一種合作式海上目標(biāo)航跡記錄和位置監(jiān)控系統(tǒng)

胡生亮 劉 忠 付學(xué)志 李朝旭

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院1，湖北 武漢 430033;91635部隊(duì)2，北京 102249)

0 引言

在海上演練戰(zhàn)場環(huán)境下，常常需要實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控戰(zhàn)場范圍內(nèi)多個(gè)合作目標(biāo)的位置信息。就目標(biāo)航跡記錄而言，可參考車輛行駛記錄儀［1-4］或車輛行駛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)［5-9］。但能夠適應(yīng)海上環(huán)境，并兼具航跡記錄和位置監(jiān)控功能的集成系統(tǒng)并不多見。

若以車輛行駛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中常見的GPRS+GPS方式構(gòu)建，需要覆蓋GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，這不僅不利于信息安全，且受GSM通信基站覆蓋范圍約束。北斗系統(tǒng)的短消息通信功能可實(shí)現(xiàn)位置監(jiān)控，但現(xiàn)階段某些海域尚無衛(wèi)星覆蓋，且通信帶寬有限、終端體積較大、成本高，限制了大規(guī)模的應(yīng)用［10］。盡管文獻(xiàn)［11］提出以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為手段的車輛監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)海上目標(biāo)位置監(jiān)控提供了參考，但該方式信號(hào)傳輸距離有限，需采用多跳中繼通信方式，系統(tǒng)復(fù)雜且不穩(wěn)定［11］。

鑒于此，本文采用數(shù)傳電臺(tái)+GPS模塊方式，設(shè)計(jì)了航跡記錄和位置實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有記錄時(shí)間長、信息多備份存儲(chǔ)、使用方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，已多次應(yīng)用于海上無人戰(zhàn)場演練。

1 需求分析和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對(duì)于海上無人對(duì)抗演練而言，對(duì)抗雙方的航跡記錄信息是評(píng)價(jià)對(duì)抗效果和作戰(zhàn)效能的基本依據(jù)。航跡信息可以只存儲(chǔ)在本地作戰(zhàn)單元內(nèi)，待演練結(jié)束后再回收作戰(zhàn)單元并下載航跡信息。

但以上做法一方面無法實(shí)現(xiàn)演練導(dǎo)演組對(duì)合作式對(duì)抗過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控;另一方面，由于復(fù)雜的海上環(huán)境和對(duì)抗過程中的戰(zhàn)場損耗，并不能保證每一個(gè)作戰(zhàn)單元都能被正?；厥眨瑖?yán)重影響了對(duì)作戰(zhàn)單元的效果評(píng)估和作戰(zhàn)效能分析。

綜合上述分析，本文實(shí)現(xiàn)了一種包含F(xiàn)lash實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和USB格式化轉(zhuǎn)存功能的本地航跡記錄器，并借助于作戰(zhàn)海域上空迂回飛行的檢靶飛機(jī)平臺(tái)或演練海域附近的岸基制高點(diǎn)，利用無線通信技術(shù)，完成了對(duì)合作式對(duì)抗目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控。該系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡信息的另一種遠(yuǎn)程備份獲取手段。系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system composition

合作式海上目標(biāo)航跡記錄和位置監(jiān)控系統(tǒng)由若干本地端航跡記錄器和目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)組成。其中，航跡記錄器被安裝在需要定位服務(wù)的本地作戰(zhàn)單元上，為作戰(zhàn)演練提供單元級(jí)的GPS定位和航跡記錄服務(wù)，在本應(yīng)用中視為下位機(jī);目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)部署于遠(yuǎn)程檢靶飛機(jī)平臺(tái)或岸基制高點(diǎn)，視為上位機(jī)。兩者由短波或超短波無線信道建立通信連接。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:采用硬件復(fù)用技術(shù)，上下位機(jī)基于同一個(gè)MSP430單片機(jī)硬件平臺(tái)，且每套上下位機(jī)均帶有一臺(tái)無線數(shù)傳電臺(tái)(UART串行通信接口)和兩種存儲(chǔ)模塊(Flash、USB)。在實(shí)際演練中，航跡記錄器自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄作戰(zhàn)單元的位置信息和狀態(tài)信息，一旦上下位機(jī)之間建立無線通信，則自動(dòng)完成作戰(zhàn)單元的位置信息采集上報(bào)。該記錄器應(yīng)用廣泛、使用靈活，具有較高的可靠性。它一方面實(shí)現(xiàn)了演練戰(zhàn)場態(tài)勢遠(yuǎn)程監(jiān)控，另一方面也完成了演練態(tài)勢信息的多備份和多方式獲取。

2 本地端航跡記錄器

航跡記錄器以MSP430低功耗單片機(jī)為核心，并配置了串行通信接口(2個(gè)，記為UART0和UART1)、8 bit標(biāo)示編碼開關(guān)、I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘、USB存儲(chǔ)、Flash存儲(chǔ)、電源監(jiān)控管理等外設(shè)模塊。其中，編碼開關(guān)為作戰(zhàn)單元提供了8 bit的身份標(biāo)示;I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于為航跡記錄器的通信日志建立時(shí)間戳;UART0與GPS模塊進(jìn)行通信，在本地端實(shí)現(xiàn)GPS定位數(shù)據(jù)的解包、壓縮編碼和多備份存儲(chǔ)等功能;UART1與無線數(shù)傳電臺(tái)通信，將本地航跡信息上傳到遠(yuǎn)程目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

除了完成航跡信息的無線上傳，航跡記錄器的核心功能是為本地作戰(zhàn)單元提供可靠、多元化的航跡記錄服務(wù)，包括Flash實(shí)時(shí)快速存儲(chǔ)和USB低速轉(zhuǎn)存兩種模式。

2.1 Flash實(shí)時(shí)快速存儲(chǔ)模式

MSP430單片機(jī)與Flash存儲(chǔ)器M25P64之間的接口電路原理如圖2所示。

圖2 接口電路原理圖Fig.2 Principle of interface circuit

本系統(tǒng)中的GPS定位模塊選用GERMIN公司的GPS15L模塊。該模塊的最短定位更新周期能夠達(dá)到1 s，即航跡記錄存儲(chǔ)器的最短操作周期為1 s。在需要頻繁讀寫操作的航跡記錄系統(tǒng)中，選用低功耗、大容量、高速Flash存儲(chǔ)器M25P64作為存儲(chǔ)載體。

M25P64的存儲(chǔ)空間為64 Mbit，由32768個(gè)頁面組成，每個(gè)頁面為256 B。芯片支持頁編程(256 B)，支持扇區(qū)擦除(512 kbit)和塊擦除(64 Mbit);最高時(shí)鐘頻率為50 MHz，可循環(huán)使用10萬次;15 mA典型編程/擦除電流、4 mA典型讀電流(20 mHz時(shí)鐘頻率)、50 μA典型Standby電流［12］。由于MSP430單片機(jī)片上集成SPI控制器，它的I/O口P3.3作為時(shí)鐘輸出連接到M25P64的時(shí)鐘輸入，P3.1復(fù)用為 SIMO(主控制器輸出)連接到M25P64的輸入端，P3.2作為SOMI(主控制器輸入)連接到M25P64的數(shù)據(jù)輸出，然后使用其他I/O口控制M25P64的片選和通信狀態(tài)。將多片M25P64復(fù)用串行總線，能夠擴(kuò)展更大容量的存儲(chǔ)空間。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用1片單片機(jī)控制3片M25P64，使總?cè)萘繑U(kuò)展到了192 Mbit。

GPS15L模塊的輸入輸出語句以NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)。本文使用協(xié)議中的MYMPGRMO語句將GPS15L配置為只輸出GPS推薦定位信息(語句為MYMGPRMC)，輸出周期為1 s。單條MYMGPRMC語句包含的數(shù)據(jù)幀長度為72 B，若直接將原始定位數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)刷新周期=1 s時(shí)，3片 M25P64級(jí)聯(lián)下的最大航跡記錄時(shí)長為:

分析NMEA0183協(xié)議中的MYMGPRMC語句可知:定位數(shù)據(jù)幀中的有用數(shù)據(jù)只有UTC時(shí)間、精度和緯度等23 B，且均為數(shù)字0～9的ASCII碼格式，即0x30H～0x39H。本文由航跡記錄器中的MSP430單片機(jī)實(shí)時(shí)完成GPS數(shù)據(jù)解包，限定北緯和東經(jīng)定位范圍，并編碼壓縮為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。壓縮前后數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 壓縮前后的GPS數(shù)據(jù)幀對(duì)比Fig.3 Comparison of the GPS data frames before and after compression

2.2 USB低速轉(zhuǎn)存模式

對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的Flash快速存儲(chǔ)方式，可在航跡記錄器中引入低速USB存儲(chǔ)。這樣做的主要目的是為了以直觀的方式導(dǎo)出航跡數(shù)據(jù)，以在回收作戰(zhàn)單元后供演練效果分析和復(fù)原戰(zhàn)場態(tài)勢時(shí)使用。導(dǎo)出數(shù)據(jù)以TXT文本方式存儲(chǔ)在外置優(yōu)盤中，符合FAT文件系統(tǒng)格式。

在本應(yīng)用中，航跡記錄器中的MSP430單片機(jī)為主機(jī)，U盤中的USB接口芯片為從機(jī)。因此，本文選擇支持USB主機(jī)方式的接口芯片CH375作為航跡記錄器的USB存儲(chǔ)接口。

MSP430單片機(jī)可以通過CH375按照相應(yīng)的USB協(xié)議與U盤通信。CH375還內(nèi)置了處理Mass-storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，MSP430可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫U盤，或通過U盤FAT文件級(jí)子程序庫實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀寫USB存儲(chǔ)設(shè)備中的文件。

MSP430單片機(jī)與CH375的連接示意圖如圖4所示。

圖4 MSP430與CH375連接示意圖Fig.4 Connections of MSP430 and CH375

工作于USB主機(jī)方式下的CH375在本地端被配置為使用并行接口方式與MSP430通信。并口信號(hào)線包括:8位雙向數(shù)據(jù)總線 D7～D0、讀選通輸入引腳RD、寫選通輸入引腳 WR、片選輸入引腳CS、中斷輸出引腳INT以及地址輸入引腳A0。其中，INT輸出的中斷請(qǐng)求是低電平有效，連接到MSP430的中斷輸入引腳，單片機(jī)使用中斷方式獲知中斷請(qǐng)求。CH375占用兩個(gè)地址位:當(dāng)A0引腳為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，可以讀寫數(shù)據(jù);當(dāng)A0引腳為高電平時(shí)選擇命令端口，可以寫入新的命令，或者讀出中斷標(biāo)志。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)而言，命令字的控制方式大大簡化了MSP430控制下的U盤數(shù)據(jù)讀寫。

3 目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)

為節(jié)約開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，遠(yuǎn)程目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)采用相同的MSP430單片機(jī)小系統(tǒng)。

航跡記錄器的硬件復(fù)用要點(diǎn)具體如下。

①擴(kuò)充了LCD顯示模塊，用以動(dòng)態(tài)監(jiān)控各作戰(zhàn)單元的GPS位置。

②將航跡記錄器中原用于ID標(biāo)示的8 bit編碼開關(guān)配置為功能控制開關(guān)，并借助單片機(jī)軟件配合實(shí)現(xiàn)GPS存儲(chǔ)信息緊急上傳等特殊功能。

③在目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中配置其他無線中繼通信設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)態(tài)勢信息向后方指揮所輸送;也可以配置為便攜式PC，通過與中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)態(tài)勢的圖形化顯示。

④監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)能夠向無線信道覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)作戰(zhàn)單元提供GPS位置遠(yuǎn)程查詢、備份存儲(chǔ)服務(wù)。Flash存儲(chǔ)和USB接口都在監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)中予以保留，所實(shí)現(xiàn)的功能也與航跡記錄器類似。

在單片機(jī)嵌入式軟件設(shè)計(jì)方面，目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)采用上位機(jī)輪詢下位機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)控，并在輪詢的同時(shí)完成Flash和USB兩種存儲(chǔ)功能。

目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)流程如圖5所示。

圖5 目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5 Flowchart of the center nodes for target position monitoring/forwarding

4 結(jié)束語

以信息化無人演練戰(zhàn)場中的位置信息獲取為需求，本文采用同一套MSP430單片機(jī)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了合作目標(biāo)的航跡記錄和位置監(jiān)控功能。在本文所述系統(tǒng)應(yīng)用中，可以不對(duì)航跡記錄器(下位機(jī))加裝無線通信模塊，但僅能在本地端獲得GPS數(shù)據(jù)。當(dāng)加裝無線通信模塊后，在目標(biāo)位置監(jiān)控/轉(zhuǎn)發(fā)中心節(jié)點(diǎn)(上位機(jī))的配合下，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)控;另一方面在作戰(zhàn)單元被摧毀或無法回收的情況下，上位機(jī)遠(yuǎn)程獲得的航跡記錄數(shù)據(jù)也成為了演練效果評(píng)估的另一種備份數(shù)據(jù)源，使用靈活、可靠性高。

［1］孫耀杰，趙忠祥.基于GPS和GPRS的多功能汽車記錄儀的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(9):121-125.

［2］余振華，張其善，常青.新型車輛行駛記錄儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2008，38(8):43-46.

［3］馬騰，楊宏業(yè).基于GPS/GPRS的車載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2009，32(4):71-74.

［4］羅功坤，潘紹明，陳政強(qiáng)，等.基于ARM的GPS定位信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2009，32(9):114-117.

［5］曾潔，朱曉娜.基于GPS技術(shù)的公交車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］大連交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31(4):5-8.

［6］張杰，胡世安，龍子夜，等.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及其應(yīng)用探討［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23(S1):154-157.

［7］李立志，周明建，于忠臣.基于GPRS＆GPS的防盜追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.國外電子測量技術(shù)，2011，30(5):59-62.

［8］霍紅星，毛建國，何小明，等.基于3G和行駛記錄儀的車輛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2008，10(11):33-35.

［9］鄭佳春.GPS在海上航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.航海技術(shù)，2007(5):38-40.

［10］楊軍，曹沖.我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求及效益分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2004，29(9):775-778.

［11］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［12］李明磊，潘文亮.基于SPI接口和FIFO緩沖器的大容量高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案［J］.海洋技術(shù)，2010，29(2):30-32.

［13］肖堅(jiān)亮，陳立定.面向智能建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2007.

［14］班建民，陸衛(wèi)忠，付保川，等.嵌入式數(shù)據(jù)庫在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，31(8):219-222.