北斗三號(hào)終端設(shè)備在西藏高寒、高海拔地區(qū)的應(yīng)用

文| 李剛 楊雙

深圳市遠(yuǎn)東華強(qiáng)導(dǎo)航定位有限公司

一、引言

高寒地區(qū)是指常年低溫、凍土常年不化的地區(qū)。高寒地區(qū)通常還伴隨著高海拔或高緯度，地形復(fù)雜、氣候惡劣且變化無常，主要特點(diǎn)是氣溫低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。冬季最低氣溫可達(dá)-40℃，晝夜溫差較大。高海拔地區(qū)，還存在空氣密度低、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線輻射強(qiáng)烈、氣候干燥等環(huán)境特點(diǎn)。在西藏高寒高海拔等復(fù)雜環(huán)境下，大范圍采用傳統(tǒng)的方式開展巡檢工作需要大量的人力、物力、財(cái)力。目前隨著北斗技術(shù)的成熟，北斗系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于邊境巡檢、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、減災(zāi)救災(zāi)等方面，并取得了顯著成效。

北斗系統(tǒng)作為國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中都發(fā)揮著重要作用，也是推動(dòng)我國(guó)信息化建設(shè)的重要力量。2020 年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面建設(shè)完成，向全球提供服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主可控，穩(wěn)定可靠，覆蓋范圍大，無通信盲區(qū)，架設(shè)與維護(hù)簡(jiǎn)單，特別適合大范圍監(jiān)控管理和數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)葢?yīng)用。西藏高寒高海拔地區(qū)人員巡檢或地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)運(yùn)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，有很高的安全度和可靠性，而且可以對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行推廣，推動(dòng)北斗在各行各業(yè)的大規(guī)?；瘧?yīng)用。

本文以西藏為例，闡述北斗三號(hào)終端設(shè)備在高寒、高海拔地區(qū)的應(yīng)用。

二、西藏高寒高海拔地區(qū)北斗終端需求現(xiàn)狀

1.信息化巡檢手段不足

西藏自治區(qū)環(huán)境惡劣，地廣人稀，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，天氣多變，諸如暴雪、冰雹、強(qiáng)降雨導(dǎo)致山體滑坡、泥石流及雷電災(zāi)害等頻繁發(fā)生，村民外出作業(yè)或巡檢信息化、智能化手段不足，人力物力消耗嚴(yán)重，高寒缺氧、身體不適，每日早出晚歸。目前還有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)手機(jī)信號(hào)差，手機(jī)無法與外界通信，特別是無人區(qū)等通信信號(hào)全無?，F(xiàn)有的衛(wèi)星電話能夠?qū)崿F(xiàn)大部分救援功能，但是價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，對(duì)環(huán)境周圍都有山體遮擋的要求極其苛刻，市面上的北斗海聊等便攜終端產(chǎn)品，雖然支持一鍵求救，但是設(shè)備高度集成化，不支持自定義，也不支持北斗和4G 雙通道切換，不能因地制宜地在各種場(chǎng)景使用[1]。

2.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏可靠傳輸手段

西藏地震活動(dòng)頻繁，且規(guī)模較大、破壞力極強(qiáng)。以泥石流、滑坡、崩塌為主，還有少量的濱湖潰決、雪崩。目前災(zāi)害發(fā)生時(shí)，附近的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施被破壞，可用性無法得到保證，需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段將災(zāi)害情況盡快上報(bào)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)現(xiàn)有民用、商用設(shè)備的諸多弊端，面向西藏、新疆等高寒、高海拔地區(qū)等不同場(chǎng)景的應(yīng)用：

1）開發(fā)功耗低、待機(jī)長(zhǎng)、體積小、具有三防功能、方便邊民隨身攜帶的便攜終端（邊民外出無信號(hào)區(qū)域隨身攜帶），能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的北斗三號(hào)系列終端產(chǎn)品，能定時(shí)上報(bào)當(dāng)前所處的位置，可一鍵發(fā)送帶有當(dāng)前海拔及定位的預(yù)險(xiǎn)信息，可將巡檢過程中的災(zāi)害情況通過圖片的形式上報(bào)到監(jiān)控中心等，解決了邊民在有移動(dòng)信號(hào)的環(huán)境，使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信，在無移動(dòng)信號(hào)的區(qū)域，使用北斗短報(bào)文實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心或家人的通信。

2）開發(fā)具備北斗和4G 雙通道通信的北斗數(shù)傳終端設(shè)備，保證無移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)或地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被摧毀的情況下，仍然能通過北斗鏈路將地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)得到的數(shù)據(jù)分析，為早期預(yù)警或救援提供有利條件，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失。北斗三號(hào)終端產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示。

圖1 北斗三號(hào)終端產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景

三、 北斗終端產(chǎn)品介紹

1. 北斗民用指揮機(jī)

北斗民用指揮機(jī)（圖2）具備北斗三代短報(bào)文通信，北斗RNSS 定位功能，具備指揮兼收功能。可向所管轄的下屬子用戶發(fā)送通播信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)子用戶的分組管理和集中調(diào)度功能。設(shè)備接口豐富，可支持天通語音通信，滿足用戶各種使用需求。北斗指揮機(jī)主機(jī)部署在用戶機(jī)房，天線架設(shè)于室外，天線具備防水、低溫工作等性能。

圖2 北斗民用指揮機(jī)

2. 北斗車載終端

北斗車載終端（圖3）具備北斗三號(hào)民用區(qū)域短報(bào)文通信，以及北斗三號(hào)RNSS 的北斗B1 和GPS_L1 單?；螂p模混合定位功能，支持4G 全網(wǎng)通功能。采用一卡雙模技術(shù)，自適應(yīng)切換4G 和北斗兩種通信方式。該終端體積小、安裝方便、可作為偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立使用的全天候定位導(dǎo)航通信設(shè)備，使用環(huán)境復(fù)雜多樣，能夠在-40℃低溫環(huán)境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

圖3 北斗車載終端及配套APP 軟件

3. 北斗數(shù)傳終端

北斗數(shù)傳終端（圖4）具備北斗RDSS 定位、短報(bào)文通信功能，以及RNSS 的北斗B1、GPS L1單?；螂p?；旌隙ㄎ弧⒅С?G 全網(wǎng)通功能，具備終端狀態(tài)自檢功能，具備實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的能力，并上報(bào)到中心平臺(tái)，支持?jǐn)?shù)據(jù)拆包組包功能，遠(yuǎn)程重啟，參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程升級(jí)及設(shè)置功能。該終端體積小、重量輕、功耗低、IP67 防護(hù)等級(jí)，可為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸提供通信保障，為氣象服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。該終端固定安裝，通過寬溫電池供電，能夠在-40℃低溫環(huán)境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

圖4 北斗數(shù)傳終端

4. 北斗三號(hào)手持終端

北斗三號(hào)手持機(jī)是一款具有北斗定位和通信的加固型便攜綜合信息處理終端，支持通用移動(dòng)通信（2G/3G/4G）、WIFI、藍(lán)牙等無線通信模式，結(jié)合移動(dòng)語音通信、多種數(shù)據(jù)采集傳感器功能，安裝部署北斗終端APP 應(yīng)用軟件，可將外出巡檢人員的實(shí)時(shí)位置上報(bào)到監(jiān)控平臺(tái)，并通過北斗短報(bào)文與監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息互通。該終端體積小、攜帶方便，內(nèi)置低溫電池，能夠在-40℃低溫環(huán)境使用，支持在5000m 以上的高原通信。

5. 北斗伴侶終端

北斗伴侶終端，具備北斗三號(hào)RSMC 短報(bào)文通信、北斗三號(hào)和GPS 雙?；旌隙ㄎ还δ堋＞邆渌{(lán)牙通信、OLED 屏幕顯示及按鍵操作、一鍵報(bào)警、TYPE-C 接口充電功能。終端內(nèi)部設(shè)計(jì)集成度高、功耗低，選用低仰角性能較好的多頻一體天線，可滿足用戶在各種極端條件下對(duì)北斗衛(wèi)星通信和北斗定位的需求。具備OLED 屏幕顯示及按鍵操作，在緊急情況下可一鍵SOS 報(bào)警，該設(shè)備可手持，可壁掛，可通過藍(lán)牙直接升級(jí)。該終端主要以電池作為工作能源，可在-40℃連續(xù)工作6 小時(shí)，支持在5000m 以上的高原通信。

四、北斗終端設(shè)備在高寒高海拔地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1. 高寒高海拔產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要考慮的問題

1）海拔越高氣壓越低，隨著海拔的增高，大氣壓力呈線性降低。低氣壓會(huì)增大有腔體器件的內(nèi)外壓差，引起外觀變形、爆裂，因此用于高寒高海拔的產(chǎn)品要適當(dāng)調(diào)整密封體內(nèi)的壓力；

2）海拔增高，空氣密度降低，使以空氣對(duì)流為主要散熱方式的產(chǎn)品散熱困難，溫升增加，因此用于高寒高海拔的產(chǎn)品要考慮散熱設(shè)計(jì)；

3）高寒高海拔地區(qū)的晝夜溫差大，較大的溫度變化使產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)變形、開裂，破壞結(jié)構(gòu)的密封，造成涂層開裂脫落等。頻繁的熱脹冷縮，會(huì)加速原材料老化，縮短使用壽命[2]。

2. 北斗終端設(shè)備設(shè)計(jì)措施

（1）元材料選型

北斗終端設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作在晝夜溫差大的環(huán)境下，其電子元器件短時(shí)間內(nèi)會(huì)頻繁地?zé)崦浝淇s，壽命受到影響。為了提高元器件使用壽命，北斗終端設(shè)備使用的電子元器件均為-40℃～85℃的工業(yè)級(jí)元器件。印制板采用TG 值較高的板材，物理性能更好，減小由于溫差導(dǎo)致的形變，保證板上元器件的可靠工作。

（2）終端低功耗設(shè)計(jì)

北斗終端設(shè)備高度集成，采用低功耗設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的熱量可及時(shí)傳導(dǎo)到外部環(huán)境中。

（3）外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北斗車載、數(shù)傳、手持等終端外殼結(jié)構(gòu)的開口處設(shè)計(jì)有密封圈保證其密閉性，在腔體和天線罩、腔體和SIM 卡蓋之間均有防水圈。終端底部設(shè)計(jì)有可平衡內(nèi)外氣壓的防水透氣閥，保證設(shè)備在溫度變化大、設(shè)備內(nèi)外存在氣壓差的環(huán)境下的防護(hù)穩(wěn)定性。設(shè)備的功耗小，且金屬外殼可導(dǎo)出絕大部分熱量，不會(huì)因?yàn)闊崃慷逊e影響設(shè)備運(yùn)行，避免了低氣壓空氣散熱效率低的影響。設(shè)備板卡的元器件均采用對(duì)氣壓不敏感、高絕緣強(qiáng)度型號(hào)，保證了設(shè)備在低氣壓環(huán)境下元器件工作的穩(wěn)定性。

五、北斗終端在西藏高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用案例

目前西藏地區(qū)平均海拔4000m 以上，且晝夜溫差20℃左右，部分地區(qū)最低氣溫-40℃。通信基礎(chǔ)設(shè)施落后，無法保證巡檢人員、車輛與指揮中心的全時(shí)通信，需要借助北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)的通信。北斗終端設(shè)備體積小、功耗低、穩(wěn)定可靠，且使用環(huán)境復(fù)雜多樣，包括高寒、高濕、高海拔和高溫等各種惡劣環(huán)境。

北斗指揮機(jī)主機(jī)部署在監(jiān)控中心機(jī)房，天線安裝在樓頂上。管理人員通過操作北斗指揮機(jī)發(fā)送北斗短報(bào)文實(shí)現(xiàn)對(duì)邊民的指揮調(diào)度；同時(shí)接收邊民上報(bào)的巡檢數(shù)據(jù)、通信信息、位置數(shù)據(jù)、緊急求救信號(hào)，保障邊民外出作業(yè)或輔助巡檢過程中的通信。

山南市錯(cuò)那縣曲卓木鄉(xiāng)地處西藏南部邊陲山南地區(qū)，屬河谷地帶，平均海拔4380m 左右，氣候寒冷，早晚溫差大，全年最低氣溫-18℃。圖5 為北斗車載終端在山南市錯(cuò)那縣曲卓木鄉(xiāng)邊民巡檢中的應(yīng)用。北斗車載終端安裝于巡檢車輛上，用于邊境巡檢人員配備，巡檢人員通過操作配套APP 軟件控制北斗車載終端發(fā)送定位和北斗短報(bào)文功能，實(shí)現(xiàn)了車輛位置實(shí)時(shí)上報(bào)、巡檢情況上報(bào)等功能，及時(shí)將災(zāi)害預(yù)警上報(bào)。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，巡檢人員操作軟件發(fā)送“SOS 報(bào)警”，等待救援隊(duì)救援。實(shí)際測(cè)試，巡檢人員使用北斗短報(bào)文能夠保證可靠的通信。

圖5 北斗車載終端在巡檢中的應(yīng)用

昌都市八宿縣邦達(dá)鎮(zhèn)是川藏南線和北線的交匯點(diǎn)，海拔4300m，屬峽谷溫暖帶和高原寒冷帶氣候，年冬春氣溫常在-20℃以下。圖6 為北斗數(shù)傳終端在邦達(dá)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用。將崩塌監(jiān)測(cè)設(shè)備、滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備定時(shí)上報(bào)的各類傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)組包通過北斗/4G 鏈路上報(bào)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的損失。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，北斗數(shù)傳終端工作穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)將采集的數(shù)據(jù)上報(bào)到監(jiān)控中心。

圖6 北斗數(shù)傳終端在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用

龐達(dá)村是我國(guó)西藏日喀則市亞東縣下亞東鄉(xiāng)轄行政村,位于亞東縣南部,屬高原山地氣候，高寒高旱，是一個(gè)位于海拔2000m 的邊境村。圖7 為北斗伴侶終端和北斗三號(hào)手持終端在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和巡檢中的應(yīng)用。

圖7 北斗伴侶終端、北斗三號(hào)手持終端在地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)保護(hù)巡檢中的應(yīng)用

北斗伴侶通過藍(lán)牙方式與手機(jī)連接，通過背帶佩戴，確保朝南使用。通過操作北斗伴侶配套APP 發(fā)送北斗短報(bào)文實(shí)現(xiàn)巡檢情況上報(bào)，當(dāng)巡檢人員遇到危險(xiǎn)時(shí)，可一鍵觸發(fā)SOS 報(bào)警，大大提高了巡檢人員的安全性。在西藏龐達(dá)村，巡檢人員通過操作手機(jī)端APP 軟件，控制北斗伴侶終端發(fā)送北斗短報(bào)文。

外出巡檢任務(wù)時(shí)，巡檢人員隨身攜帶北斗三號(hào)手持終端，在移動(dòng)信號(hào)較好的地方使用移動(dòng)信號(hào)與監(jiān)控中心或同行巡檢人員通信，在移動(dòng)信號(hào)不好的環(huán)境，使用北斗方式通信，還能將巡檢情況以圖片和文字的形式上報(bào)到監(jiān)控中心。經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證，北斗伴侶和北斗三號(hào)手持終端在工作正常、定位精度高、通信環(huán)境好的情況下，成功率可達(dá)95%以上。

六、 總結(jié)與展望

本文以西藏自治區(qū)獨(dú)特的地理位置、氣候條件、環(huán)境特征、資源現(xiàn)狀為背景，攻破了北斗天通雙模處理技術(shù)、一卡雙模處理技術(shù)、基于北斗短報(bào)文的數(shù)據(jù)壓縮處理技術(shù)[3]和基于北斗短報(bào)文的丟包重傳技術(shù)[4]，研究了性能可靠、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格合理、能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的北斗三號(hào)系列終端產(chǎn)品，既支持4G 也支持北斗通信，為西藏邊民和巡檢人員提供精準(zhǔn)定位和緊急救援服務(wù)，提高西藏自治區(qū)信息化通信手段。隨著國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃的持續(xù)推動(dòng)與北斗相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步成熟，各種型號(hào)的北斗終端設(shè)備在西藏、新疆等高寒、高海拔地區(qū)的應(yīng)用將擁有更廣闊的前景。

展望未來，我們還需要在高寒、高海拔應(yīng)用中把握以下幾個(gè)方向。

（1）北斗終端設(shè)備擴(kuò)展支持多民族語言

為增強(qiáng)不同文化程度的西藏邊民在使用北斗終端設(shè)備過程中的接受度，以提高北斗終端設(shè)備的實(shí)用性，增加多民族語言切換功能，即北斗終端設(shè)備支持兩種語言的切換，這對(duì)于北斗終端設(shè)備的推廣有更好的促進(jìn)作用。

（2）推動(dòng)北斗三號(hào)終端設(shè)備與手機(jī)應(yīng)用之間的互聯(lián)互通

將北斗三號(hào)終端設(shè)備集成北斗短報(bào)文與手機(jī)短信、微信的互聯(lián)互通等功能，實(shí)現(xiàn)北斗與互聯(lián)網(wǎng)、短信之間的多鏈路通信。通過互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)能力互補(bǔ)，有機(jī)協(xié)同，有序發(fā)展，讓有限的資源發(fā)揮無限的價(jià)值。

（3）建立高效的應(yīng)急救援體系

西藏地區(qū)由于地形、地貌和大氣環(huán)流的影響，氣候獨(dú)特而且復(fù)雜多樣，極易發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。面對(duì)災(zāi)害的突發(fā)性和不確定性，快速響應(yīng)、高效處理、全面應(yīng)對(duì)的救援體系顯得尤為重要。要加強(qiáng)國(guó)家政策引導(dǎo)，并充分利用高科技手段，將應(yīng)急處置與醫(yī)療救援有效銜接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，進(jìn)一步提高高寒、高海拔地區(qū)邊民的生命安全[5]。