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)國家重點實驗室,太原 030051; 2.北京京航計算通訊研究所,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)
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械的定位仍然是一個難題。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]。因此研究出一個可以在高度復(fù)雜環(huán)境下可以實現(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)及進行定位。國內(nèi)經(jīng)常使用信標(biāo)機定位的方式進行定位。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)計方案。但是,這樣的設(shè)計在較為復(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,文章設(shè)計的定位系統(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,另一個模塊也能夠繼續(xù)正常工作,給飛行器和船舶等大型機械充足的定位通信提供安全保障。
如圖1所示,該定位系統(tǒng)由信標(biāo)機和地面接收設(shè)備兩部分組成。信標(biāo)機內(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械上。信標(biāo)機通過RNSS以雙模定位技術(shù)實現(xiàn)定位[8-11],之后將位置信息通過RDSS以短報文的形式發(fā)送至地面接收設(shè)備,地面接收設(shè)備將短報文解算之后再傳送至PC端處理、顯示,最后實現(xiàn)飛行器和航海機械的定位[12-14]。信標(biāo)機由主控單元、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)備由兩臺北斗短報文接收機和電腦組成。定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)定位和通信兩大功能。
圖1 總體方案示意圖
信標(biāo)機通過GPS/BD雙模定位技術(shù)實現(xiàn)對當(dāng)前位置信息的獲取[15],可以實現(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,兩個北斗模塊獨立工作,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)特點和優(yōu)勢主要有4個: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,對兩個模塊的定位信息進行處理,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,短報文經(jīng)過10 W的功放模塊進行功率放大,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)使用雙模塊進行通信,比使用雙卡切換的設(shè)計要更具安全性,雙模塊提供雙份的保障。
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)單獨由北斗或者GPS進行定位;在組合工作模式下,由北斗和GPS共同實現(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)果融合是將兩個系統(tǒng)獨立計算出得結(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的偽距進行聯(lián)合觀測,同時,將兩個系統(tǒng)的時間差納入,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間系統(tǒng)差未知因子,組合后的方程將含有5個未知參數(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,實現(xiàn)更加精確的定位。聯(lián)合后的方程如式(1)所示:
(1)
北斗短報文通信系統(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 短報文傳輸流程
發(fā)送端將短報文加密后發(fā)送至衛(wèi)星,衛(wèi)星收到短報文后根據(jù)接收端的地址進行廣播,經(jīng)廣播進入地面中心,地面中心脫密再加密后再次轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星,該衛(wèi)星再次進行廣播,接收端收到廣播的短報文消息后,進行解密,完成一次通訊。北斗可以實現(xiàn)雙向通信功能,即用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間可實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信,GPS只有單向的,這是北斗的優(yōu)勢。
主控模塊選用ST公司的STM32F0系列低功耗單片機,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的定位信息進行提取、編幀,隨后通過RDSS發(fā)送至地面短報文接收機。
定位通信模塊內(nèi)部包括兩個北斗模塊,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
短報文發(fā)送時,單片機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行放大,通過外置無源天線TX端對信號進行發(fā)送。短報文發(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進行定位。RNSS包括GPS和北斗兩部分,既可以使用二者其一進行定位也可以采用GPS和北斗組合的方式進行定位。外部天線使用雙模天線,接收到信號后,先由噪聲放大器進行濾波、噪聲放大等相關(guān)處理后,進行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,兩個系統(tǒng)采用相同的CDMA擴頻技術(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。天線頻點和極化形式如表1所示。
表1 天線頻點及極化方式
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行充電,也可以對系統(tǒng)進行供電。
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,然后進行二次電壓變換,同時對北斗模塊內(nèi)部PA電路進行供電。采用CW001M芯片單獨為北斗模塊提供3 A的大電流;采用78D05芯片為其他模塊進行供電。設(shè)計按需供電,減少功耗,延長系統(tǒng)工作時間。
定位裝置獨立工作的時候采用3.4 Ah的鋰電池供電,在鋰電池電量耗盡時需要對其進行充電。文章中設(shè)計采用BQ24650芯片對鋰電池進行充電,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行充電。
圖9 充電電路原理圖
BQ24650是一個高度集成的開關(guān)模式電池充電芯片[16-17]。它提供了一個恒頻同步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,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,充電終止。充電電壓可通過電阻R32和R33的比值進行調(diào)節(jié),充電電流可通過調(diào)節(jié)R_SR的阻值進行設(shè)置。
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,外部給鋰電池充電,且供給設(shè)備用電。外部供電斷開后,裝置獨立工作,此時由鋰電池供電。此時就需要斷電控制電路來控制鋰電池斷電。
斷電控制電路主要通過繼電器實現(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觸點切換能力、高靈敏度。當(dāng)繼電器閉合時,鋰電池供電;反之,則斷開鋰電池供電。斷電信號Lictr由單片機給出,通過一個三極管實現(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,三極管導(dǎo)通,此時,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,單片機將Lictr置低,實現(xiàn)鋰電池斷電。
圖10 斷電控制電路
地面接收機使用FB-CZ-01通用型10 W北斗二代短報文通信終端,擁有自檢、定位、通信功能,待機功耗≤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)機發(fā)送的短報文之后,負(fù)責(zé)解算短報文,并將解算結(jié)果通過RS232通信接口傳輸至PC端的上位機顯示。
信標(biāo)機上電后,單片機開始初始化,使能兩個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。主控對位置信息進行提取、編幀,隨后通過模塊內(nèi)部的RDSS以短報文的形式發(fā)送至地面北斗短報文接收機,經(jīng)接收機傳輸?shù)絇C端進行解析、顯示。兩個北斗模塊獨立工作,在定位時和與主控通信時互不干擾;使用的北斗通訊卡是60 s卡,一分鐘只能發(fā)送一次短報文信息。定位系統(tǒng)內(nèi)部兩個北斗模塊(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RDSS短報文接收模塊(R1和R2),因此采用A-R1,B-R1,A-R2,B-R2的方式實現(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,因此單個模塊發(fā)送短報文的時間間隔為70 s,大于北斗通訊卡發(fā)送的間隔時間60 s,提高了通信頻度。信標(biāo)工作流程如圖12所示。
圖11 短報文通信邏輯
圖12 信標(biāo)機工作流程
北斗二號導(dǎo)航系統(tǒng)通信輸出協(xié)議是在NMEA-0183基礎(chǔ)上進行擴展的[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)時以“,”為分隔標(biāo)志對數(shù)據(jù)進行提取,如圖13所示。在單片機提取定位信息后,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,根據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行解析后顯示定位目標(biāo)的地址。
圖13 GNGGA數(shù)據(jù)
對于定位系統(tǒng)而言,最重要的是定位和通信兩大功能,所以在試驗時,主要針對這兩點功能進行測試。在測試時,首先選擇一處空曠且無明顯遮擋的地方進行測試。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)長時間不間斷測試,測得的數(shù)據(jù)顯示在PC端的上位機軟件上。
上位機原始數(shù)據(jù)如圖14所示,從圖中可以看出:
圖14 信標(biāo)機接收原始數(shù)據(jù)
1)定位系統(tǒng)能夠正常工作,即可以實現(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)域進行多次不間斷測試,之后對測試數(shù)據(jù)進行處理,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)計要求。系統(tǒng)單獨供電時,工作時長統(tǒng)計如圖16所示,根據(jù)圖16可以得出,系統(tǒng)單獨供電時長可以達(dá)到3 h,滿足系統(tǒng)設(shè)計。
圖15 充電測試實驗結(jié)果
圖16 定位裝置工作時長統(tǒng)計圖
文章設(shè)計的基于RDSS和RNSS的定位系統(tǒng),在實際應(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)機通過采用雙模塊設(shè)計,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,能夠長時間地監(jiān)測目標(biāo)的位置。
表2 定位系統(tǒng)實測結(jié)果對比