基于北斗海事衛(wèi)星船載終端的設(shè)計與應(yīng)用

□ 文 丁 祥

一、引言

之前國內(nèi)漁船基本裝備基于GSM/CDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)或者電臺開發(fā)設(shè)計的船載終端，實(shí)現(xiàn)船舶定位導(dǎo)航、語音通信和數(shù)據(jù)傳輸功能，但在遠(yuǎn)海公網(wǎng)無覆蓋區(qū)域，應(yīng)用受到限制，無法滿足遠(yuǎn)洋作業(yè)通信需求。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從2000年北斗一號提供區(qū)域性有源導(dǎo)航功能開始，分階段建設(shè)北斗二號、北斗三號，2020年實(shí)現(xiàn)了全球衛(wèi)星導(dǎo)航功能。

Inmarsat系統(tǒng)是利用衛(wèi)星作為中繼站的海事衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，它具有全時、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。而我國于2016年8月發(fā)射“天通一號01”衛(wèi)星，建設(shè)自主地球同步軌道衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，當(dāng)前也已投入試商用。

這樣的背景下，開發(fā)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與Inmarsat移動衛(wèi)星通信融合船載終端與應(yīng)用系統(tǒng)，在公網(wǎng)無覆蓋區(qū)域建立船與船、船與岸有效的信息交互，實(shí)現(xiàn)語音通信、數(shù)據(jù)通信、電子圍欄、一鍵報警等功能，規(guī)避敏感水域作業(yè)、漁船越界捕撈，提升了漁業(yè)漁政管理以及防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急救援、指揮調(diào)度等領(lǐng)域精細(xì)化和智能化水平。同時滿足漁民作業(yè)時對遠(yuǎn)洋通信的基本需求。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

面向海洋漁業(yè)監(jiān)管部門、授權(quán)行業(yè)和公眾用戶，構(gòu)建起覆蓋沿海以及遠(yuǎn)海作業(yè)區(qū)域，支持高可靠、大容量和高并發(fā)，天地一體化綜合信息服務(wù)系統(tǒng)。通過北斗海事雙模終端、衛(wèi)星系統(tǒng)、北斗運(yùn)營中心、移動基站、公共服務(wù)平臺，為漁業(yè)主管部門和海上作業(yè)漁船建立一種有效的溝通與信息交互機(jī)制，為應(yīng)急指揮決策提供支撐。原理如圖1所示。

在后臺岸基指揮中心搭建船聯(lián)網(wǎng)位置公共服務(wù)平臺，北斗海事雙模船載終端采集漁船在航行過程中的數(shù)據(jù)信息，通過北斗短報文系統(tǒng)傳送到公共服務(wù)平臺，平臺根據(jù)業(yè)務(wù)需要自動生成圖形與數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計、比較、分析、響應(yīng)、列表等處理，提供移動目標(biāo)船舶定位、監(jiān)控、監(jiān)聽、調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、軌跡回放、聯(lián)網(wǎng)報警求助及信息發(fā)布等服務(wù)，同時通過桌面用戶工作站、手持移動端、web等方式實(shí)現(xiàn)信息交互。

在前端漁船部署北斗海事雙模船載終端，融合北斗導(dǎo)航、GIS、AIS、移動衛(wèi)星通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航行環(huán)境全方位感知、監(jiān)控和綜合信息服務(wù)，保障漁船全天候安全暢通航行和生產(chǎn)作業(yè)安全，滿足漁民遠(yuǎn)洋基礎(chǔ)語音通信需求。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

三、終端總體設(shè)計

終端總體設(shè)計由海事單元、北斗通信單元和顯控單元三個部分組成，如圖2所示。

顯控單元通過電纜分別連接海事單元、北斗通信單元、主供電源，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、海圖展示、一鍵報警、語音通話功能；北斗通信單元主要由天線、射頻模塊、主板組成，通過北斗/GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位、短報文通信功能；海事單元主要由MSS通信模塊、數(shù)據(jù)處理、天線組成，通過海事移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船船、船岸、網(wǎng)內(nèi)與公網(wǎng)之間語音通信，為用戶提供全球覆蓋的語音通信。

圖2 終端總體設(shè)計及原型圖

（一）總體設(shè)計思路

1、ARM系統(tǒng)平臺的選型，主要基于嵌入式海圖引擎、海圖加載、處理速度、存儲空間、接口等滿足設(shè)計需求，經(jīng)充分驗(yàn)證、綜合評估后選用Cortex-A8處理器800MHz、512MB內(nèi)存、8GB存儲，該系統(tǒng)平臺具備網(wǎng)絡(luò)、鍵盤掃描、多路UART、顯示觸控等功能。

2、考慮系統(tǒng)和船載使用環(huán)境復(fù)雜度，電磁兼容設(shè)計猶為關(guān)鍵，具體如下：

1）PCB模塊化設(shè)計

在器件EMI優(yōu)選基礎(chǔ)上，PCB按模塊化設(shè)計如圖3所示，數(shù)字電路、電源電路、語音電路單獨(dú)屏蔽引出信號再接入接口插座，防止信號間輻射干擾、疊加，同時增加濾波器件，優(yōu)化對同船設(shè)備頻點(diǎn)、北斗和GPS接收頻點(diǎn)、海事衛(wèi)星接收頻點(diǎn)的輻射干擾。

圖3 PCBA設(shè)計示意圖

2）多系統(tǒng)共存情況下射頻模塊前端設(shè)計

北斗海事雙模船載終端共5個頻點(diǎn)都集中在L頻段，且北斗短報文通信和海事衛(wèi)星通信發(fā)射信號功率較大，解決電磁兼容問題是終端達(dá)到實(shí)用化水平的關(guān)鍵。

射頻前端高頻信號采用鋁合金完全屏蔽，射頻模塊發(fā)射端L波段在帶外抑制B1/L1、S頻點(diǎn)達(dá)最大限度，接收端濾波器處理帶外抑制；同時北斗單元四頻天線設(shè)計重點(diǎn)考慮收發(fā)隔離度，避免射頻信號發(fā)射時造成接收信號失鎖或器件損壞。通過海事天線與北斗天線空間隔離，增加射頻前端的濾波器性能，以及BM3005信號基帶處理中動態(tài)同步跟蹤技術(shù)的采用，較好地解決了多系統(tǒng)共存的電磁兼容問題。

3）電纜輻射干擾優(yōu)化設(shè)計

選屏蔽線纜，對于高速率傳輸?shù)木€纜外層必須增加屏蔽，電源線纜增加共模磁環(huán)，減少低頻信號輻射。每艘漁船空間環(huán)境差異，艙內(nèi)和艙外設(shè)備安裝位置、連接電纜走線布置，需充分驗(yàn)證，并形成可操作性的綜合設(shè)計方案。

4）主要功能設(shè)計與性能要求

主要功能設(shè)計與性能要求如表1所示。

（二）詳細(xì)設(shè)計

1、顯控單元

顯控單元主要由主板、按鍵板、顯示屏和外部接口組成，如圖4所示。按鍵和顯示屏主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。主控板主要由ARM平臺、語音處理單元、電源模塊組成。

圖4 顯控單元框圖

1)電源模塊將輸入電源+12V～+36V轉(zhuǎn)換成所需電壓值，供電給各個單元或模塊：+56V、+12V、+5V和+3.3V，具體如圖5所示。

表1 功能性能要求

圖5 電源模塊原理框圖

2）ARM平臺選擇較成熟的 Cortex-A8處理器800MHz主頻以上、內(nèi)存512MB以上、存儲8GB以上），滿足網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、鍵盤掃描、4路以上UART以及顯示觸摸屏驅(qū)動。如圖6所示。

圖6 ARM平臺組成框圖

3）語音處理單元實(shí)現(xiàn)海事單元輸出電話信號與手柄送受話器之間的語音信號控制、處理，如圖7所示。采用AS2533轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)二線式模擬電話信號/四線式語音信號之間的轉(zhuǎn)換。

圖7 語音處理單元原理框圖

2、北斗通信單元

北斗通信單元由四頻天線、射頻模塊、主板等組成，主要接收RNSS信號并解析位置信息，通過北斗短報文功能實(shí)現(xiàn)終端與終端、終端與平臺之間的通信功能和位置上報功能。如圖8所示。

圖8 北斗通信單元原理框圖

基于高頻板材設(shè)計的北斗四頻天線，集成4個頻點(diǎn)：B1、L1、L、S，采用3層PCB疊加設(shè)計，具有高增益、寬波束、高隔離度，如圖9所示。

北斗S頻點(diǎn)信號經(jīng)天線接收，送LNA濾波、放大后，經(jīng)混頻、濾波、AGC控制輸出12.24MHz中頻信號，再經(jīng)基帶信號解調(diào)數(shù)據(jù)解析后UART口輸出?；鶐酒瑥腢ART口接收指令，按格式組包成基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、調(diào)制至L頻段，經(jīng)放大、濾波，經(jīng)天線輻射出去。B1/L1頻點(diǎn)經(jīng)天線接收，送LNA濾波、放大，再經(jīng)B1/L1接收模塊基帶處理、解析、UART口輸出。接收通道連續(xù)工作，發(fā)送通道為突發(fā)式工作。

因L發(fā)射功率較大，需要求濾波器的帶外抑制，以及濾波器和低噪聲放大器滿足最大輸入功率要求而不受損壞。

主板將+12V～+36V的輸入電源轉(zhuǎn)換成射頻模塊電源和串口電平轉(zhuǎn)換電路所需+12V、+5V、+3.3V電源，如圖10所示。+12V、+5V均采用TPS54系列電源芯片，+3.3V則采用TPS62203，可以滿足設(shè)計要求。

北斗射頻模塊采用雙路UART，一路用于RDSS通信收發(fā)，一路用于RNSS通信接收，另需將UART轉(zhuǎn)換成RS232，相應(yīng)采用MAX3232雙路串口電平轉(zhuǎn)換功能正好滿足需求。

3、海事單元

主要由海事天線、海事模塊、信息控制板組成，通過AT指令控制與顯控單元的信息交互，實(shí)現(xiàn)海事信號收發(fā)、話音功能，如圖11所示。

海事天線采用圓柱形螺旋設(shè)計，基于軸向模螺旋天線原理，以變升角低剖面螺旋改善圓極化性能，以微帶匹配段實(shí)現(xiàn)最優(yōu)阻抗匹配，用功分網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)組成四元陣列天線，再根據(jù)螺旋相移器原理，調(diào)節(jié)天線與探針旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)單元天線之間的相位差，達(dá)到微波定向輻射。彌補(bǔ)單元螺旋天線增益不足的缺陷。

4、軟件設(shè)計

基于嵌入式海圖引擎開發(fā)設(shè)計，功能如圖12所示。

圖9 射頻模塊原理框圖

圖10 主板原理框圖

圖11 海事單元原理框圖

圖12 顯控功能列表

5、接口設(shè)計

接口設(shè)計如表2所示。

表2 終端接口定義

6、結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)使用環(huán)境和特點(diǎn)，考慮可靠性、可維性、電磁兼容性等要求，采用成熟、通用原材料及“三防”加工工藝。

顯控單元為室內(nèi)單元采用為ABS材質(zhì)，面殼和底殼之間采用硅膠密封圈，防護(hù)等級滿足IP54以上。

北斗通信單元和海事單元為艙外設(shè)備，需要考慮鹽霧、防水、陽光暴曬等。外罩PC注塑成型，采用珍珠白色減少陽光吸收。底座鋁合金壓鑄，安裝防水透氣閥加速內(nèi)外冷熱空氣交換和傳熱速度，保持內(nèi)外壓力平衡，降低熱量堆積，防止鹽霧滲透，防護(hù)等級滿足IP66以上。

四、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

1、四元陣列螺旋天線設(shè)計

采用圓柱形螺旋設(shè)計方案，設(shè)計圓形天線總高度11cm、直徑為4.5cm，饋電部分采用高頻介質(zhì)微帶貼片，粘附于圓柱形介質(zhì)泡棉外壁，以微帶匹配段實(shí)現(xiàn)最低剖面，變升角螺旋天線，用十字型微帶功分網(wǎng)絡(luò)，將單元天線組合成四元螺旋天線陣，并用探針穿孔連接功分網(wǎng)絡(luò)和天線，調(diào)節(jié)天線與探針的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)螺旋單元天線之間的相位差，設(shè)計過程基于HFSS軟件仿真優(yōu)化，在有限體積情況下，實(shí)現(xiàn)寬波束下的增益要求，達(dá)到最佳輻射。

2、多系統(tǒng)多頻點(diǎn)電磁兼容處理

終端融合了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)、海事衛(wèi)星系統(tǒng)，共6個頻點(diǎn)，其中L波段有5個頻點(diǎn)：RNSS中的L1、B1接收頻點(diǎn)、RDSS發(fā)射的L頻點(diǎn)、海事電話收發(fā)頻點(diǎn)，S波段的接收頻點(diǎn)，且北斗通信和海事電話通信發(fā)射功率較大。通過天線高隔離度和射頻前端的帶外抑制降低收發(fā)信號的相互干擾，以及終端屏蔽設(shè)計、干擾信號濾波處理，以及兼顧漁船電氣環(huán)境，較好地處理了電磁兼容性問題。

3、長報文北斗短報文通信

北斗短報文每幀發(fā)送電文容量有限（以民用卡3級為例，可發(fā)送78個字節(jié)），終端軟件設(shè)計上對于長報文短信采用分包傳輸：輸入長報文后，終端自動識別長電文并經(jīng)過哈夫曼壓縮算法進(jìn)行壓縮（50%）后將長報文分為N段（每段70個字節(jié)，其他字節(jié)作為報文標(biāo)識信息），每段增加標(biāo)識信息（報文時間戳、總包數(shù)、段序號）后發(fā)送給接收方；接收方在接收到所有數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)拼接起來經(jīng)解壓后還原成原始報文。這樣大大提高終端與系統(tǒng)端用戶編輯、收發(fā)北斗短報文的效率與用戶體驗(yàn)。

五、項(xiàng)目實(shí)施情況

1、福建海洋漁業(yè)船載北斗示范工程

北斗海事雙模船載終端研制及應(yīng)用，屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了遠(yuǎn)洋通信的空白，在項(xiàng)目執(zhí)行期累計創(chuàng)收超6000萬元，利潤近千萬元；搭建福建海洋漁業(yè)應(yīng)急指揮決策支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對福建海洋漁業(yè)60以上7000余艘漁船北斗船載終端的部署，提供船船、船岸之間的信息交互服務(wù)，氣象、海浪、漁情、漁訊等多種信息動態(tài)發(fā)布，解決導(dǎo)航、越界作業(yè)、緊急救援、應(yīng)急指揮等海上作業(yè)安全生產(chǎn)問題，加速福建海洋漁業(yè)信息化建設(shè)進(jìn)程。

2、衍生產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用情況

1）在雙模船載示范項(xiàng)目基礎(chǔ)上，拓展改型，為杭州G20、廈門金磚國家領(lǐng)導(dǎo)人峰會艦船海域安保調(diào)度任務(wù)提供技術(shù)支撐與保障。

2）研制獨(dú)立北斗通信單元，在福建省應(yīng)急通信工程北斗及衛(wèi)星系統(tǒng)示范項(xiàng)目中，對全省400多個無人氣象站部署了北斗數(shù)傳終端，解決無或弱公網(wǎng)信號區(qū)域數(shù)據(jù)傳輸。

3)創(chuàng)新開發(fā)新一代智能船載終端，融合北斗RDSS、北斗RNSS/GPS、天通一號、AIS、高精度定位、3G/4G及wifi，為一體化多功能船用通信終端，如圖13-圖14所示。完成交通部長江海事局“長江干線北斗衛(wèi)星地基增強(qiáng)系統(tǒng)工程”北斗船載設(shè)備前期科研與交付任務(wù)。

圖13 智能船載終端原理框圖

圖14 智能船載終端

六、總結(jié)

該項(xiàng)目的實(shí)施提升了福建省漁業(yè)漁政管理、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急救援、指揮調(diào)度等領(lǐng)域精細(xì)化和智能化水平，大幅提高福建海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈效率與效益，對維護(hù)國家海洋漁業(yè)權(quán)益，對“數(shù)字福建”的建設(shè)具有重要意義。

基于北斗海事船載設(shè)備研發(fā)與衍生技術(shù)產(chǎn)品化，結(jié)合北斗、天通、高通量寬帶衛(wèi)星Ka以及地面5G系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展，通過融技術(shù)、融網(wǎng)絡(luò)、融終端、融數(shù)據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合與協(xié)同共生，主動融入國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)大戰(zhàn)略，或?qū)⒊蔀椤靶禄ā边~向數(shù)字化、智能化不可或缺的重要抓手?！?/p>