車常昕，張永波

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

北斗導(dǎo)航通信系統(tǒng)由用戶段、地面段、空間段三部分結(jié)構(gòu)共同組成，在全球范圍內(nèi)可為各類用戶主機提供全天時、全天候的高精度定位服務(wù)，且在高水準(zhǔn)短報文通信技術(shù)的作用下，該系統(tǒng)已經(jīng)具備了完善的區(qū)域?qū)Ш脚c授時定位能力，特定情況下，獨立定位精度可達(dá)分米或厘米級別，平均測速精度也能達(dá)到0.2米/秒[1]。導(dǎo)航通信系統(tǒng)的空間段包含若干個地球靜止軌道衛(wèi)星、一個中圓地球軌道衛(wèi)星和一個傾斜地球同步軌道衛(wèi)星；地面段包含一個監(jiān)測站、一個時間同步注入站、一個主控站和若干個地面站，且各級主機只有在星間鏈路運行管理設(shè)施的作用下，才能實現(xiàn)導(dǎo)航信息的傳輸與交流；用戶段包含可兼容其它衛(wèi)星的北斗導(dǎo)航芯片、天線、終端模塊等各類基礎(chǔ)服務(wù)型設(shè)備產(chǎn)品[2]。

無人艇是一種常見的海中軍事武器，其應(yīng)用實質(zhì)就是在海中作業(yè)的行進(jìn)機器人。隨行進(jìn)器運動時間的延長，與之相關(guān)的導(dǎo)航應(yīng)用策略可能會出現(xiàn)一定程度的執(zhí)行偏差，從而導(dǎo)致失控運動行為的出現(xiàn)。為避免上述情況的發(fā)生，基于慣性測量技術(shù)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)利用ARX時間序列建模原理，確定無人艇的實際運動路線，再通過計算機動性能指標(biāo)的方法，實現(xiàn)對行進(jìn)器運動姿態(tài)的精準(zhǔn)控制。但此系統(tǒng)的應(yīng)用續(xù)航時間較短，很難滿足核心導(dǎo)航主機對于無人艇運動方向的連續(xù)化精準(zhǔn)控制需求。為解決此問題，設(shè)計基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，在硬件電路結(jié)構(gòu)體的支持下，確定接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的基本應(yīng)用格式，從而實現(xiàn)對報文加密密鑰參數(shù)的設(shè)置與完善。

1 硬件電路設(shè)計

無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行電路由電源模塊、方位監(jiān)測模塊、電機測速模塊幾部分共同組成，通過北斗導(dǎo)航通信技術(shù)實現(xiàn)對硬件電路結(jié)構(gòu)的連接與調(diào)試，由ARM Cortex-M3 STM32F103芯片和外圍設(shè)備結(jié)構(gòu)體共同組成中央處理單元，設(shè)置雙電源結(jié)構(gòu)體形式保持系統(tǒng)電源模塊“雙電壓輸入、單電壓輸入”的連接應(yīng)用形式，通過以MPU6050設(shè)備實現(xiàn)無人艇運動姿態(tài)際方位的監(jiān)測，最后通過MX1208型的雙路有刷直流電路結(jié)構(gòu)搭建電機驅(qū)動電路，實現(xiàn)電機測速。硬件電路具體搭建方法如下。

1.1 硬件電路結(jié)構(gòu)組成

基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)模塊化設(shè)計思想，以系統(tǒng)功能分類作為核心執(zhí)行需求，自上而下地將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的獨立功能部件分解出來，再按照既定導(dǎo)航需求進(jìn)行連接與重組，從而精細(xì)化分析各功能模塊的結(jié)構(gòu)要素，一方面指導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)其它硬件電路設(shè)備架構(gòu)的搭建，另一方面實現(xiàn)對通用性電源接口執(zhí)行功能的調(diào)試與維護(hù)[3-4]。硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計一般遵循以下原則：(1)清晰的功能區(qū)域劃分，即電路模塊的分解規(guī)模應(yīng)適當(dāng)，結(jié)構(gòu)體組合要符合“結(jié)構(gòu)化規(guī)則”。(2)固定的模塊，即硬件電路結(jié)構(gòu)的“接口規(guī)則”。(3)相關(guān)電路模塊功能必須符合無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的測試要求，即模塊化的系統(tǒng)“評定規(guī)則”。在后續(xù)設(shè)計過程中，結(jié)合無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求，在北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的支持下，實現(xiàn)對硬件電路結(jié)構(gòu)的連接與調(diào)試。

圖1 無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件電路組成結(jié)構(gòu)

1.2 中央處理單元與電源模塊

無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的中央處理單元由嵌入式ARM Cortex-M3 STM32F103芯片和外圍設(shè)備結(jié)構(gòu)體共同組成。其中，STM32F103芯片包含內(nèi)核、外設(shè)兩個組成結(jié)構(gòu)，前者負(fù)責(zé)對AHB、DMA、SRAM、Flash等系統(tǒng)總線進(jìn)行集成化控制處理，并可按照北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的實際處理需求，將系統(tǒng)電動機設(shè)備的最大運行速度提升至72 MHz/s[5]。在中央處理單元的作用下，系統(tǒng)電源模塊始終保持“雙電壓輸入、單電壓輸入”的連接應(yīng)用形式，即在一次完整的無人艇運動導(dǎo)航控制處理流程中，始終有兩個電源結(jié)構(gòu)體對系統(tǒng)電源模塊保持輸入作用狀態(tài)，但卻只有一個電源結(jié)構(gòu)體負(fù)責(zé)輸出系統(tǒng)內(nèi)的已存儲應(yīng)用電量。兩個電壓輸入端分別位于U33 LMZ12003結(jié)構(gòu)體兩側(cè)，在多個R0執(zhí)行電阻的共同作用下，核心電源應(yīng)用設(shè)備首先將輸入電流轉(zhuǎn)變成交變傳輸形式，再在線路組織的作用下，將這些流量電子暫時存儲于PW1 1117-3V3設(shè)備之中[6]。隨著已接入R0電阻數(shù)量級水平的提升，GND傳感器兩端的應(yīng)用電壓數(shù)值也會逐漸增大，直至系統(tǒng)電源模塊能夠完全負(fù)載中央處理單元的電量應(yīng)用需求。

圖2 無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的電源模塊

1.3 無人艇運動姿態(tài)與方位監(jiān)測模塊

無人艇運動姿態(tài)與方位監(jiān)測模塊是具有高度集成能力的慣性測量傳感器，以MPU6050設(shè)備作為核心應(yīng)用元件。一般情況下，MPU6050設(shè)備結(jié)構(gòu)體同時與兩類傳輸導(dǎo)線相連，其中CAN總線實現(xiàn)了核心主機與北斗導(dǎo)航中心之間的連接，二總線實現(xiàn)了核心主機與系統(tǒng)檢測器與控制器的連接。安裝在無人艇行進(jìn)器內(nèi)的運動姿態(tài)測量單元可實現(xiàn)實時采集船體航向、翻滾、俯仰三個方向上的導(dǎo)航控制量，可為北斗導(dǎo)航通信主機提供行進(jìn)運動所需的原始應(yīng)用數(shù)據(jù)。但由于北斗導(dǎo)航中心結(jié)構(gòu)的存在，MPU6050設(shè)備在使用過程中容易受到溫度、噪聲等多項環(huán)境因素的干擾，從而導(dǎo)致最終的控制精準(zhǔn)性不斷下降[7-8]。為避免上述情況的發(fā)生，MPU6050設(shè)備可根據(jù)無人艇運動角速度的變化情況，累積與北斗導(dǎo)航通信傳輸相關(guān)的物理應(yīng)用信息，再在保證實際偏航角不出現(xiàn)明顯偏差的基礎(chǔ)上，將這些信息參量按照導(dǎo)航需求，傳輸至系統(tǒng)各級執(zhí)行主機之中，直至無人艇終端、水下終端、地面終端三類設(shè)備元件之間的連接傳輸關(guān)系不再發(fā)生改變。

圖3 無人艇運動姿態(tài)的方位監(jiān)測模塊

1.4 電機驅(qū)動與電機測速模塊

電機驅(qū)動與電機測速模塊采用MX1208型的雙路有刷直流電路結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有C類、B類兩種電子驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在運轉(zhuǎn)執(zhí)行過程中，可根據(jù)無人艇行進(jìn)器的實際運動速率，更改電路兩端的承載電壓數(shù)值，一般情況下，工作電壓的覆蓋范圍可從2 V過渡到9.6 V，由于多個M電機的物理調(diào)節(jié)作用，測速模塊的最大峰值輸出電流始終不會超過1.5 A。MX1208驅(qū)動主機中同時存在VDD型、INA型、INB型、PGND型、PGND型等多種電子傳輸接口。其中，VDD1、VDD2、VCC1、VCC2接口同時存在于MX1208驅(qū)動主機上部，可在INA1、INA2、INB1、INB2接口的作用下，釋放暫存于電機測速模塊中的應(yīng)用電子量，再借助與電源模塊的連接通道，調(diào)取大量的待處理北斗導(dǎo)航通信數(shù)據(jù)[9-10]。PGND1、PGND2、PGND1、PGND2接口同時存在于MX1208驅(qū)動主機下部，可按照OUTA型、OUTB型接口中電流的實際輸出速率，更改原接口內(nèi)的電子輸入量，從而實現(xiàn)對無人艇運動導(dǎo)航行進(jìn)路徑的精準(zhǔn)化控制。

圖4 電機測速模塊內(nèi)的驅(qū)動電路

2 基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的系統(tǒng)短報文加密

在硬件電路結(jié)構(gòu)體的支持下，按照短報文傳輸特征分析、傳輸協(xié)議格式定義、加密對象獲取、密鑰參數(shù)計算的處理流程，完成基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 短報文傳輸特征

短報文傳輸是一類雙向的簡短報文通信行為，在無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，用戶數(shù)據(jù)長度、信息傳輸時間、數(shù)據(jù)編碼量等都是最大的傳輸特征參量。結(jié)合北斗導(dǎo)航通信技術(shù)原理和具體數(shù)據(jù)傳輸路徑，可將系統(tǒng)內(nèi)的短報文傳輸特征總結(jié)為如下幾方面。

1)無人艇運動導(dǎo)航短報文數(shù)據(jù)只能以明文形式進(jìn)行傳輸：

導(dǎo)航短報文數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各階層間只能保持安全性傳輸?shù)膽?yīng)用形式，同時導(dǎo)航控制系統(tǒng)的調(diào)制頻率始終與導(dǎo)航通信數(shù)據(jù)的傳輸周期保持一致，在系統(tǒng)中導(dǎo)航信息屬于一種公開型的資源數(shù)據(jù)，因此整個傳輸行為均具有較高的安全隱患等級[11]。

2)無人艇運動導(dǎo)航短報文數(shù)據(jù)始終保持固定的傳輸格式：

無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)中的報文數(shù)據(jù)只能依照通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，且每條報文只具有單一的傳輸格式，因此無論北斗導(dǎo)航通信環(huán)境發(fā)生怎樣的改變，報文中的數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)均保持穩(wěn)定。

3)無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的單條報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)量有限

北斗導(dǎo)航短報文通信需要5顆GEO衛(wèi)星的共同配合，雖然系統(tǒng)在上下行報文接收頻率方面沒有設(shè)備限度條件，一個導(dǎo)航控制主機可同時接收多個終端輸出的無人艇運動報文信息，但受到衛(wèi)星信道數(shù)量級水平的限制，導(dǎo)航控制主機需要同時建立與方位監(jiān)測模塊和電機測速模塊的物理連接[12]。由于終端用戶服務(wù)的存在，北斗短報文傳輸必須接受導(dǎo)航控制等級的限制，具體分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2.2 接口數(shù)據(jù)傳輸基本協(xié)議格式

在無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的短報文服務(wù)中，不同的通信申請協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)不同的導(dǎo)航控制服務(wù)，從而得到不同類型的應(yīng)答信息數(shù)據(jù)。若北斗導(dǎo)航定位申請協(xié)議能夠幫助無人艇運動目標(biāo)獲取當(dāng)前的行進(jìn)時間、經(jīng)緯度等信息參量，則可認(rèn)為暫存導(dǎo)航數(shù)據(jù)能夠完全滿足系統(tǒng)的基本傳輸需求[13]。一般情況下，一個完整的接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議由指令、報文長度、用戶地址、報文內(nèi)容、校驗和五類限制條件共同組成。

1)“指令”是指由地面導(dǎo)航終端發(fā)出的報文通信標(biāo)志，一般以“φ”作為起始編寫符號，在傳輸過程中，與無人艇運動導(dǎo)航控制信息相關(guān)的ASCII碼輸出形式始終保持不變，且每個ASCII碼只保留一個獨立的應(yīng)用字節(jié)。

2)“報文長度”僅用來表示北斗導(dǎo)航通信報文的字節(jié)傳輸長度，可方便導(dǎo)航控制主機對當(dāng)前已接收報文數(shù)據(jù)的完整度進(jìn)行清晰判斷。

3)“用戶地址”描述了北斗導(dǎo)航通信報文在實際傳輸時的終端ID號，一般情況下其長度水平一直維持在24bit左右，絕大多數(shù)當(dāng)前終端所顯示的ID號只能保留在接收方地址內(nèi)部，再根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)航地址生成獨立的發(fā)送報文[14]。

4)“報文內(nèi)容”包含導(dǎo)航傳送方與導(dǎo)航接收方的所有用戶數(shù)據(jù)信息，能夠根據(jù)協(xié)議功能具體格式的不同，更改已成型報文的長度、類別及編寫內(nèi)容，再根據(jù)北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的實用需求，將傳輸數(shù)據(jù)調(diào)整為字節(jié)形式，從而滿足無人艇運動導(dǎo)航控制主機對于數(shù)據(jù)信息的補零處理需求。

5)“校驗和”可對前四類條件進(jìn)行總結(jié)，并以此執(zhí)行所有運算指令，從而檢驗系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)前運行的無人艇運動導(dǎo)航控制指令是否存在錯誤。

設(shè)B0代表指令編寫系數(shù)，X0代表報文長度條件，W0代表用戶地址信息，P0代表報文內(nèi)容的編碼實值，χ0代表校驗和實值。聯(lián)立上述物理量，可將接口數(shù)據(jù)傳輸基本協(xié)議格式的標(biāo)準(zhǔn)定義式表示為：

(1)

2.3 通信協(xié)議加密對象

北斗導(dǎo)航通信短報文協(xié)議的加密對象具備交互申請、順向接收兩種連接形式。其中，交互申請型通信協(xié)議加密對象在短報文用戶交互過程中，可直接對申請協(xié)議中的報文內(nèi)容進(jìn)行加密處理，再借助輸入信道，將信息反饋至接收終端，從而實現(xiàn)完整的信息協(xié)議獲取與密文信息解密處理流程。通常情況下，這種類型加密對象的申請協(xié)議報文內(nèi)容格式并不完全固定，且每部分無人艇運動導(dǎo)航信息所對應(yīng)的物理含義也均不相同，在處理加密指令時，系統(tǒng)核心控制主機所需執(zhí)行的協(xié)議數(shù)量相對較大，易使用戶端主機出現(xiàn)通信混亂的處理行為[15-16]。順向接收型通信協(xié)議加密對象可直接進(jìn)入系統(tǒng)導(dǎo)航基站，當(dāng)控制主機接收到足量的信號參量后，通信協(xié)議可同時轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)航信息內(nèi)容與目的接收地址，隨系統(tǒng)內(nèi)累積信號總量的不斷提升，最終輸出協(xié)議參量的基本格式也逐漸趨于統(tǒng)一[17]。設(shè)θ1代表交互申請型通信協(xié)議的加密處置系數(shù)，θ2代表順向接收型通信協(xié)議加密處置系數(shù)，聯(lián)立公式(1)，可將基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的通信協(xié)議加密對象定義為：

(2)

2.4 報文加密密鑰參數(shù)

為實現(xiàn)對無人艇運動導(dǎo)航短報文數(shù)據(jù)的加密處理，對密鑰參數(shù)與協(xié)議加密對象間的映射關(guān)系進(jìn)行分析。加密映射的建立基于一個完整的迭代分段函數(shù)，由映射公式的多次迭代處理可生成報文加密所需的密鑰序列(既定密鑰參數(shù)分布形式如圖5所示)[18-19]。其特性本質(zhì)上取決于初始運動參量d0和加密參數(shù)μ兩個重要物理值，且這兩個應(yīng)用系數(shù)可同時看作報文加密體系中的密鑰參數(shù)。其原始數(shù)學(xué)模型可表示如下：

(3)

其中:ξ代表報文加密編碼原量，Nmax代表最大加密權(quán)限值，Nmin代表最小加密權(quán)限值。至此，完成各項軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的支持下，實現(xiàn)無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗環(huán)境及原理

為驗證基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。在兩艘相同的無人艇行進(jìn)器中放置同型號的信號收發(fā)器，借助北斗導(dǎo)航通信技術(shù)實現(xiàn)行進(jìn)器與岸基設(shè)備間的信號連接，其中實驗組岸基設(shè)備搭載基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，對照組岸基設(shè)備搭載基于慣性測量技術(shù)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

圖5 導(dǎo)航通信控制原理

已知系統(tǒng)續(xù)航時間、UDI系數(shù)指標(biāo)均能反映導(dǎo)航主機對無人艇運動方向的精準(zhǔn)化控制能力。通常情況下，系統(tǒng)續(xù)航時間越長、UDI系數(shù)指標(biāo)越大，導(dǎo)航主機對無人艇運動方向的精準(zhǔn)化控制能力越強，反之則越弱。

3.2 結(jié)果與討論

控制導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入量分別等于1.5×108T、3.0×108T、4.5×108T、6.0×108T、7.5×108T，記錄在各個數(shù)據(jù)輸入水平下，實驗組、對照組無人艇運動導(dǎo)航控制主機續(xù)航時間的具體變化情況。

分析圖6可知，理想狀態(tài)下無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間不會隨數(shù)據(jù)輸入量的增加而產(chǎn)生變化，始終保持為8 h。實驗組無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間在小幅度下降后，開始出現(xiàn)明顯上升的變化趨勢，在整個上升過程中雖也有小幅數(shù)值下降行為出現(xiàn)，但對整體上升行為的影響趨勢并不大，全局最大值達(dá)到18 h，與理想化數(shù)值相比，上升了10 h。對照組無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的續(xù)航時間一直保持下降、上升交替出現(xiàn)的變化趨勢，最終結(jié)束數(shù)值遠(yuǎn)低于起始數(shù)值水平，全局最大值僅達(dá)到13 h，與實驗組極值相比，下降了5 h。綜上可知，在北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的作用下，無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的實際續(xù)航時間出現(xiàn)明顯增大的變化趨勢，可從根本上增強導(dǎo)航主機對無人艇運動方向的精準(zhǔn)化控制能力。

圖6 系統(tǒng)續(xù)航時間對比圖

表2記錄了實驗組、對照組UDI系數(shù)指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況。

表2 UDI系數(shù)指標(biāo)對比表

分析表2可知，實驗組UDI系數(shù)指標(biāo)的變化趨勢相對較為穩(wěn)定，第1組實驗數(shù)值的平均水平較低，僅達(dá)到74.4%，第2組數(shù)值的平均水平較高，達(dá)到了77.3%，二者間差值為2.9%。對照組UDI系數(shù)指標(biāo)的波動幅度相對較大，雖基本呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢，但整體上升幅度較小，第2組數(shù)值的平均水平較低，僅達(dá)到43.9%，第1組數(shù)值的平均水平較高，達(dá)到了45.7%，二者間差值為1.8%，遠(yuǎn)低于實驗組數(shù)值水平。綜上可知，在北斗導(dǎo)航通信技術(shù)的作用下，無人艇運動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的UDI系數(shù)指標(biāo)數(shù)值確實出現(xiàn)了明顯的增大，不僅滿足了導(dǎo)航主機對無人艇運動方向的精準(zhǔn)化控制需求，也能夠促進(jìn)系統(tǒng)導(dǎo)航應(yīng)用策略快速趨于完善。

4 結(jié)束語

與基于慣性測量技術(shù)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)相比，基于北斗導(dǎo)航通信技術(shù)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的實際續(xù)航時間更長、UDI系數(shù)指標(biāo)數(shù)值水平更高，可使已制定導(dǎo)航應(yīng)用策略快速趨于完善，從而加速導(dǎo)航主機對無人艇運動方向的精準(zhǔn)化控制。從搭建流程的角度來看，中央處理單元與電源模塊可在方位監(jiān)測模塊、電機測速模塊的作用下，滿足硬件電路結(jié)構(gòu)的實際搭建需求，且隨著短報文傳輸特征的逐漸清晰，通信協(xié)議加密對象可快速建立與加密密鑰參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，從而使接口數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議格式得到定向性規(guī)劃，實現(xiàn)導(dǎo)航主機對無人艇行進(jìn)器的運動控制與路程劃分。