā)信號(hào)，A船和B船都能接收到報(bào)警信號(hào)，提醒船員有人落水遇險(xiǎn)，傳輸正確率達(dá)99%，傳輸距離超過200米，通信穩(wěn)定。

通過測(cè)試可得手持終端工作電壓是3.0～3.6V，可工作于－30℃～＋55℃，具有手動(dòng)按鍵和自動(dòng)觸發(fā)兩種開啟方式，射頻信號(hào)收發(fā)頻段是433.92／434.33MHz，覆蓋范圍200～400米，GNSS性能方面可以支持BD2B1和GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，首次定位時(shí)間冷啟動(dòng)下是35s，熱啟動(dòng)則是1s，重捕獲小于1s，定位精度小于5米，導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式是NMEA0183。

該終端體積小巧，重量輕便，適合海上作業(yè)人員攜帶；具有一定的防水性能，同時(shí)采用入水觸發(fā)和手動(dòng)按鍵實(shí)現(xiàn)工作；射頻段信號(hào)能夠?qū)σ宰鳂I(yè)船只為中心的小范圍覆蓋，北斗芯片定位精度高，信號(hào)傳輸速度快，能夠迅速發(fā)送落水者信息，提高了求救信息發(fā)送的時(shí)效性。

5 結(jié)束語

利用我國自行研發(fā)的北斗定位模塊和無線射頻模塊，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的海上落水人員遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位、無線射頻傳輸、傳感器檢測(cè)等技術(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了手持終端和搜救終端。當(dāng)海上作業(yè)人員落水遇險(xiǎn)時(shí)，利用手持終端能夠及時(shí)通知搜救人員，搜救人員利用搜救終端的可靠信息進(jìn)行及時(shí)有效的救援。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、操作方便、定位準(zhǔn)確，能夠確保小范圍的海上作業(yè)人員的安全作業(yè)，降低海上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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