一種基于BDS的個人救生終端設(shè)計與實現(xiàn)

朱徐華，孟祥飛

（中國兵器裝備集團上海電控研究所，上海 200092）

1 引言

我國是漁業(yè)大國，海洋漁業(yè)水域面積300多萬平方千米，漁業(yè)船舶28.14萬多艘，從事漁業(yè)生產(chǎn)的漁民有1000多萬人。海洋漁業(yè)特點決定了海洋漁業(yè)生產(chǎn)是高風(fēng)險、高危事故高發(fā)的行業(yè)。目前，大部分海員出于海面無信號覆蓋、個人衛(wèi)星通信費用昂貴、無法自由使用船載公用衛(wèi)星通信設(shè)備等原因，缺乏合適的通信渠道與家人和朋友保持聯(lián)系，可以說，通信是絕大多數(shù)航海及相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員都面臨的重要難題之一。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行建立、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有定位、雙向短報文通信和授時等功能。目前，北斗短報文通信功能在保障通信和應(yīng)急通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。北斗系統(tǒng)的信號范圍已覆蓋整個亞太地區(qū)，根據(jù)國家北斗系統(tǒng)建設(shè)戰(zhàn)略，2020年北斗系統(tǒng)信號將覆蓋全球，具備全球短報文能力。

從現(xiàn)有文獻上看，文獻[1]采用了北斗二代定位及無線通信相結(jié)合的方式，設(shè)計了一種落水人員報警終端，但是無線通信距離受限；文獻[2]采用了北斗短報文功能實現(xiàn)了落水終端的設(shè)計，由于完全采用北斗一代定位與通信，定位精度不高，在終端低功耗設(shè)計方面也沒有涉及。

為有效地保障漁民生命財產(chǎn)安全和漁民的利救生終端主要由外殼、天線、主控板、電池、落水檢測線等組成，其中，主控板包括LNA單元、RDSS射頻收/發(fā)單元、RDSS基帶處理單元、RNSS定位單元、MCU控制單元、電源管理單元等，如圖1所示。天線和主控板組成主要定位功能的定位系統(tǒng)，將作業(yè)人員的定位數(shù)據(jù)反饋給救援中心。同時主控板和落水檢測線組成落水報警系統(tǒng)，一旦作業(yè)人員掉入水中，終端會被啟動并進入SOS位置上報求救模式。終端啟動后在120秒內(nèi)將報警信息發(fā)送給救援中心。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 工作原理

救生終端在人員突遇險情時，可在人員落水后由落水檢測線觸點通過海水的導(dǎo)電作用啟動終端進入SOS工作模式或者人員手動按壓SOS鍵啟動SOS工作模式。當(dāng)救生終端進入SOS后進入自檢，同時進行RNSS本地位置定位，當(dāng)RNSS定位成功后，RDSS會將定位結(jié)果及人員信息指示燈相關(guān)信息發(fā)往救援中心，并按照預(yù)設(shè)的程序進行不間斷的位置和求救信息上報。

救援中心在收到求救信息后立即告警并協(xié)助指揮人員組織搜救和引導(dǎo)搜救力量。北斗海洋搜救引導(dǎo)站配置搜救直升機等搜救力量與搜救指揮站聯(lián)動，指揮人員可實時觀察被救人員和救援力量的位置，協(xié)調(diào)統(tǒng)一行動。救生終端應(yīng)用示意圖如圖2所示。

圖2 救生終端應(yīng)用示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 RDSS收發(fā)及RNSS接收天線設(shè)計

RNSS接收天線和RDSS收發(fā)天線選用超天通信科技有限公司的CT-B1SL-21天線，其尺寸為40*40*7（單位mm），天線結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該天線為無源天線，可實現(xiàn)北斗的B1、S信號的天線接收，L信號的天線發(fā)射，其采用介質(zhì)板天線，并疊放在一起，這種結(jié)構(gòu)可以減小天線占用的面積，集成度高。同時采用介質(zhì)板可以降低設(shè)備的重量，安裝方式采用打膠固定的方式，增強天線的安全性。饋點直接焊接到PCB板，減少了信號的損耗，提高了性能指標(biāo)。

圖3 天線結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控板設(shè)計

主控板采用功能單元化的設(shè)計方法。首先按照功能將模塊劃分成LNA單元、RDSS射頻收/發(fā)單元、RDSS基帶處理單元、RNSS定位單元、MCU控制單元、電源管理單元，加上嵌入式軟件及接口部分，共八個方面。其次，對關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)進行合理的分配，定義各單元的功能及指標(biāo)要求。依據(jù)分配到功能及技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計各模塊單元，以達到整機的設(shè)計要求。

功能單元化的設(shè)計方法有利于整機指標(biāo)的分配及設(shè)計工作的規(guī)劃。整機的布局更加合理，結(jié)構(gòu)上可以隔離各個功能單元，有利于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及電磁兼容性。功能化的設(shè)計能夠滿足整機的調(diào)測需求，對產(chǎn)品的維修性有很好的保障。

2.2.1 LNA單元

低噪聲放大器單元包括：RDSS的S頻點LNA及RNSS的B1、L1頻點LNA。

（1）如圖4所示，S頻點LNA采用兩級放大，三級濾波的方案。該方案可以有效的抑制帶外干擾噪聲如4G及Wi-Fi信號，噪聲系數(shù)小，線性度高。

圖4 RDSS低噪聲放大器框圖

（2）RNSS定位單元選用的是中科微電子ATGM336H-5N。由于該模塊中已包含一級低噪聲放大器，故本次方案中B1、L1頻點的低噪聲放大器采用一級濾波器+一級放大器，與RNSS模塊內(nèi)部的放大器共同構(gòu)成B1、L1頻點LNA，如圖5所示。

圖5 RNSS低噪聲放大器框圖

2.2.2 RDSS射頻收/發(fā)單元

RDSS射頻收/發(fā)單元采用江蘇星宇芯聯(lián)電子科技有限公司的專用RDSS射頻SG801芯片。該芯片采用40腳QFN封裝，尺寸為5mm*5mm*1mm。該芯片已經(jīng)在多款北斗RDSS通信模塊中應(yīng)用，成熟穩(wěn)定、可靠性高。其典型特征如下：

⊙ 兩次變頻接收機結(jié)構(gòu)。

⊙ 支持10MHz，16.32MHz晶振輸入。

⊙ GGC多中控制模式。

⊙ 模擬中頻和數(shù)字中頻兩種輸出方式。

⊙ 內(nèi)部集成LDO。

⊙ 低噪聲系數(shù)。

⊙ 高發(fā)射功率。

2.2.3 RDSS基帶處理單元

RDSS基帶處理單元采用成熟的芯片方案，選用772電子科技有限公司的BM3005，支持10個接收通道，1個發(fā)射通道，1PPS授時單元1個。該芯片功耗＜200mW，工作溫度-40℃～85℃，采用LQFP64封裝。芯片應(yīng)用簡單，可靠、安全，集成度高?？蓪崿F(xiàn)RDSS系統(tǒng)指標(biāo)：

⊙ 接收靈敏度：-157.6dBW（誤碼≤10-5）

⊙ 接收信息速率：16kb/s（I、Q支路個8kb/）

⊙ 接收通道數(shù)：10

⊙ 首次捕獲時間：≤2s

⊙ 失鎖重補時間：≤1s

⊙ 發(fā)射信號信息速率：8kb/s

2.2.4 RNSS定位單元

RNSS定位單元采用中科微電子ATGM336H-5N屏蔽罩模塊，該模塊具有高靈敏度、低功耗、體積小等優(yōu)勢。

該模塊產(chǎn)品基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片——AT6558。AT6558支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALILEO，日本的QZSS以及衛(wèi)星增強系統(tǒng)SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS）。AT6558是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導(dǎo)航單芯片，可以同時接收六個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時。該芯片已經(jīng)很多產(chǎn)品上得到應(yīng)用，方案成熟可靠。ATGM336H-5N主要性能參數(shù)見表1。

表1 ATGM336H-5N主要性能參數(shù)

2.2.5 MCU控制單元

MCU控制單元采用高性能的基于ARM? 32-bit Cortex?-M3 CPU（120 MHz max）的 STM32系列 STM32F205RC主控芯片，該芯片采用LQFP_64封裝，內(nèi)部集成256 Kbytes of Flash memory，同時支持6路異步UART口，48個可配置的GPIO，2組SPI接口，以及1路可配置的USB口，Industrial temperature range，–0 to 85°C，完成整機的功能控制。

STM32F205RC主控芯片采用外置8MHz高穩(wěn)晶振，通過內(nèi)部倍頻電路倍頻至72MHz作為內(nèi)部工作時鐘。

MCU外接大容量Flash存儲器，用于存儲接收的短報文，采集的經(jīng)緯度、時間等位置信息。在低功耗設(shè)計方面，對LDO供電電路、電量檢測電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、觸水傳感電路等方面均采用了低功耗設(shè)計思路。在非工作狀態(tài)下，將ARM單片機置于休眠狀態(tài)，并設(shè)計容錯程序，當(dāng)無意的按鍵操作（不達按鍵時長要求）喚醒單片機時，15s后進入休眠。經(jīng)驗證，進入休眠后待機電流小于10uA。在實際設(shè)計中，除了采用看門狗、定時復(fù)位等軟件方法防止系統(tǒng)異常，還設(shè)置了組合健實現(xiàn)硬件復(fù)位功能，防止在MCU故障時系統(tǒng)無法關(guān)機和重啟。

2.2.6 電源管理單元

該電路包括各模塊的供電及電池的充電管理等。救生終端中各部分電路均是3.3V系統(tǒng)（除RDSS發(fā)射電路），因此可以直接由電池電壓降壓來供電，系統(tǒng)中每個功能模塊均獨立采用一個LDO來進行供電，消除相互間的電源干擾。

RDSS發(fā)射功放采用超級電容進行供電。通過升壓DCDC升壓至5V，通過設(shè)置其輸出電流以恒流的方式給超級電容充電。待超容充滿電后供每次PA發(fā)射時使用，使用完畢后由升壓芯片對其消耗的能量進行補充。從而降低整機在發(fā)射時大電流對整機其它供電系統(tǒng)的影響。其設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 電源管理單元設(shè)計框圖

2.3 外殼設(shè)計

2.3.1 防水設(shè)計

救生終端的結(jié)構(gòu)采取浸入密封式設(shè)計，當(dāng)上下盒體合并時，對接縫處進行超聲波焊接，從而起到防浸入密封的效果，開孔處貼上防水透氣膜，用來平衡內(nèi)外壓強，這樣形成了完整的密封圈，提升了產(chǎn)品的密封效果。

殼體上的導(dǎo)光柱、按鈕及落水檢測線同樣設(shè)計了密封結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)光柱和按鍵采用工藝方式直接固定在殼體上，通過工藝固定和防水膠涂覆的措施起到防浸入的密封效果。落水檢測線采取O型圈密封方式，同樣可以起到防浸入的密封效果。

2.3.2 防腐蝕設(shè)計

為了滿足救生終端在含鹽量較高的環(huán)境中使用的要求，產(chǎn)品外殼采用了工程塑料ABS，最大程度的滿足防鹽霧侵蝕的要求，同時對接觸外界的落水檢測線采用鈹鋅銅材質(zhì)并在表面采取了鍍金工藝，提升了金屬零件在鹽霧環(huán)境中的抗腐蝕能力。

3 軟件設(shè)計

救生終端的嵌入式軟件承擔(dān)著整機信息處理和信息交互的任務(wù)，除具備開機系統(tǒng)自檢及整機工作狀態(tài)巡檢功能外，還承擔(dān)著數(shù)據(jù)融合及協(xié)議輸出等功能。該軟件是基于STM32F205芯片開發(fā)，在設(shè)計上采用狀態(tài)機模式和消息響應(yīng)機制。各子任務(wù)合理靈活的通過狀態(tài)機機制調(diào)度各功能模塊完成相應(yīng)的處理，各消息響應(yīng)模塊通過協(xié)議解析層中的消息完成相應(yīng)的工作，并通過發(fā)送消息調(diào)動其他模塊完成協(xié)調(diào)工作，這樣就使各功能模塊間保持相對的獨立，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1 軟件功能組成

救生終端軟件由系統(tǒng)硬件初始化、按鍵初始化、定時器初始化、電池模塊初始化、RDSS模塊、RNSS模塊、USER模塊、LED指示燈顯示功能模塊、系統(tǒng)自檢處理、系統(tǒng)SOS模式、綜合信息處理功能集合組成，見圖7所示。軟件功能模塊說明見表2。

圖7 軟件功能組成框圖

表2 功能模塊說明

3.2 主要功能流程設(shè)計

圖8 SOS位置報告流程示意圖

系統(tǒng)啟動后，首先進行系統(tǒng)初始化操作以及各子設(shè)備初始化操作，開啟系統(tǒng)調(diào)度，各子任務(wù)按照實時異步的處理各自的業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)救生終端的相關(guān)功能。

3.2.1 SOS位置報告功能

通過落水檢測線或者人工按鍵觸發(fā)終端從休眠狀態(tài)喚醒，進行RNSS定位并通過RDSS通信向救援中心不斷發(fā)送報警信息。周期性的位置上報，用于向救援中心回報終端當(dāng)前位置信息。詳細流程圖如圖8所示。

3.2.2 低功耗功能

當(dāng)RDSS數(shù)據(jù)發(fā)送完后，關(guān)閉系統(tǒng)資源，以達到省電的目的。當(dāng)睡眠喚醒后，退出低功耗模式，調(diào)用系統(tǒng)各種資源。如圖9所示。

圖9 低功耗功能流程示意圖

3.2.3 綜合信息處理功能

綜合信息處理模塊，先判斷自檢按鍵是否有效，自檢按鍵是否按下，SOS按鍵是否按下，啟動電池AD采樣，啟動超容，RDSS/RNSS模組初始化，通信使能，LED狀態(tài)指示，電池電量檢測。見圖10所示。

圖10 綜合信息處理功能流程示意圖

4 試驗測試結(jié)果

基于以上設(shè)計，救生終端實現(xiàn)了北斗定位、落水SOS自動位置上報求救、人工SOS自動位置上報求救、設(shè)備自檢等功能。圖11為救生終端外形圖，圖12為救生終端實物圖，圖13為救生衣佩戴示意圖。

試驗分為定位精度測試和報警成功率測試。

4.1 定位精度測試

在外場環(huán)境下對天測試，將兩臺被測終端放置于室外可良好接收衛(wèi)星信號的已知坐標(biāo)基準(zhǔn)點處，開啟人工報警功能，并統(tǒng)計2小時內(nèi)監(jiān)控平臺接收到的經(jīng)緯度信息。對水平誤差進行統(tǒng)計分析，計算救生終端定位誤差。經(jīng)試驗驗證，兩臺終端的定位誤差分別為5.8米和6.2米，滿足系統(tǒng)指標(biāo)≤10米的要求。

4.2 報警成功率測試

在外場環(huán)境下將救生終端裝在救生衣內(nèi)，一起扔到空曠海域，模擬落水的真實場景，選擇2臺救生終端進行72小時海上報警試驗，統(tǒng)計72小時內(nèi)救援中心監(jiān)控平臺收到報警信息成功率。試驗結(jié)果，兩臺終端的報警成功率分別為95%和96%，滿足系統(tǒng)指標(biāo)≥95%的要求。圖14為救援中心監(jiān)控平臺SOS報警與軌跡界面示意圖。

圖11 救生終端外形圖

圖12 救生終端實物圖

圖13 救生衣佩戴示意圖

圖14 救援中心監(jiān)控平臺SOS報警位置與軌跡界面示意圖

5 結(jié)束語

基于北斗的個人海上救生終端，結(jié)合了北斗RDSS通信與RNSS定位優(yōu)勢，采用了基于STM32芯片的低功耗設(shè)計，集成度高，便于攜帶，是一款在緊急情況下進行SOS求救的北斗救生設(shè)備。該設(shè)備可用于各類水上作業(yè)場所，能夠顯著提高應(yīng)急救援的響應(yīng)速度和搜救效率。