基于北斗系統(tǒng)的軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計

趙華琛，蘇正煉，王海濤，孫志丹，申金星

（陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 210007）

0 引言

隨著我國國防事業(yè)的發(fā)展，以軍用工程機械群為基礎(chǔ)，開設(shè)和構(gòu)筑部隊作戰(zhàn)所依存的高強度、多樣化、大范圍的作戰(zhàn)保障工程，將成為工程部隊的主要任務(wù)之一[1]。因此，加強軍用工程機械位置采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計，便于指揮端信息互聯(lián)、輔助決策和指揮調(diào)度，對提升我軍工程機械群遂行工程保障任務(wù)的能力具有十分重要的作用，對提升民用工程機械群實施工程建設(shè)具有較強的參考價值[2]。

2020年6月，隨著“北斗三號”最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星正式入網(wǎng)運行，標(biāo)志著我國“北斗三號”衛(wèi)星系統(tǒng)完成組網(wǎng)，可在全球范圍內(nèi)為用戶提供導(dǎo)航、授時、定位服務(wù)[3]。北斗的特色功能之一——短報文功能，可支持用戶與地面控制中心、用戶與用戶之間的雙向點對點的傳輸[4]。隨著短報文功能的升級，在特批情況下頻次可達到30秒/240字符/次，實現(xiàn)指令的快速下達[5]。著眼當(dāng)前國際形勢，出于軍事安全和技術(shù)前瞻的考慮，本課題選擇北斗系統(tǒng)來實現(xiàn)工程機械的位置定位及信息傳送。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 基本需求分析

軍用工程機械群位置更新的基本需求包括：

1）通過北斗模塊接收北斗衛(wèi)星發(fā)播的信號，獲取機械實時的位置信息，進行自身定位；

2）通過顯示模塊，將機械自身的實時位置在車載顯示屏上顯示出來；

3）將定位信息通過北斗系統(tǒng)發(fā)送給指揮機構(gòu)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)基本需求，設(shè)計整個位置信息采集與傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

其中，每臺機械上都安裝有基于北斗系統(tǒng)的車載智能終端，它是實現(xiàn)信息采集、信息傳輸和指揮調(diào)度的核心設(shè)備，由通信、北斗、傳感器、CAN總線、控制和顯示等模塊組成。其具體組成如圖2所示。

圖2 基于北斗系統(tǒng)的車載智能終端的簡化結(jié)構(gòu)

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 北斗模塊

北斗模塊需同時集成定位功能和短報文通信功能[6]，綜合尺寸、功率、價格和性能等因素，選擇AGM1221A北斗模塊。AGM1221A北斗模塊是一款基于北斗二代衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的集成收發(fā)、定位功能的一體化模塊，該模塊采用愛潔隆公司自主研制的北斗二代射頻芯片，在50×60×10mm的體積上集成了北斗二代的基帶芯片、射頻芯片、低噪放、4W功放、SIM卡座等功能組件，具有體積小、功耗低、通信成功率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，其外形如圖3所示，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖3 AGM1221A北斗模塊外形圖

表1 AGM1221A北斗模塊的技術(shù)指標(biāo)

AGM1221A北斗模塊的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示，該模塊集成了低噪放（LNA）、可配置的串口（TTL）、射頻芯片和基帶芯片等，其中LNA外接無源天線，用于數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；TTL串口連接控制模塊芯片，用于控制模塊與北斗模塊的通信，實現(xiàn)北斗二代的定位、短報文通信等功能，其波特率可由用戶自行配置，默認(rèn)為115200bps。

圖4 AGM1221A北斗模塊原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制模塊

控制模塊是車載智能終端的控制中樞，實現(xiàn)對不同模塊的硬件操作、邏輯處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。STM32F103C8T6嵌入式芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司開發(fā)的單片機，具有性能強大、穩(wěn)定性好、擴展性強及通信接口豐富等優(yōu)點，因此選擇STM32F103C8T6芯片作為控制模塊的核心處理器。

根據(jù)車載智能終端的功能需求、模塊配置以及各指令的運行規(guī)范，定義STM32F103C8T6芯片引腳在控制模塊中的功能配置如圖5所示。

圖5 STM32F103C8T6引腳的功能配置

2.3 通信模塊

該模塊采用ME909S-821無線通信模塊，適合遠(yuǎn)距離傳輸，采用Mini PCIE封裝，提供最高下行1Gbps和上行100Mbps的傳輸速率，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，提供UART結(jié)構(gòu)，能夠很好地實現(xiàn)文本、語音和視頻等信息的傳輸。ME909S-821無線通信的設(shè)計電路圖如圖6所示。

圖6 ME909S-821無線通信模塊電路原理圖

其中，RXD和TXD引腳分別與STM32F103C8T6控制芯片的TX和RX引腳相連，實現(xiàn)信息的收發(fā)，其網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖7所示。

圖7 無線通信網(wǎng)絡(luò)連通及數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

1）系統(tǒng)初始化：模塊上電后，完成模塊狀態(tài)、SIM卡狀態(tài)的檢測和波特率、通信方式的設(shè)置，以及打開串口等初始化工作；

2）構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)：通過AP指令建立一個具有公網(wǎng)IP的TCP服務(wù)器，并設(shè)置好端口號；

3）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接：通過服務(wù)器公網(wǎng)IP地址及相應(yīng)的端口號建立網(wǎng)絡(luò)連接，并開啟TCP數(shù)據(jù)透明傳輸模式；

4）數(shù)據(jù)傳輸：通過串口將指揮調(diào)度指令信息發(fā)送到服務(wù)器上，從而實現(xiàn)信息的實施傳輸。

2.4 電源模塊

該系統(tǒng)主要采用12V、5V、3.3V三種電源。其中，12V為外接電源，5V主要用于顯示模塊的供電，3.3V主要用于控制模塊、北斗模塊、通信模塊的供電。

3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)傳輸流程

車載智能終端和指揮控制終端對裝備位置數(shù)據(jù)信息進行采集和傳輸是通過調(diào)用北斗模塊完成的，其流程如圖8所示。

圖8 裝備位置信息的采集與傳輸流程

上述流程的具體實現(xiàn)是通過嵌入到STM32F103C8T6芯片內(nèi)的程序來實現(xiàn)的。通過上述流程，在車載智能終端和指揮控制終端能夠?qū)崟r可視化顯示所有裝備的當(dāng)前位置信息，從而便于指揮員掌握裝備的分布情況，并及時進行指揮調(diào)度。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸格式

北斗模塊AGM1221A上電后，會根據(jù)北斗SIM卡的用戶級別，每隔一定時間返回一定格式的數(shù)據(jù)幀，并通過北斗短報文功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]機構(gòu)的指揮終端上進行解析并顯示，從而便于指揮機構(gòu)實時掌握每臺機械的位置信息。定義其數(shù)據(jù)格式如圖9所示。

圖9 位置信息傳輸格式示意圖

可以表示為：

式中，Start表示起始字符，id表示設(shè)備編號，time表示時間，date表示日期，longitude表示經(jīng)度，latitude表示緯度，End表示結(jié)束字符。

如“$5123501.55200818253.21782118.45522 *”，其中，第1位“$”表示每幀的起始字符；第2位“5”表示各裝備北斗模塊的編號；第3～11位“123501.55”表示當(dāng)前時間為12時35分01秒550毫秒，精度已達0.01秒；第12～17位“200818”表示當(dāng)前日期為20年08月18日；第18～26位“253.21782”表示東經(jīng)253.21782°，折算成“度/分/秒/毫秒”的形式為253°13'41.52''，精度已達0.01毫秒；第27～35位“118.45522”表示北緯118.45522°；第36位“*”表示每幀的結(jié)束標(biāo)識符。因此，每幀的長度為36Byte，那么一次北斗短報文傳輸?shù)娜萘繛?2Byte，則可包含兩個采樣周期的位置數(shù)據(jù)，這樣能提高裝備位置信息的采樣精度。

4 系統(tǒng)測試

課題組以構(gòu)筑100m長度的急造軍路為基本任務(wù)，開展了功能和性能測試。經(jīng)功能測試，工程機械群位置顯示、裝備歷史軌跡查詢等功能齊全，可以滿足軍用工程機械群指揮調(diào)度的需要。具體功能界面如圖10、圖11所示；經(jīng)性能測試，數(shù)據(jù)傳輸基本穩(wěn)定，軟件及設(shè)備使用較為便捷，可靠性能基本達到研究預(yù)期。

圖10 單個工程機械歷史軌跡顯示界面（指揮端）

圖11 單個工程機械當(dāng)前和目標(biāo)位置顯示界面（車載端）

5 結(jié)語

本文針對軍用工程機械群遂行大型工程保障任務(wù)時出現(xiàn)的各機械位置不明、動向不清等指揮管理問題，設(shè)計了一種基于北斗系統(tǒng)的軍用工程機械群位置信息采集與傳輸系統(tǒng)，并進行了相關(guān)理論分析和方案設(shè)計。文中經(jīng)過綜合比較，選擇了AGM1221A北斗模塊來實現(xiàn)裝備位置信息的傳輸，并定義了數(shù)據(jù)傳輸格式，完成了數(shù)據(jù)傳輸流程的詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)了通過北斗短報文功能進行位置信息的采集、傳輸與顯示，并最終呈現(xiàn)出機械群整體態(tài)勢顯示、單個機械歷史軌跡查詢等界面，進一步增強了對作業(yè)現(xiàn)場的管控，提升了整體指揮調(diào)度效率。