溫 倩 施 睿 文 豐 武慧軍

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100076）

1 引言

在飛行器飛行試驗(yàn)過程中，通常會(huì)需要將飛行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)至飛行記錄器中，試驗(yàn)參數(shù)的獲得需要快速準(zhǔn)確地回收飛行記錄器。目前我國慣用的落點(diǎn)搜尋還停留在較為原始的方法，無法準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)回收［1］。基于此問題，本文提出了一種新型的落點(diǎn)回收的方法，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)，可以隨飛行記錄器一起下落，并在下落過程中以一定頻率實(shí)時(shí)發(fā)送位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)落定回收［2］。目前這種方法已成功應(yīng)用于某航天項(xiàng)目中，并取得了良好的效果。

本文提出的設(shè)計(jì)方法主要由天線單元、定位和通信組件、主控單元，電源管理等部分組成。根據(jù)該方法研制的信標(biāo)機(jī)規(guī)避了傳統(tǒng)信標(biāo)機(jī)功耗高、定位時(shí)間長、適用范圍小的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)記錄器下墜過程中或落地后的快速定位和及時(shí)發(fā)送，提高了回收效率［3］。

2 提出設(shè)計(jì)方法

目前常用到的目標(biāo)追蹤和落點(diǎn)搜尋方法有以下幾種。

1）利用肉眼搜尋：該方法主要是通過改變飛行記錄器的外觀，使其具有明顯的特征，從而進(jìn)行搜尋［4］。例如，（1）飛行記錄器在落地時(shí)遭到激烈沖擊觸發(fā)裝置噴出煙霧，引導(dǎo)搜尋人員找到落點(diǎn)位置，這種方式成本低，在晴朗無風(fēng)的天氣可以實(shí)現(xiàn)快速搜尋；（2）在飛行記錄器表面涂上亮眼的顏色、這種方法提高了在空曠地帶的搜尋率，但需要對(duì)落點(diǎn)位置有一定的預(yù)測(cè)，如果落點(diǎn)范圍太廣、環(huán)境較復(fù)雜，想要快速搜尋仍然困難；（3）在飛行記錄器上安裝亮度較強(qiáng)的發(fā)光裝置，方便在光線較暗的環(huán)境下搜尋，在晴朗的日間仍不方便回收。

2）利用電磁波的反射原理搜尋：該方法主要是將雷達(dá)發(fā)射臺(tái)發(fā)射的電磁波遇到待尋目標(biāo)后反射回的電磁波與未遇到目標(biāo)正常發(fā)出的電磁波對(duì)比，通過改變的方向和時(shí)間差，即可確定落點(diǎn)的大致方位［5］。這種方法更適用于大型目標(biāo)的搜尋，且要求落點(diǎn)位置必須有雷達(dá)基站的存在，成本大，布設(shè)困難，不利于推廣。

為了解決上述方法存在的問題，提出了一種基于衛(wèi)星通信的定位方法，如圖1 所示。該方法基于GPS/BDS 導(dǎo)航衛(wèi)星可方便快速的對(duì)目標(biāo)的位置實(shí)時(shí)跟蹤和定位，當(dāng)定位成功后通過北斗通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)定位回收［6］。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

圖2 各模塊連接示意圖

3 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案

信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)主要將天線單元、主控邏輯、定位及通信、電源管理等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。各模塊之間通過主控制器調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)位置信息的獲取、解析和發(fā)送。

3.1 天線單元設(shè)計(jì)

隨著軍民兩用信息技術(shù)不斷發(fā)展，信息通信的發(fā)展向航空一體化方向發(fā)展。天線作為無線通信系統(tǒng)中電磁波的轉(zhuǎn)換裝置，是系統(tǒng)中基本且重要的基礎(chǔ)部件［7］。

本次設(shè)計(jì)選用的天線是圓極化天線，主要因?yàn)槠淇梢越邮請(qǐng)A極化、線極化和橢圓極化的波，且該天線使無線電波的極化面與大地法線面之間的夾角可以360°周期變化，增加了信號(hào)的接收概率［8］。此外，對(duì)于電磁波而言，雨雪和云霧等介質(zhì)是均勻介質(zhì)，電磁波傳播過程中遇到均勻介質(zhì)的反射可以進(jìn)行左右旋圓偏振波的相互轉(zhuǎn)換。這就要求接收信號(hào)的物體可以接收到穿過非均勻介質(zhì)后產(chǎn)生的線極化和圓極化分量，這也是選擇圓極化天線的重要因素。本次設(shè)計(jì)選用的天線指標(biāo)如表1 所示。

表1 選用天線指標(biāo)

3.2 主控邏輯設(shè)計(jì)

主控單元選用可進(jìn)行IAP 編程的單片機(jī)作為控制芯片，主要功能是對(duì)定位信息的編幀、解析和傳送，同時(shí)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)度控制［9～10］。

系統(tǒng)加電后，信標(biāo)機(jī)以100ms的頻率實(shí)時(shí)刷新定位信息，并將該位置信息編幀后通過422 接口按照一定格式發(fā)送給外部連接設(shè)備，若當(dāng)前定位信息有效，則將位置信息存放在內(nèi)部緩存隊(duì)列中，若當(dāng)前定位信息無效，則不寫入緩存隊(duì)列；當(dāng)信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)與外部連接設(shè)備分離后自動(dòng)切換為內(nèi)部鋰電池供電，定時(shí)器以此為零點(diǎn)開始工作，在T1 計(jì)時(shí)標(biāo)志有效后，判斷緩存中的定位信息是否有效，若有效，由內(nèi)置的SIM1 立刻發(fā)出一組定位信息，之后等T2計(jì)時(shí)標(biāo)志有效，則由SIM2 再發(fā)出一組定位信息，60S 后由SIM 卡1 和SIM 卡2 交替將位置信息發(fā)送到地面接收設(shè)備，通信頻次為32s/次。

此外，控制器支持IAP 編程，可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過對(duì)FLASH 區(qū)域的替換和擦除實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶程序的更新。單片機(jī)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)Boot 和FLASH_APP 兩段程序。Boot 程序主要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序的遠(yuǎn)程更新及向執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)兩項(xiàng)功能。FLASH_APP 程序分為A、B 兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行存儲(chǔ)，A區(qū)放置當(dāng)前運(yùn)行的程序，B 區(qū)放置當(dāng)前更新的程序，當(dāng)程序接收校驗(yàn)無誤后從B 區(qū)拷貝至A 區(qū)，并從A區(qū)引導(dǎo)執(zhí)行［11］。主控邏輯流程如圖3所示。

圖3 主控邏輯流程圖

3.3 定位及通信設(shè)計(jì)

由于此次提出的信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方法是為了滿足小型化設(shè)備的回收問題，所以在選擇定位模塊時(shí)除了定位精度和刷新精度之外，還需綜合考慮尺寸大小、電源功耗以及系統(tǒng)集成度和成熟性［12］。綜合考慮上訴因素，設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)選用了一款北京東方聯(lián)星公司的小型化定位模塊，可實(shí)現(xiàn)60s 內(nèi)快速定位，水平定位精度10m，垂直定位精度15m，可滿足設(shè)計(jì)所需。

通信主要是利用北斗衛(wèi)星獨(dú)有的短報(bào)文功能完成實(shí)時(shí)定位信息的發(fā)送，在選型中也要考慮信標(biāo)機(jī)小型化的要求［13］。同時(shí)為了提高信標(biāo)機(jī)通信的效率和容量，降低通信模塊及其附屬天線的設(shè)計(jì)難度，采用兩張北斗SIM 卡作為通信發(fā)送方，該卡被允許的通信頻率為1 次/min，若時(shí)間間隔未到1min，則通信請(qǐng)求不被響應(yīng)。鑒于上述原因，提出雙SIM 卡交替通信的構(gòu)想，增加通信頻率，使整體通信更加穩(wěn)定可靠［14］。

信標(biāo)機(jī)外接電源上電后，實(shí)時(shí)刷新定位信息并將其存放在緩存隊(duì)列中，最多可存放三條，當(dāng)記錄器與飛行器分離進(jìn)入定時(shí)流程后，當(dāng)計(jì)時(shí)標(biāo)志和定位信息有效后，將緩存的短報(bào)文發(fā)送給北斗模塊，發(fā)射按照北斗4.0協(xié)議執(zhí)行如表2所示。

表2 北斗4.0通信協(xié)議

通信信息類別如表3所示。

表3 通信信息類別

3.4 電源管理設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，需對(duì)信標(biāo)機(jī)的電源進(jìn)行管理，具體包括電池充放管理和電池靜態(tài)損耗管理［15］。

1）電池充放管理，旨在確保信標(biāo)機(jī)脫離飛行器后的工作性能和工作時(shí)長。設(shè)計(jì)選用型號(hào)為BQ24105的充電芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，充電過程分為預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段，預(yù)充電階段先以小電流對(duì)電池充電至設(shè)置的閥值后進(jìn)入恒流充電階段，預(yù)充電的目的在于避免突發(fā)大電流對(duì)電池造成損害；恒流充電階段進(jìn)入快速充電模式，當(dāng)電量充至90%后進(jìn)入下一階段；恒壓充電時(shí)電流會(huì)隨著電池電量的增加而減小，避免電池過充［16］。

信標(biāo)機(jī)內(nèi)部集成兩塊鋰電池互為備份，電池電壓為8.4V，單個(gè)電池容量為500mA/h，內(nèi)部設(shè)計(jì)雙路充電管理電路分別對(duì)雙冗余鋰電池進(jìn)行充電管理。對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電池充放電曲線圖

2）電池靜態(tài)損耗管理，本次設(shè)計(jì)中電池的靜態(tài)功耗主要是由電源芯片的靜態(tài)電流產(chǎn)生。由于電源芯片在電路中只起到穩(wěn)壓的作用，不參與電路板功能的實(shí)現(xiàn)，所以在理想狀態(tài)下希望其本身不要有損耗。為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，選用了靜態(tài)電流為70 μA 的電源芯片，且電路設(shè)計(jì)中加入了繼電器來控制電路的通斷。

4 驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路

針對(duì)上述設(shè)計(jì)，對(duì)信標(biāo)機(jī)進(jìn)行功性能測(cè)試。測(cè)試方法主要分為三個(gè)部分：自檢測(cè)試、通信測(cè)試和模擬測(cè)試。

自檢測(cè)試包括對(duì)通信模塊信號(hào)測(cè)試和自發(fā)自收測(cè)試；對(duì)定位模塊的性能測(cè)試。

單元測(cè)試是對(duì)整體系統(tǒng)的功能測(cè)試。

模擬測(cè)試是模擬飛行過程中的信標(biāo)機(jī)，對(duì)其進(jìn)行功能性測(cè)試。

4.1 自檢測(cè)試

自檢測(cè)試主要防止電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的干擾對(duì)北斗通信、定位功能及北斗用戶卡造成不良影響。如圖5 所示，圖（a）為標(biāo)準(zhǔn)版測(cè)試圖，圖（b）為本次設(shè)計(jì)的電路板測(cè)試圖。由圖5 可知，PCB 設(shè)計(jì)連接對(duì)通信模塊的信號(hào)影響較小。

圖5 通信波束信號(hào)對(duì)比

對(duì)北斗通信模塊的自發(fā)自收功能進(jìn)行驗(yàn)證，如圖6 所示。測(cè)試方法是設(shè)置好北斗衛(wèi)星具體的收信方和收信內(nèi)容，通信模塊按照每分鐘1 次的頻率發(fā)送通信申請(qǐng)后，測(cè)試通信申請(qǐng)是否成功及是否收到北斗衛(wèi)星向指定設(shè)備發(fā)送的反饋。

圖6 自發(fā)自收功能測(cè)試圖

定位功能的自檢測(cè)試圖如圖7 所示，該圖顯示了信標(biāo)機(jī)所在區(qū)域的衛(wèi)星分布情況、衛(wèi)星序號(hào)、定位模塊捕捉到的衛(wèi)星及其信噪比情況。文字區(qū)域中幀頭為$GPGGA 的一幀數(shù)據(jù)中含有定位狀態(tài)、衛(wèi)星顆數(shù)和經(jīng)緯度及高度信息，圖中所示的位置坐標(biāo)為“東經(jīng)112°35.91756′、北緯37°44.06335′、海拔773m”。

圖7 定位功能測(cè)試圖

4.2 單元測(cè)試

信標(biāo)機(jī)在進(jìn)行單元測(cè)試時(shí)需保證在斷電之前定位成功，并通過422 接口將定位信息反饋回來，如圖8 所示，可實(shí)時(shí)觀測(cè)電池電壓、定位狀態(tài)、電源在線情況、及定位后的位置坐標(biāo)。圖中顯示的位置坐標(biāo)都是以ASCII 碼的形式顯示的，轉(zhuǎn)碼后的位置坐標(biāo)為“東經(jīng)112°36.03109′、北緯37°44.06492′、海拔785.3m”。

圖8 通信測(cè)試圖

系統(tǒng)斷電后，由內(nèi)部鋰電池供電，切換SIM 卡交替向外部接收設(shè)備發(fā)送短信，短信內(nèi)容接收最近三次的位置信息，如圖9 所示為地面接收設(shè)備接收到的北斗衛(wèi)星反饋內(nèi)容，內(nèi)容顯示坐標(biāo)為“北緯37°44.06818′，東經(jīng)112°36.03088′，海拔772m”。

圖9 接收到的定位信息內(nèi)容

如圖10 所示為接收設(shè)備接收到反饋的時(shí)間，由此圖可驗(yàn)證信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的工作流程，地面接收設(shè)備在T1 時(shí)刻接收到SIM 卡1 發(fā)送的信息，在T2 時(shí)刻接收到SIM 卡2 發(fā)送的信息，T1、T2 時(shí)刻設(shè)置時(shí)間間隔為3s，并設(shè)置T2+2min 后以次/32s 接收雙卡交替發(fā)送的信息。

圖10 系統(tǒng)工作流程驗(yàn)證圖

4.3 模擬測(cè)試

在模擬測(cè)試下，信標(biāo)機(jī)裝置在戶外空曠地帶的各個(gè)方向測(cè)試產(chǎn)品的工作邏輯和工作性能。通過外接的測(cè)試工裝給定位裝置供電，戶外測(cè)試圖如圖11所示。

圖11 戶外測(cè)試圖

定位成功后，模擬彈射筒彈出及其在下落過程中的工作狀態(tài)，按照系統(tǒng)工作流程測(cè)試信標(biāo)機(jī)的定位功能，統(tǒng)計(jì)信標(biāo)機(jī)在不同方向下重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)的短報(bào)文狀態(tài)及測(cè)試10min收到的短報(bào)文個(gè)數(shù)如表4所示。

表4 戶外測(cè)試結(jié)果

由上述測(cè)試結(jié)果表明，按照此方法設(shè)計(jì)的信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)可以正常實(shí)現(xiàn)定位和通信功能。

5 結(jié)語

本文提出一種基于衛(wèi)星通信的信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方法，并且根據(jù)該方法設(shè)計(jì)出一款信標(biāo)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)具備所需的功能性，可以做到快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地回收目標(biāo)物。本次提出的信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方法突破了目標(biāo)物與搜尋人員的距離限制，也不需要大規(guī)模的基站鋪設(shè)，成本低，應(yīng)用范圍廣，具有較好的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。