太陽能智能點位采集與處理技術(shù)在軍民兩用領(lǐng)域的應(yīng)用研究

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 王 順

為了滿足應(yīng)用需求，軍用或民用定位跟蹤設(shè)備的體積越來越小，這同時造成設(shè)備蓄電池的容量下降，因能量供給問題使得設(shè)備無法有效使用，并造成數(shù)據(jù)缺失、應(yīng)用局限、數(shù)據(jù)安全隱患等問題。針對這些問題，上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司（以下簡稱“太陽能工程中心”）開展了太陽能智能點位采集與處理技術(shù)研究，不僅使設(shè)備終端的電能在使用過程中通過高效太陽能電池源源不斷地得到補充，而且有效解決了設(shè)備終端由于能源供給不足形成的各種問題。本文介紹了太陽能工程中心自主研發(fā)的太陽能智能點位采集與處理的核心技術(shù)，列舉了由太陽能智能點位采集與處理技術(shù)轉(zhuǎn)化形成的“點位魔盒”裝備在軍民兩用領(lǐng)域的應(yīng)用實例，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

一、傳統(tǒng)軍用定位跟蹤器的應(yīng)用及技術(shù)瓶頸

傳統(tǒng)軍用定位跟蹤器的體積較大，例如，目前部隊軍用車輛定位系統(tǒng)主要由服務(wù)器軟件平臺、指揮員監(jiān)控客戶端和車載終端三部分組成。

指揮員監(jiān)控客戶端主要由筆記本電腦和監(jiān)控客戶端軟件構(gòu)成，能夠完成對車輛的實時監(jiān)控與各類歷史數(shù)據(jù)查詢，以及設(shè)置、接收和處理車輛報警等功能。車載終端部分主要包括安裝在車輛上的車載終端及信息接收屏等附屬設(shè)備。其主要用于接收信號、發(fā)送車輛位置信息、采集與轉(zhuǎn)發(fā)故障數(shù)據(jù)，以及響應(yīng)遠程客戶端的各種指令以實現(xiàn)對車輛的管理和控制。圖1 為部隊軍用車輛定位系統(tǒng)。

圖1 部隊軍用車輛定位系統(tǒng)

傳統(tǒng)大型單位的軍用定位跟蹤器雖然基本可以實現(xiàn)大型單位目標運動軌跡的跟蹤和簡單的數(shù)據(jù)傳輸，但對于小型單位，如單兵可穿戴定位系統(tǒng)，由于能源供給等關(guān)鍵因素的制約，尚存在一定的應(yīng)用瓶頸。其缺陷主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）點位數(shù)據(jù)缺失

因為單兵定位跟蹤器要求設(shè)備體積小，所以造成其供電能力有限，目前傳統(tǒng)軍用定位跟蹤器考慮到對裝備兼容性的影響，定位器的體積較小，電能無法提供長時間的供給且無法在使用過程中得到有效補充，所以追蹤使用中存在缺失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，從而影響定位精度及數(shù)據(jù)處理的有效性。

（二）拓展應(yīng)用局限

為了增加設(shè)備的續(xù)航時間，需要裝備容量大的儲能電池，傳統(tǒng)軍用裝備通常采用通用化設(shè)計，如果定位跟蹤設(shè)備體積較大，質(zhì)量大，則只適合在軍用車輛、艦艇等大型裝備上使用。但是對于單兵裝備，設(shè)備質(zhì)量與續(xù)航時間很難同時兼顧，特別是野外作戰(zhàn)及訓練時對單兵裝備質(zhì)量敏感，且目前通用單兵裝備的質(zhì)量問題造成了士兵體力消耗，作戰(zhàn)、訓練時極為不便，所以在單兵可穿戴裝備及在對質(zhì)量敏感的場景上存在應(yīng)用局限的情況。

（三）數(shù)據(jù)安全隱患

由于設(shè)備可搭載的元器件、負載有限，考慮到定位精度要求，目前準軍用的定位裝備（如警用、消防用、救援用定位器）的定位模式采用全球定位系統(tǒng)（GPS）位置定位，GPS 定位在常規(guī)生活應(yīng)用中無數(shù)據(jù)泄露風險，但在軍事應(yīng)用、國土資源研究、安防應(yīng)用方面，相關(guān)數(shù)據(jù)涉及國家安全和保密，應(yīng)用GPS 等由國外運營商的定位系統(tǒng)，存在數(shù)據(jù)泄露的風險[1]。

二、太陽能智能點位采集與處理技術(shù)

在軍民兩用應(yīng)用場景下，根據(jù)單兵所需的活動軌跡采集及監(jiān)測需求，以及解決目前傳統(tǒng)跟蹤裝備中存在的數(shù)據(jù)缺失、應(yīng)用局限、數(shù)據(jù)安全等問題，太陽能工程中心基于我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位與數(shù)據(jù)傳輸功能，深入開展了北斗定位+衛(wèi)星通信微型集成技術(shù)、微型一體化能量自供給芯片電源技術(shù)、全球地圖云平臺監(jiān)控與分析技術(shù)等研究，并開發(fā)了全球微型“點位魔盒”，實現(xiàn)了軍民兩用裝備的微型輕量化、長續(xù)航時間、數(shù)據(jù)安全可靠的目標。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面。

（一）北斗定位+衛(wèi)星通信微型集成技術(shù)

針對目前傳統(tǒng)通用追蹤器采用GPS 進行位置定位且無法實時進行數(shù)據(jù)傳輸，并存在數(shù)據(jù)安全隱患的實際情況，太陽能工程中心研制了一款集成度更高的定位和通信模塊，同時也可以更好地減小設(shè)備的體積并降低功耗，提升設(shè)備續(xù)航能力。該模塊集成無鉛芯片載體（Leadless Chip Carriers，LCC）封裝、四頻段全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）/ GPRS和先進全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）算法于一體，具有體積小、功耗低、快速定位的優(yōu)勢；依托北斗衛(wèi)星的精準定位功能，可根據(jù)應(yīng)用需求進行切換和關(guān)閉定位模式，定位更加精準；內(nèi)置局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Local Network Architecture，LNA）和低功耗算法，能更好地提升信號接收的靈敏度并降低功耗，同時具備實時傳輸數(shù)據(jù)的能力。圖2 為集成式北斗定位+衛(wèi)星通信原理示意圖。

圖2 集成式北斗定位+衛(wèi)星通信原理示意圖

（二）微型一體化能量自供給芯片電源技術(shù)

傳統(tǒng)通用化追蹤器的電源采用儲能電池進行供電，電能無法進行補充，設(shè)備使用周期短，即使是目前較為先進的太陽能追蹤器，使用了晶硅或非晶硅太陽能電池，由于材料特性所限，也無法進行高效穩(wěn)定的電能補充，且目前此類設(shè)備的太陽能小組件質(zhì)量大、在有局部遮擋和潮濕環(huán)境下無法正常工作，易造成設(shè)備失效，所以對供電系統(tǒng)的微型化、輕量化、高可靠性提出了更高要求。太陽能工程中心研制的一體化能量自供給芯片電源模塊基于航天衛(wèi)星電源系統(tǒng)的高效電能轉(zhuǎn)換采集、存儲、控制與可靠性設(shè)計理念，通過高效砷化鎵太陽電池芯片、一體化柔性印制電路、高比能鋰電池、自主管理芯片的一體化集成及優(yōu)化，提升了一體化能量自供給芯片電源模塊的可靠性和穩(wěn)定性，且由于其微型化與輕量化，可實現(xiàn)在全球微型“點位魔盒”裝備上進行應(yīng)用。圖3 為一體化能量自供給芯片。

反射面天線根據(jù)口徑的數(shù)量和波束的合成形式可以分為單口徑單饋源、單口徑多饋源和多口徑單饋源3種形式。單口徑單饋源通過每一個喇叭照射反射面產(chǎn)生一個波束，雖然結(jié)構(gòu)最為簡單，但是存在波束交疊增益低、波束掃描變形、載干比（C/I）低等諸多問題；單口徑多饋源通過多個喇叭的組合得到若干個等效多波束，在這過程中需要大量的移相組件和控制組件，實現(xiàn)難度大；多口徑單饋源則是利用不同口徑生成的波束間隔排列，這樣同一口徑生成的波束之間的距離增大，減少了能量的損失，提高了天線的增益，降低了副瓣電平[3]。

圖3 一體化能量自供給芯片

（三）全球地圖云平臺監(jiān)控與分析技術(shù)

隨著監(jiān)測個體數(shù)量的增加，個體、環(huán)境、位置等數(shù)據(jù)將會海量增長，所以需要在云端有效地組織、管理和共享這些多源、異構(gòu)的數(shù)據(jù)。同時，很多對定位監(jiān)測數(shù)據(jù)有需求的單位和機構(gòu)，需要對全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行跟蹤、采集、分析，所以云端監(jiān)控平臺需要在全球地圖上進行展示，但目前國內(nèi)的地圖供應(yīng)商還不能很好地提供此項服務(wù)。

在數(shù)據(jù)平臺建設(shè)方面，太陽能工程中心采用具備獨立服務(wù)器的云端監(jiān)控平臺進行海量數(shù)據(jù)存儲，使監(jiān)控單位的位置和狀態(tài)能直觀地在全球地圖上展現(xiàn)，還能提供數(shù)據(jù)下載功能，方便專業(yè)機構(gòu)進行各種大數(shù)據(jù)的事后分析和儲存。該系統(tǒng)不僅提供了獨立的web客戶端監(jiān)控平臺，方便專業(yè)機構(gòu)對大量單體進行實時監(jiān)控和監(jiān)測，也提升了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。圖4為全球地圖云平臺監(jiān)控與分析終端軟件。

圖4 全球地圖云平臺監(jiān)控與分析終端軟件

三、“點位魔盒”在軍民兩用領(lǐng)域的應(yīng)用

點位采集與跟蹤技術(shù)是一種應(yīng)用環(huán)境傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過GPS 或者北斗衛(wèi)星定位技術(shù)獲取位置信息，并通過應(yīng)用無線電或者衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸以獲取被監(jiān)測樣本的位置信息、運動軌跡及所處環(huán)境情況的新型技術(shù)?！包c位魔盒”裝備將此項技術(shù)進行了裝備化應(yīng)用，具備微型化、長續(xù)航、數(shù)據(jù)安全、可以進行全球應(yīng)用的特點。

（一）軍事應(yīng)用

1.空降物資搜尋

對于身處不適合陸地運輸和敵后區(qū)域的部隊，如需進行快速補給，常常采用空投物資的方式，但受限于地域的特殊性，空投物資極易偏離預(yù)定地點或被敵方捕獲[2]。全球微型“點位魔盒”可綁定補給物資，并采用空投的方式，為身處難以通過公路運輸物資的部隊、海島邊防部隊、身處敵方占領(lǐng)地的特種部隊進行物資和裝備的快速補給。受地域和天氣因素的影響，傳統(tǒng)空投模式的物資有可能會偏離預(yù)定著陸區(qū)，延長搜尋時間，更有可能誤入敵方區(qū)域，給搜尋工作帶來危險。配備全球微型“點位魔盒”的空投物資，可持續(xù)向被補給部隊發(fā)送物資位置信號及周圍環(huán)境信號，能夠縮短搜尋物資的時間，使部隊更快、更安全地接受補給。圖5 為全球微型“點位魔盒”在物資空投方面的應(yīng)用示例。

圖5 全球微型“點位魔盒”在物資空投方面的應(yīng)用示例

2.邊境智能監(jiān)控

我國幅員遼闊，擁有長達2.28 萬千米的陸地邊境線和超過3.2 萬千米的海岸線，以及大面積的沙漠荒地和無人值守區(qū)域，光靠邊防巡邏無法滿足大面積的國土監(jiān)測和實時監(jiān)控需求。高科技監(jiān)視探測裝備由于能源供給局限，無法全天候進行監(jiān)控。微型“點位魔盒”布防儀將北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)與太陽能無線紅外探測器有機結(jié)合在一起，體積小，方便在空中進行廣泛布設(shè)。該裝備采用太陽電池與鋰電池聯(lián)合供電，借助通信中繼站，能夠?qū)⒓t外控測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)無人區(qū)域的全時段布防監(jiān)控。圖6 為微型“點位魔盒”布防儀的應(yīng)用示例。

圖6 微型“點位魔盒”布防儀的應(yīng)用示例

3.士兵野外救援

如果飛機在作戰(zhàn)過程中發(fā)生意外，飛行員跳傘后，可能會在荒漠、無人區(qū)甚至是敵方占領(lǐng)地著陸，由于飛行員迫降時隨身攜帶維持生命的資源有限，無法長時間在野外生存，而如果飛行員攜帶軍用太陽能跟蹤定位器，就可向己方主動發(fā)出求救信號，如果受傷無法活動，也可由己方搜救人員被動定位，從而在最短時間內(nèi)被救出。圖7 為微型“點位魔盒”在作戰(zhàn)救援方面的應(yīng)用示例。

圖7 微型“點位魔盒”在作戰(zhàn)救援方面的應(yīng)用示例

（二） 民用應(yīng)用

1.生態(tài)研究

動物保護在生態(tài)保護和人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展中具有深遠的意義。以鳥類保護為例，鳥類是生態(tài)系統(tǒng)重要的指示生物，尤其是候鳥在春秋兩季會在繁殖地域和越冬地域之間進行長距離遷徙，對候鳥進行追蹤，研究其遷徙過程中的棲息地、遷徙路線，對候鳥保護、疾病傳播及防治，尤其是候鳥生存的生態(tài)環(huán)境研究具有重要的意義。采用微型“點位魔盒”實時動態(tài)追蹤鳥類，其能牢固地綁定在鳥身上，及時傳回數(shù)據(jù)，對追蹤數(shù)據(jù)的獲取具有重要意義。圖8 為微型“點位魔盒”在生態(tài)保護方面的應(yīng)用示例。

圖8 微型“點位魔盒”在生態(tài)保護方面的應(yīng)用示例

2.智慧放牧

現(xiàn)有模式下的畜牧業(yè)養(yǎng)殖多采用粗放型的養(yǎng)殖方式，牲畜分散在廣袤的牧場上，容易發(fā)生丟失或者牧民無法尋回放牧牲畜的情況[3]。應(yīng)用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的微型“點位魔盒”可以與放牧牲畜進行綁定，使牲畜的定位及追蹤問題能夠得以解決，牧民可以坐在家里用手機終端了解實時放牧情況，大大節(jié)約了時間，提高了效率。圖9 為微型“點位魔盒”在智慧放牧方面的應(yīng)用示例。

圖9 微型“點位魔盒”在智慧放牧方面的應(yīng)用示例

3.保護兒童安全

這種類型的微型“點位魔盒”可以采用具備裝飾外形的太陽電池充電，鋰電池可以做得很小，定位器也可以進行微型化處理并集成到各種偽裝物品中，由太陽電池進行充電；一旦充電達到可發(fā)送定位信號的程度時便發(fā)射一個定位信號，甚至一天內(nèi)只需發(fā)送幾個點，但這幾個點對于處于危險的兒童而言就是救命的信號，能使警察和父母更早找到他們。圖10 為具備偽裝功能的微型“點位魔盒”在兒童安全保護方面的應(yīng)用示例。

圖10 具備偽裝功能的微型“點位魔盒”在兒童安全保護方面的應(yīng)用示例

四、總 結(jié)

太陽能工程中心通過開展太陽能智能點位采集與處理技術(shù)的研究，并依托我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了全球微型“點位魔盒”的軍民兩用應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)軍用/民用定位跟蹤設(shè)備因能量供給不足而造成的數(shù)據(jù)缺失、應(yīng)用局限、數(shù)據(jù)安全隱患等瓶頸問題，同時，解決了因體積無法集成在可穿戴裝備上應(yīng)用的問題。此外，太陽能智能點位采集與處理技術(shù)未來還能夠與5G 應(yīng)用實現(xiàn)深度融合，依托大數(shù)據(jù)智能分析和處理技術(shù)，可在智慧城市建設(shè)、智能軍用指揮系統(tǒng)及多種軍民兩用應(yīng)用場景中進一步發(fā)揮重要作用。