史 謙， 紀長松， 李北國， 劉 磊， 焦新泉

(1. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051; 2. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076;3. 北京航天長征飛行器研究所，北京 100076; 4. 北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100018)

0 引 言

信標機主要用于對外發(fā)送飛行器等設(shè)備的位置標識信息，引導(dǎo)地面人員進行搜尋、回收。在飛行試驗后，飛行器的落點范圍往往較為廣泛且地形復(fù)雜，而飛行器自身體積較小，僅憑人工搜尋，會浪費大量的人力和時間，因此可借助信標機來指示落點的方位，以降低搜尋的難度[1]。目前，國內(nèi)常用的信標機和飛行器等一起下落，落地之后采用無線射頻的方式發(fā)射信號[2]，以此來指示搜尋方向。但在實際應(yīng)用中，因落點環(huán)境未知因素較多，信標機有可能會被殘骸遮蔽使其無法接收、發(fā)送信號，還有可能因落地沖擊而砸入地下或與巖石等堅硬的物體相撞[3]，致使其無法正常工作甚至損毀，降低了工作的可靠性。

針對上述傳統(tǒng)信標機存在的缺陷，本文提出了一種基于北斗短報文通信和落點預(yù)測方法的新型信標機設(shè)計。信標機在隨飛行器下落過程中，獲取其定位信息并預(yù)測落點，在落地前將預(yù)測信息以北斗短報文的形式發(fā)送給地面接收終端，如果落地后仍能正常工作，則發(fā)送落點的實時定位信息，通過預(yù)測信息和實時定位信息的雙備份設(shè)計實現(xiàn)對飛行器落點位置的標示，方便地面人員搜尋。該設(shè)計避免了落地時的復(fù)雜情況對信標機工作的影響，擴大了通信范圍，增強了系統(tǒng)工作的可靠性。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)組成

信標機主要由定位模塊、短報文發(fā)送模塊、電源模塊、信息處理模塊及北斗手持終端組成，其總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 信標機的組成框圖

1.2 硬件的選擇及電路設(shè)計

1.2.1 定位模塊設(shè)計

為了在高動態(tài)的復(fù)雜運動環(huán)境下仍能準確快速地獲得定位信息，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用CNS35H GPS/BD衛(wèi)星導(dǎo)航接收機作為定位模塊[4]。該模塊實現(xiàn)了射頻、基帶、導(dǎo)航解算一體化設(shè)計，具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高的特點[5]，其定位精度為水平方向5 m，垂直方向10 m，速度精度0.2 m/s，沒有使用高度和速度的限制。它還具有衛(wèi)星歷書存儲功能，在發(fā)射前可通過串口預(yù)先加載星歷，加快定位速度。該模塊的輸出數(shù)據(jù)包含時間、三維坐標、速度等完整信息。此外，為了能夠承受著地時較大的沖擊加速度而不損壞，選用了專用微帶天線[6]。

1.2.2 信息處理模塊設(shè)計

信標機以MCU及其外圍電路為核心處理器,通過UART接口實現(xiàn)與定位模塊及短報文發(fā)送模塊之間的通信。信息處理模塊的主要功能有：接收定位語句并判斷定位是否有效；從有效語句中解析出時間、經(jīng)度、緯度、高度、速度等信息并進行落點預(yù)測運算；編譯北斗短報文并控制發(fā)送。此外，信息處理模塊還具有電源管理控制、SIM卡切換等功能。

1.2.3 短報文發(fā)送模塊設(shè)計

落點信息的發(fā)送主要通過北斗短報文通信功能來實現(xiàn)，它具有通信不受地域限制[7]和不易受干擾的優(yōu)點。由于信標機在空中停留時間較短，而北斗民用級SIM卡通信頻度為60 s，若信標機在空中停留的時間短于短報文的通信周期，則信標機在空中僅能發(fā)送一次信息，如果地面終端沒有接收到這條信息，且信標機落地后損壞，則信標機無法發(fā)揮作用。針對上述問題，設(shè)計了SIM卡切換復(fù)用電路來實現(xiàn)短報文的發(fā)送[8]，增加了信標機在空中的通信次數(shù)，提高落點信息發(fā)送的可靠性。該電路由MCU、切換電路、通信SIM卡和短報文模塊等部分組成。SIM卡的切換原理為：系統(tǒng)上電后，由MCU通過切換電路控制短報文模塊和相應(yīng)SIM卡的供電，以MCU的通信端口接收短報文模塊提供的反饋信號，當(dāng)短報文模塊根據(jù)設(shè)計進程完成相應(yīng)的操作后，MCU再根據(jù)反饋信息的變化來完成相應(yīng)的切換和發(fā)送工作。

1.2.4 電源模塊設(shè)計

由于在發(fā)送短報文信息時需要輸出一個瞬間的大電流，為了滿足信標機供電的需求，保障供電的可靠性,采用了兩塊容量為2 000 mAh的可充電鋰電池并聯(lián)為其供電。為了確保鋰電池在使用時有充足的電量，延長信標機工作的時間[9]，設(shè)計了相應(yīng)的供電管理電路對信標機的供電進行控制：在飛行過程中，選擇外部電源給信標機供電，使其能夠加載星歷并搜索衛(wèi)星信號，同時以相應(yīng)的充電電路對鋰電池充電；在信標機下落時，由MCU判斷到外部電源供電信號脫離后，電源管理電路選擇內(nèi)部鋰電池繼續(xù)為其供電，這樣可以避免內(nèi)部鋰電池過早消耗導(dǎo)致信標機無法正常工作。

2 軟件設(shè)計

2.1 落點預(yù)測原理

選擇在下落的最后階段進行落點預(yù)測,此時信標機運動姿態(tài)比較穩(wěn)定,便于分析和計算。對信標機進行受力分析可知[10]：在下落過程中，豎直方向上受到向下的重力和向上的空氣阻力，在下落初始時，空氣阻力大于重力，信標機做加速度減小的減速運動，隨著速度的減小，空氣阻力也在減小，當(dāng)空氣阻力等于重力時，信標機勻速下落；在水平方向上受到與運動方向相反的空氣阻力，做減速運動。

以信標機下落到某一點時的時間、位置、速度等信息為基礎(chǔ)，根據(jù)牛頓力學(xué)公式和數(shù)學(xué)方法可以計算出信標機在各個方向上的關(guān)系，再以信標機從該點下降到預(yù)計著陸區(qū)的海拔高度所用的時間為運動時間，可由上述關(guān)系來預(yù)測信標機的最終落點。

設(shè)信標機下落到某一點時的定位信息為：時間t0、經(jīng)度X0、緯度Y0、海拔高度Z0、東向速度Vx0、北向速度Vy0、天向速度Vz0，其中東向速度與經(jīng)度變化方向平行，北向速度與緯度變化方向平行，天向速度與海拔高度方向平行。

又有空氣阻力公式：

式中：

C——空氣阻力系數(shù)；

ρ——空氣密度，kg/m3；

S——等效受力面積，m2；

V——物體與空氣的相對運動速度，m/s。

因為在下落時信標機運動速度較大，空氣相對信標機的運動速度可以忽略不計，則（1）式中為信標機的運動速度。

以為零時刻，根據(jù)牛頓第二定律可得[11]：

式中：

m——信標機的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

Fx、Fy、Fz——信標機在經(jīng)度、緯度、海拔高度方向上所受空氣阻力，N；

ax、ay、az——信標機在經(jīng)度、緯度、海拔高度方向上的加速度，m/s2。

由式（1）可得：

因為加速度方向與速度方向相反，因此有重力、空氣阻力前符號的變化[12]。

對（3）式進行分離變量有：

其中

對式（4）等號兩端求積分，并加入初始條件可得到：

其中，

由（5）可得信標機從開始下落到t時的豎直方向速度：

將速度與位移之間的關(guān)系式代入式（6）可得：

由式（7）和初始條件可得信標機在t時刻相對Z0下降的位移：

同理，根據(jù)式（3）可得其他兩個方向上速度、位移隨時間的變化關(guān)系。

經(jīng)度方向：

緯度方向：

其中，sx、sy是信標機在t時刻沿速度方向移動的位移。

現(xiàn)假設(shè)預(yù)計著落地區(qū)的海拔高度為H，將其代入式（8）可得從零時刻到著陸時的下落時間為（取其中合理的根）：

其中

將?t代入公式（9）、（10）即可計算出信標機在經(jīng)緯度方向上的位移變化?sx、?sy，又已知零時刻信標機的坐標為(X0,Y0,Z0)，根據(jù)速度方向可預(yù)測落點坐標(X0±?sx,Y0±?sy,H)，若速度為正值，取“+”，為負值時，取“-”。

2.2 軟件的實現(xiàn)

圖2 信標機工作流程圖

信標系統(tǒng)程序的核心是定位信息的處理、落點坐標計算和北斗短報文的發(fā)送，其具體的流程如圖2所示。首先，在試驗前給信標機上電，完成整個系統(tǒng)的初始化，在信標機下落到某一階段時開始工作。其次信標機開機后開始接收定位模塊發(fā)送的實時定位信息，接收完成后判斷此次定位信息是否有效。如果定位無效，則重新開始接收、判斷。如果定位有效，則從中提取時間、經(jīng)緯度、海拔高度以及速度等信息。再次，根據(jù)此刻時間判斷信標機是否落地，如果還未落地，則根據(jù)提取到的信息預(yù)測落點并編譯短報文，在判斷到發(fā)送條件滿足后將短報文發(fā)送出去。如果已經(jīng)落地，則將提取到的信息直接編譯發(fā)送。最后，本次發(fā)送完成后，切換通信SIM卡并重新開始接收、發(fā)送，直至電源電量耗盡。

3 實驗結(jié)果及分析

將信標機安裝完成后放置在山頂，將手持終端放置在地面，進行模擬實驗，測試系統(tǒng)性能。測試前，先對程序中預(yù)測公式包含的常量參數(shù)賦值，并將修改后程序載入MCU。實驗時，先將地面接收終端開機，獲取終端所處位置坐標，并通過“自發(fā)自收”來檢測接收終端是否能夠正常工作。信標機及測試設(shè)備檢測如圖3所示。測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 實驗測試設(shè)備檢測圖

圖4 地面手持終端自檢結(jié)果

再給信標機上電，通過外置接口加載星歷并查看定位狀態(tài),待定位成功后將信標機拋出，用地面手持終端接收信息。手持終端接收到的短信如圖5所示。

圖5 手持終端接收到的短報文信息

圖5（a）是信標機在落地前SIM卡1發(fā)出的短報文信息，包括以“A”為幀頭的時刻定位信息和以“B”為幀頭的落點預(yù)測信息。圖5（b）是信標機落地后SIM卡2發(fā)出實時定位信息。

按照上述步驟重復(fù)3次實驗，再以實際落點的坐標為參考，將預(yù)測的落點位置和它進行比較并計算誤差，對比結(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)測落點與實際落點結(jié)果對比

測試結(jié)果表明，預(yù)測坐標與最終實際落點坐標之間在經(jīng)度、緯度方向上偏差都小于20 m，處在搜索人員的視距范圍之內(nèi)。根據(jù)接收終端位置和預(yù)測的落點坐標或?qū)嶋H落點坐標都可以確定正確的搜尋方向，縮小搜尋的范圍。

4 結(jié)束語

本文以落點預(yù)測方法和北斗短報文通信為核心設(shè)計了一種新型的信標機，利用信標機在過程中某一點的動態(tài)信息及坐標，預(yù)測其大概的落點位置，通過北斗短報文將預(yù)測信息發(fā)送回地面，避免了著陸時各種復(fù)雜情況對信標機的影響。從實際測試結(jié)果來看，空中發(fā)送預(yù)測坐標和落地后發(fā)送實時坐標兩種方式的結(jié)合提高了信標機指示位置的可靠性和對飛行器的回收效率，降低了搜尋難度,具有較好的可行性和良好的應(yīng)用前景。

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