郭竹森，張會新，劉宏藝，金麗生，撖子奇

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051； 2.北京京航計(jì)算通訊研究所，北京 100074；3.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

0 引言

隨著科技的的高速發(fā)展，定位技術(shù)愈加成熟，日臻完善的今天，同樣存在在許多難題，尤其是在航空航天領(lǐng)域，以及航海領(lǐng)域。

由于飛行測試的增多和航海領(lǐng)域的發(fā)展，面對復(fù)雜環(huán)境下的飛行器和航海機(jī)械的定位仍然是一個(gè)難題。由于環(huán)境的高度復(fù)雜性，給定位和通信造成了極大的困難[1-2]。因此研究出一個(gè)可以在高度復(fù)雜環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)定位和通信的系統(tǒng)迫在眉睫[3-4]。國外常使用雷達(dá)定位、衛(wèi)星定位等技術(shù)及進(jìn)行定位。國內(nèi)經(jīng)常使用信標(biāo)機(jī)定位的方式進(jìn)行定位。從一開始的GPS定位，到現(xiàn)在使用的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位，再到GPS/北斗混合定位，定位精度越來越高。并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自帶的短報(bào)文通信方式通信成功率可以達(dá)到95%，并且在海事領(lǐng)域，已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，同時(shí)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在水文監(jiān)測，災(zāi)害監(jiān)測等方便使用廣泛[5-7]。在同類研究中，為了減小功耗，增加系統(tǒng)的工作時(shí)間，多使用5 W的北斗模塊和卡切換方式來提高通信頻度的設(shè)計(jì)方案。但是，這樣的設(shè)計(jì)在較為復(fù)雜的工作環(huán)境中存在一定的缺陷。一旦處于復(fù)雜的環(huán)境中，通信的成功率將變得很小。較之前的方案設(shè)計(jì)，文章設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)，采用雙北斗模塊輪流工作的方式來提高通信頻度，并使用10 W的PA功率放大器，使得整個(gè)系統(tǒng)在更加復(fù)雜的環(huán)境中都可以正常工作。即使出現(xiàn)單一模塊損壞，另一個(gè)模塊也能夠繼續(xù)正常工作，給飛行器和船舶等大型機(jī)械充足的定位通信提供安全保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該定位系統(tǒng)由信標(biāo)機(jī)和地面接收設(shè)備兩部分組成。信標(biāo)機(jī)內(nèi)部的通信定位模塊集成了RDSS和RNSS，安裝于飛行器和航海機(jī)械上。信標(biāo)機(jī)通過RNSS以雙模定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位[8-11]，之后將位置信息通過RDSS以短報(bào)文的形式發(fā)送至地面接收設(shè)備，地面接收設(shè)備將短報(bào)文解算之后再傳送至PC端處理、顯示，最后實(shí)現(xiàn)飛行器和航海機(jī)械的定位[12-14]。信標(biāo)機(jī)由主控單元、通信定位模塊和電源模塊組成，電源模塊由鋰電池充電模塊、斷電模塊、供電模塊三部分組成；地面接收設(shè)備由兩臺北斗短報(bào)文接收機(jī)和電腦組成。定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)定位和通信兩大功能。

圖1 總體方案示意圖

信標(biāo)機(jī)通過GPS/BD雙模定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前位置信息的獲取[15]，可以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)定位。為防止由于外界干擾或信號較弱等因素降低通信的成功率，系統(tǒng)采用了雙北斗模塊輪流通信的設(shè)計(jì)，兩個(gè)北斗模塊獨(dú)立工作，互不干擾。

此外，該定位系統(tǒng)選用的北斗模塊內(nèi)部含有10 W功率放大模塊，用以短報(bào)文發(fā)送，相較于市場上的5 W的模塊，該模塊更加適用于飛行器、船舶等工作環(huán)境較為復(fù)雜的大型機(jī)械。在同等條件下，該模塊在通信質(zhì)量上更加出色。

該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢主要有4個(gè)：1)通信頻度高，在北斗民用SIM卡一分鐘內(nèi)最大的通信頻率為1次/min的前提下，系統(tǒng)通信頻率提升至2次/min，提高了信標(biāo)機(jī)通信成功率;2)定位精度高，在采用GPS/BD2組合定位方法基礎(chǔ)上，對兩個(gè)模塊的定位信息進(jìn)行處理，減小誤差，在四周無明顯遮擋的環(huán)境下，定位精度可以優(yōu)于5 m;3)通信時(shí)，短報(bào)文經(jīng)過10 W的功放模塊進(jìn)行功率放大，增加了通信的可靠性，可以適用于更加復(fù)雜的環(huán)境;4)系統(tǒng)使用雙模塊進(jìn)行通信，比使用雙卡切換的設(shè)計(jì)要更具安全性，雙模塊提供雙份的保障。

1.2 定位原理

北斗二號導(dǎo)航衛(wèi)星定位方式不再采用北斗一號所使用的主動式雙向測距的定位方式，改用與GPS相同的單向測距三維導(dǎo)航。GPS系統(tǒng)較北斗系統(tǒng)在北和高程方向上表現(xiàn)要好，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)則是在東西方向上由于GPS，因此，本系統(tǒng)采用北斗和GPS組合定位的方法降低定位誤差，提高定位效果。

信標(biāo)機(jī)采用GPS和北斗雙模定位，有兩種工作模式，分別是單模工作模式和組合工作模式。在單模工作模式下，系統(tǒng)單獨(dú)由北斗或者GPS進(jìn)行定位；在組合工作模式下，由北斗和GPS共同實(shí)現(xiàn)定位。在組合工作模式中，又分為兩種工作模式，分別是單模定位結(jié)果融合和偽距融合。兩種融合方式在位置解算和定位精度上存在很大的不同。

如圖2所示，定位結(jié)果融合是將兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立計(jì)算出得結(jié)果通過加權(quán)處理組合得到最終結(jié)果，但是由于兩個(gè)系統(tǒng)的定位精度不同，對于權(quán)重很難確定，因此對于加權(quán)得到結(jié)果，其精度難以保證的。

圖2 結(jié)果融合

如圖3所示，偽距融合是將北斗和GPS的偽距進(jìn)行聯(lián)合觀測，同時(shí)，將兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間差納入，組成聯(lián)合方程組。通過解算兩者聯(lián)合后的方程組就可以得到信標(biāo)機(jī)精確的位置結(jié)果。

圖3 偽距融合

聯(lián)合后的偽距方程會引入新的時(shí)間系統(tǒng)差未知因子，組合后的方程將含有5個(gè)未知參數(shù)。偽距融合能夠?qū)⒈倍废到y(tǒng)和GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合起立，實(shí)現(xiàn)更加精確的定位。聯(lián)合后的方程如式(1)所示:

(1)

1.3 短報(bào)文通信原理

北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)由空間系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示。

圖4 短報(bào)文傳輸流程

發(fā)送端將短報(bào)文加密后發(fā)送至衛(wèi)星，衛(wèi)星收到短報(bào)文后根據(jù)接收端的地址進(jìn)行廣播，經(jīng)廣播進(jìn)入地面中心，地面中心脫密再加密后再次轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星，該衛(wèi)星再次進(jìn)行廣播，接收端收到廣播的短報(bào)文消息后，進(jìn)行解密，完成一次通訊。北斗可以實(shí)現(xiàn)雙向通信功能，即用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報(bào)文通信，GPS只有單向的，這是北斗的優(yōu)勢。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊選用ST公司的STM32F0系列低功耗單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)與定位通信的模塊的通信以及信息處理和供電控制。該單片機(jī)擁有6路UART，滿足總體方案所需要的4路UART，通過與北斗模塊通信，將RNSS的定位信息進(jìn)行提取、編幀，隨后通過RDSS發(fā)送至地面短報(bào)文接收機(jī)。

2.2 定位通信模塊硬件設(shè)計(jì)

定位通信模塊內(nèi)部包括兩個(gè)北斗模塊，該北斗模塊選用北斗星通公司開發(fā)的一款集成了RDSS和RNSS功能的雙模模塊。模塊內(nèi)部集成了高性能RDSS射頻接收芯片、10 W輸出功率的功放模塊、北斗專用RDSS基帶電路，以及一款國產(chǎn)BD2 B1/GPS L1小型化導(dǎo)航定位模塊，可實(shí)現(xiàn)RDSS定位、通信功能和RNSS導(dǎo)航定位等功能。該模塊集成度高、功耗低、對外接口非常簡單，且與常見模塊接口兼容，在使用上非常方便。模塊使用12 V和5 V供電，接口以及周圍電路如圖5所示。

圖5 定位通信模塊接口及周圍電路

短報(bào)文發(fā)送時(shí)，單片機(jī)將已編幀信息通過串口發(fā)送至基帶處理部分并轉(zhuǎn)化成RDSS基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號調(diào)制、變頻等操作處理后，將數(shù)據(jù)信息調(diào)制為L頻段信號，最后在10 W功率放大器作用下對信號進(jìn)行放大，通過外置無源天線TX端對信號進(jìn)行發(fā)送。短報(bào)文發(fā)送模式為突發(fā)模式。北斗模塊RDSS原理如圖6所示。

圖6 北斗模塊RDSS原理框圖

北斗模塊內(nèi)部通過RNSS進(jìn)行定位。RNSS包括GPS和北斗兩部分，既可以使用二者其一進(jìn)行定位也可以采用GPS和北斗組合的方式進(jìn)行定位。外部天線使用雙模天線，接收到信號后，先由噪聲放大器進(jìn)行濾波、噪聲放大等相關(guān)處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為中頻信號，接著通過基帶信號處理電路輸出定位信息。內(nèi)部原理如圖7所示。

圖7 北斗模塊內(nèi)部RNSS原理框圖

在頻段劃分中，北斗B1和GPS的L1信號頻譜重疊，兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)射信號又都采用右旋圓極化方式，因此可以使用同一根天線，因此，RNSS中的GPS和北斗采用一根雙模天線便可以工作。同時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)采用相同的CDMA擴(kuò)頻技術(shù)，相關(guān)通道也可以兼容的。

北斗模塊通過3根高頻電纜連接天線，天線選用嘉興佳利電子股份有限公司開發(fā)的A-011&GPS型號天線，該天線由3個(gè)高頻接口，分別是北斗上行發(fā)送接口L，下行接收接口S，以及混合定位所使用的B1L1接口。天線頻點(diǎn)和極化形式如表1所示。

表1 天線頻點(diǎn)及極化方式

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

供電模塊由兩部分電路組成：一是外部供電電路；二是鋰電池充電電路。系統(tǒng)供電主要由鋰電池供電，在外部供電在測試階段可以對鋰電池進(jìn)行充電，也可以對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖8 供電模塊原理框圖

供電原理如8圖所示，鋰電池和外部供電經(jīng)過DCDC輸出12 V直流電壓，然后進(jìn)行二次電壓變換，同時(shí)對北斗模塊內(nèi)部PA電路進(jìn)行供電。采用CW001M芯片單獨(dú)為北斗模塊提供3 A的大電流；采用78D05芯片為其他模塊進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)按需供電，減少功耗，延長系統(tǒng)工作時(shí)間。

2.4 充電模塊設(shè)計(jì)

定位裝置獨(dú)立工作的時(shí)候采用3.4 Ah的鋰電池供電，在鋰電池電量耗盡時(shí)需要對其進(jìn)行充電。文章中設(shè)計(jì)采用BQ24650芯片對鋰電池進(jìn)行充電，輸入電壓為15 V，芯片輸出的最大充電電壓為12.6 V。充電電路如圖9所示，充電芯片采用恒流恒壓分階段充電的方式對鋰電池進(jìn)行充電。

圖9 充電電路原理圖

BQ24650是一個(gè)高度集成的開關(guān)模式電池充電芯片[16-17]。它提供了一個(gè)恒頻同步PWM控制器，具有高精度的電流和電壓調(diào)節(jié)，可對充電進(jìn)行預(yù)處理、終止和狀態(tài)監(jiān)測。它提供輸入電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)輸入電壓低于程序設(shè)定的水平時(shí)，它降低充電電流。

BQ24650分三階段給電池充電：預(yù)處理階段、恒流充電階段、恒壓重帶你階段。當(dāng)電流達(dá)到快速充電速率的1/10時(shí)，充電終止。充電電壓可通過電阻R32和R33的比值進(jìn)行調(diào)節(jié)，充電電流可通過調(diào)節(jié)R_SR的阻值進(jìn)行設(shè)置。

2.5 電池供電控制電路設(shè)計(jì)

外部供電開關(guān)打開后，繼電器在主控模塊的控制下主動閉合，此時(shí)，外部給鋰電池充電，且供給設(shè)備用電。外部供電斷開后，裝置獨(dú)立工作，此時(shí)由鋰電池供電。此時(shí)就需要斷電控制電路來控制鋰電池?cái)嚯姟?/p>

斷電控制電路主要通過繼電器實(shí)現(xiàn)[18-19]。繼電器選用宏發(fā)繼電器HF49FD，該繼電器是小型中共旅繼電器，擁有5 A觸點(diǎn)切換能力、高靈敏度。當(dāng)繼電器閉合時(shí)，鋰電池供電；反之，則斷開鋰電池供電。斷電信號Lictr由單片機(jī)給出，通過一個(gè)三極管實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制。電路原理如圖10所示。當(dāng)Lictr為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)，D3左右兩側(cè)的電壓差為5 V，達(dá)到繼電器閉合條件；反之，繼電器則斷開。斷電時(shí)，單片機(jī)將Lictr置低，實(shí)現(xiàn)鋰電池?cái)嚯姟?/p>

圖10 斷電控制電路

2.6 地面短報(bào)文接收終端

地面接收機(jī)使用FB-CZ-01通用型10 W北斗二代短報(bào)文通信終端，擁有自檢、定位、通信功能，待機(jī)功耗≤2 W，可使用+12～30 V電壓供電，擁有RS232通信接口，默認(rèn)波特率為115 200。接收到信標(biāo)機(jī)發(fā)送的短報(bào)文之后，負(fù)責(zé)解算短報(bào)文，并將解算結(jié)果通過RS232通信接口傳輸至PC端的上位機(jī)顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信標(biāo)機(jī)軟件設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)上電后，單片機(jī)開始初始化，使能兩個(gè)定位通信模塊開始工作，隨后定位通信模塊內(nèi)部的RNSS開始獲取位置信息并將之傳輸給主控模塊。主控對位置信息進(jìn)行提取、編幀，隨后通過模塊內(nèi)部的RDSS以短報(bào)文的形式發(fā)送至地面北斗短報(bào)文接收機(jī)，經(jīng)接收機(jī)傳輸?shù)絇C端進(jìn)行解析、顯示。兩個(gè)北斗模塊獨(dú)立工作，在定位時(shí)和與主控通信時(shí)互不干擾；使用的北斗通訊卡是60 s卡，一分鐘只能發(fā)送一次短報(bào)文信息。定位系統(tǒng)內(nèi)部兩個(gè)北斗模塊(A和B)分別裝有一張60 s的北斗通訊卡，為了提高短報(bào)文的通信頻度，因此采用雙北斗模塊交替發(fā)送的通信方式。每次短報(bào)文發(fā)送間隔35 s，由于地面接收系統(tǒng)內(nèi)部包含了兩個(gè)RDSS短報(bào)文接收模塊(R1和R2)，因此采用A-R1，B-R1，A-R2，B-R2的方式實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)的通信，通信邏輯如圖11所示。由于北斗模塊是交替發(fā)送，因此單個(gè)模塊發(fā)送短報(bào)文的時(shí)間間隔為70 s，大于北斗通訊卡發(fā)送的間隔時(shí)間60 s，提高了通信頻度。信標(biāo)工作流程如圖12所示。

圖11 短報(bào)文通信邏輯

圖12 信標(biāo)機(jī)工作流程

3.2 定位信息處理

北斗二號導(dǎo)航系統(tǒng)通信輸出協(xié)議是在NMEA-0183基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的[20-21]，其規(guī)則定義基本相同，但在輸出的命令標(biāo)識有所區(qū)別，GPS/BD2雙模定位的命令標(biāo)識GN。因此在單片機(jī)初始化之后，會通過串口配置北斗模塊只輸出定位信息，且輸出標(biāo)識為GNGGA，數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度，高度等信息，且中間用“，”隔開，所以，在提取數(shù)據(jù)時(shí)以“，”為分隔標(biāo)志對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如圖13所示。在單片機(jī)提取定位信息后，與其他的信息一同編幀，之后，通過RDSS以短報(bào)文的形式將定位信息發(fā)送至地面接收。隨后上傳至PC端的上位機(jī)，根據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析后顯示定位目標(biāo)的地址。

圖13 GNGGA數(shù)據(jù)

4 測試結(jié)果與分析

對于定位系統(tǒng)而言，最重要的是定位和通信兩大功能，所以在試驗(yàn)時(shí)，主要針對這兩點(diǎn)功能進(jìn)行測試。在測試時(shí)，首先選擇一處空曠且無明顯遮擋的地方進(jìn)行測試。將設(shè)備的天線放置在朝南的地方，且與水平面的夾角為45°左右，連續(xù)長時(shí)間不間斷測試，測得的數(shù)據(jù)顯示在PC端的上位機(jī)軟件上。

上位機(jī)原始數(shù)據(jù)如圖14所示，從圖中可以看出：

圖14 信標(biāo)機(jī)接收原始數(shù)據(jù)

1)定位系統(tǒng)能夠正常工作，即可以實(shí)現(xiàn)定位和通信;

2)通信頻度在民用SIM卡1次/min的前提下提高至2次/min。

為了檢測系統(tǒng)定位結(jié)果和精度，在一空曠無遮擋的區(qū)域進(jìn)行多次不間斷測試，之后對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如表2和圖15所示的測試結(jié)果。據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出：系統(tǒng)總體誤差優(yōu)于5 m，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)單獨(dú)供電時(shí)，工作時(shí)長統(tǒng)計(jì)如圖16所示，根據(jù)圖16可以得出，系統(tǒng)單獨(dú)供電時(shí)長可以達(dá)到3 h，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖15 充電測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 定位裝置工作時(shí)長統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的基于RDSS和RNSS的定位系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅能夠在安全穩(wěn)定的環(huán)境中工作，而且在一些較為復(fù)雜的環(huán)境中，也能夠提供目標(biāo)精確的位置信息，保證通信質(zhì)量。此外，該信標(biāo)機(jī)通過采用雙模塊設(shè)計(jì)，將通信頻度提高至2次/min。避免了由單一模塊損壞導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作的情況發(fā)生，提高了通信的可靠性。該定位系統(tǒng)精確度高，適用性強(qiáng)，能夠長時(shí)間地監(jiān)測目標(biāo)的位置。

表2 定位系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果對比